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2017-03-31     周五到~双休来~在轻松愉快的周五， 就让我们一起轻松愉快地 上一节小课堂吧！    1 延性断裂失效 延性断裂失效是什么？ 当构件所承受的实际应力大于材料的屈服强度时，将产生塑性变形，应力进一步增大，就会产生断裂，称为延性断裂失效。 蠕变断裂 蠕变断裂也属于延性断裂的一种方式，但其断裂机理与室温下延性断裂不同，蠕变断裂是在高温和载荷作用下，随着作用时间增长而逐渐发生变形，最后导致断裂。  如何判断延性断裂？ 延性断裂通常是指室温下的断裂，其特征是在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形处有裂纹出现；延性断裂的一种典型断口是拉伸试样的杯锥状断口，杯部呈纤维状特征，锥部呈浅灰色的光滑区，并与杯部成45°角。 图2是实际检测中的两个拉伸试棒拉断后的形貌， 1#样品在断裂前发生了明显的颈缩和伸长现象，图2是实际检测中的两个拉伸试棒拉断后的形貌， 1#样品在断裂前发生了明显的颈缩和伸长现象，即产生了明显的塑性变形，为延性断裂。2#样品在断裂前未见明显的颈缩和伸长，具有脆性断裂的宏观特征。  图2 拉伸试样的延性断断裂和脆性断裂 2 脆性断裂 脆性断裂失效是什么？ 脆性断裂是指断裂前几乎不产生显著的塑性变形。脆性断裂是一种危险的突发事故，危害性很大，断裂时所受应力较低，常低于材料的屈服强度，低于设计许用应力。 如何判断脆性断裂？ 构件破坏之前没有或只有局部的轻微的塑性变形。断口宏观形貌平直，断面与拉应力方向垂直，断口上有放射状条纹，放射状条纹的收敛点为断裂源，当构件为管材或板材时，断口上有人字纹条纹，人字的头部指向断裂源，并有闪光的“小刻面”。 脆性断裂的断裂源 断裂源总是发生在缺陷处(尤其是焊接缺陷)或几何形状突变的凹槽、缺口、加工刀痕等处，也有裂纹源由疲劳损伤处引起。一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，其扩展速度可达声速，因此带来的后果常常是灾难性的。 图3是一个直径为1400mm的大齿轮开裂情况，开裂面上人字纹的收敛处即为开裂源区，开裂起源于工艺孔的表面。 图3 （a）裂纹形貌，（b）裂纹面形貌 3 疲劳断裂 疲劳断裂失效是什么？ 机械零件在循环交变应力的作用下引起的断裂称为疲劳断裂。在机械构件的断裂失效中，疲劳断裂所占的比例最高，达70%以上。 疲劳断裂的类型 疲劳断裂的类型较多，常见的疲劳断裂主要有高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、微振疲劳、蠕变疲劳等。 4 磨损失效 磨损失效是什么？ 磨损是零部件失效的一种基本类型，是相互接触并作相对运动的物体，由于机械作用所造成的材料迁移及分离的破坏形式，也称磨损失效，往往采用宏观分析技术就可以比较准确的进行判断。 磨损失效会造成的危害 a）全丧失原定功能； b）功能降低和有严重损伤或隐患； c）继续使用会失去可靠性及安全性。所有滑动或滚动的零件均会受到磨损，如轴承、齿轮、导轨、活塞环、花键、制动器、离合器等。 磨损失效虽不像断裂失效及腐蚀失效所造成的损失巨大，然而也发现一些灾难性的事故根源来自磨损失效，如飞机起落架和液压控制筒在活塞与油缸、活塞秆与密封之间发生微动磨损，最后导致飞机起落架无法放下而发生机毁事故。 磨损失效的特点： 1）总是和摩擦相伴，存在材料损失或迁移； 2）需要一定的时间； 3）磨损不等于磨损失效，需要一个量变到质变的转化过程； 4）磨损与构件的大小无关。 常见的磨损失效主要可分为： 1）粘着磨损； 2）磨粒磨损； 3）疲劳磨损（接触疲劳）； 4）腐蚀磨损（微动磨损）。 实际分析中往往会有多种磨损失效形式同时存在，但一般有一种是主要的。 磨损失效实例 图4为电梯扶手带驱动轴粘着磨损失效的情况，可见配合部位轴尺寸明显变小直至断裂，该部分的材料以粘屑的形式转移到驱动轮的卡环上。 图4（a）卡环上的粘屑（b）粘着磨损后的驱动轴 图4（a）卡环上的粘屑（b）粘着磨损后的驱动轴 5 腐蚀失效 金属与其表面接触的介质发生反应而造成的损坏称为腐蚀。腐蚀失效的特点是失效形式众多，失效机理复杂。而且腐蚀失效占金属机械构件失效事故的比例相当高，仅次于疲劳断裂。尤其是在化工、石油、电站、冶金等工业领域中，其腐蚀失效的事故较多，造成的损失巨大。因此对腐蚀失效的研究和预防在失效分析中是非常重要的工作。 腐蚀失效与介质、材料结构、应力、温度与介质流速等有密切关系，失效主要由局部腐蚀引起，包括点蚀、冲蚀及应力腐蚀破裂（SCC）等，其中SCC易造成突发事故。对于对SCC破裂，肖纪美院士按介质类型将其分为碱脆、氢脆、氯脆、氦脆、硝脆等，该分类便于针对化学环境而选材，当然也便于有的放矢地提出防范措施。 大多数腐蚀失效采用宏观分析技术就可以初步确定其一级失效模式。 6 变形失效 变形失效都是逐渐发生的，一般都属于非灾难性。但是忽视变形失效的监督和预防，也会导致很大的损失。在室温下的变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效。高温下的变形失效主要有蠕变失效和高温松弛失效。 使用过程中的变形 一般在使用过程中，发生的变形若通过校正可恢复其使用功能，则可重新使用；若无法校正，或因永久性的机械碰伤或损伤丧失使用功能则可报废，原因比较清晰，不需要进行失效分析。 冷加工过程中的变形 对于一些精密的杆类或薄板类零件，冷加工过程极易产生变形，加工过程、加工后的放置、库存方式以及加工造成的残余应力消除等均影响零件的变形。 热处理淬火变形 零件淬火时尺寸或形状发生变化称淬火形变。淬火变形一般有尺寸变化和形状变化两种。尺寸变化是淬火时由于相变引起膨胀或收缩使零件尺寸发生变化，主要指伸长、缩短、变粗、变细等。形状变化是由于零件的自重引起下垂和应力变化引起形状发生变化，如翘曲、弯曲、扭曲等变形。淬火形变缺陷较难对付，在精密淬火中属于严重缺陷。 节选自：《理化检验—物理分册》 Vol.52 2016.8 作者：王荣，男，教授级高工，上海材料研究所 |
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