金属断裂与失效分析（刘尚慈 编）
第一章 概述
失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。
第二章 金属断裂失效分析的基本思路
§2—1 断裂失效分析的基本程序
一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究
（一） 零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二） 无损检测
（三） 材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四） 断口分析 （五） 断裂力学分析
以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 KI ＝ Yσ（ π α ）1/2
脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：KI ＜KIC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc ＝KIC / Y（ π α ）1/2
应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc ＝（KIC / Yσ）
2
/π
中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时：
δ＝（8σsα/πE）lnsec(πσ/2σs)
不发生断裂的条件为：δ＜δC （临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据
1
为：
J＜JIC
KIC——断裂韧性；KISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析
分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。 五、回访与促进建议的贯彻
§2—2 实效分析的基本思路
一、强度分析思路
二、断裂失效的统计分析
三、断裂失效分析的故障树技术
第三章 金属的裂纹
§3—1 裂纹的形态与分类
裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。
发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。
裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。
一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如：
2
① 铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，周围有严重的氧化和脱碳。
② 锻造、轧制网状裂纹：由过烧、渗铜、含硫量高等引起。 锻件加热温度过高、时间过长，引起晶粒粗化，脆性增加。如过烧晶界氧化使晶界强度降低，锻造时沿晶界开裂出现网状裂纹。当钢中含铜量过高（＞0.2％）时，在热锻过程中，表面发生选择性氧化（铁先氧化），使铜的含量相对增加，从而使晶界形成富铜相的网络，富铜相熔点低于基体引起开裂。同样，锻造时如铜附着在表面，借高温沿晶界渗入导致铜脆。在显微镜下可看到游离的铜沿晶界分布。当硫量较高时，低熔点的FeS或FeS与Fe的共晶体存在于晶界，高温锻造时，晶界结合强度低，使塑性变形能力下降，导致锻造开裂。
③ 热处理表面裂纹：淬火加热温度过高，奥氏体晶粒显著长大，淬火冷却中热应力和组织应力共同作用引起裂纹；如发生过烧现象就更容易引起龟裂。表面脱碳使工件表里不同含碳量奥氏体的马氏体开始转变温度（MS）不同，冷却先后有差异，扩大了组织转变的不同时性和体积转变的不均匀性。使得淬火组织应力增加，使表面产生大的多向应力，产生网状裂纹。
④ 电弧焊起弧电流过大时，局部热量过高，形成“火字形裂纹”。
⑤ 淬火后或渗碳后的部件在机加工过程中，表面应力可导致表面裂纹；耐热钢受表面热应力作用产生腐蚀性疲劳裂纹；不锈钢发生晶界腐蚀裂纹。
（2）直线型裂纹：常由发纹或其他非金属夹杂物在后续工序中扩展而形成，沿材料纵向分布。裂纹两侧和金属基体上，一般有氧化夹杂物和其他非金属夹杂物。细长零件在淬火中，在表面冷却比较均匀一致，心部淬透时，淬火应力（组织应力和热应力）超过材料抗拉强度极限，产生纵向直裂纹。由于心部淬透的细长工件的表层切向应力总是大于轴向应力，因此淬火裂纹总是纵向直线型。
3
金属--断裂与失效分析 刘尚慈
