失效分析的基本理论和技术

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时间:2019-05-11

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1、失效分析基础陶春虎中国航空工业集团公司失效分析中心第二讲失效分析的基本理论和技术1.痕迹分析1.痕迹分析的作用和意义痕迹:环境作用于系统,在系统表面留下的标记对事故和失效的发生、发展过程作出判断为分析结论提供可靠的依据在机械失效时,定义中的“系统”便是“机械”,而“环境”中的力学、化学、热学、电学等因素“作用”于机械,在机械表面及表面层所留下的损伤性标记,便是痕迹。1.痕迹分析的作用和意义痕迹标记:包括表面形貌(花样)、成分(或材料迁移)、颜色、表层组织、性能、残余应力以及表面污染状态等的变化。痕迹分析:对上述变化特征进行诊断鉴别

2、,并找出其变化的过程和原因,为事故和机械失效分析提供线索和证据。①机械接触痕迹②腐蚀痕迹③电侵蚀痕迹④污染痕迹2.痕迹的分类根据痕迹形成机理和条件的不同,痕迹分成以下几类:⑤分离物痕迹⑥热损伤痕迹⑦加工痕迹①压入性机械痕迹3.机械接触的损伤痕迹造痕物压入留痕物时,法向载荷的作用缓慢而持续,保持较长时间的接触状态或接触面不再分离(即静态接触),变形速度一般较小,这时留下的痕迹称为压入性机械痕迹——简称为压痕(或压印)。一般形貌比较规则,与造痕物的接触部位的形状比较吻合在有些情况下仍能保留机件原始的表面加工痕迹,压痕的边界比较清晰在垂直

3、表面的方向上的变形最大在机械加工过程中留下的有害压印痕,是机械失效的重要原因之一。3.机械接触的损伤痕迹压入性机械痕迹的特点:在摩擦过程中形成的(没有摩擦,就不会产生滑动性的机械痕迹)亦可称为摩擦痕迹,它是摩擦过程的真实记录。②滑动性机械痕迹3.机械接触的损伤痕迹a.犁痕(即划痕):包括犁皱痕迹、犁削痕迹和犁碎痕迹b.粘着痕迹c.摩擦疲劳痕迹d.摩擦腐蚀痕迹(复合型)②滑动性机械痕迹的分类3.机械接触的损伤痕迹4.电接触损伤痕迹主要包括:电腐蚀(电侵蚀)痕迹电腐蚀(表面)损伤痕迹电接触粘附电磨损痕迹静电痕迹5.热损伤痕迹①热冲击具有

4、如下一些痕迹特征:表面可能烧熔,出现铸态熔坑、几何花样、交叉滑移表面烧蚀变色,失去金属光泽表面龟裂,萌生热疲劳裂纹,并且出现多条热疲劳裂纹5.热损伤痕迹②热磨损当固体物体相互滑过时,甚至在中等负荷和速度下都可能产生非常高的表面温度。③低熔点金属的热污染低熔点金属受热液化时若与固体金属表面直接接触,常使该固体金属浸湿而脆化,在拉伸应力的作用下,从表面起裂,而裂纹尖端吸附低熔点液态金属原子,进一步降低固体金属的晶体结合键强度,导致裂纹脆性扩展。常导致接触金属的脆性断裂,一般称作液态金属脆。6.痕迹分析的一般程序①寻找、发现和显现痕迹

5、②痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存③鉴定痕迹进行针对性的检验,一般原则是由表及里,由简而繁,先宏观后微观,先定性后定量遵循形貌→成分→组织结构→性能顺序④痕迹的模拟再现试验⑤综合性分析⑥做分析结论并写出有建设性意见的报告2.裂纹分析第二讲失效分析的基本理论和技术裂纹和断口是表述断裂失效过程不同阶段的术语。在力的作用下,零件表面或内部的连续性遭到破坏而未最终破断之前称为裂纹,最终破断的断裂面称为断口。断裂经历裂纹的萌生、扩展直至最终破断等不同阶段。断裂过程的每一阶段会在断口上留下相应的痕迹、形貌与特征。断口和裂纹分析就是通过

6、对这些痕迹、形貌与特征的观察、鉴别及分析,揭示出断裂过程的相关因素,从而判明断裂失效的性质与机理。断口和裂纹分析是断裂失效分析的基础。①裂纹深度与断裂强度的经验公式断裂强度c与裂纹深度a的平方根成反比:或K—非一般的比例常数,它表达了裂纹前端的力学因素,反映材料抵抗脆性断裂能力的一个断裂韧性指标。1.裂纹分析的力学基础②断裂韧性的基本概念(1)平面应力和平面应变的概念(a)带缺口的拉伸试样(b)平面应力状态(Z=0)(c)平面应变状态(Z=0)分析首断件的原则当各断裂件中,既有延性断裂,又有脆性断裂时,一般脆性断裂件发生在前,

7、延性断裂件发生在后;当各断裂件中,既存在脆性断裂件,又存在疲劳断裂件时,则疲劳断裂件应为首断件;当存在两个或两个以上的疲劳断裂件时,低应力疲劳断裂件出现在前,而大应力疲劳断裂件出现在后;当各断裂件均为延性断裂时,则应根据各零件的受力状态、结构特性、断裂的走向、材质与性能等进行综合分析与评定,找出首先断裂失效件。2首断件的判定案例:2002年某燃机热电厂燃气轮机发生事故。分解检查发现有一片一级压气机动叶片从叶根处断裂(1#),其余一级动叶片全部严重打伤。燃气轮机叶片损伤情况案例:1#叶片有两个源区,一处在叶盆侧中部,一处在排气边附近。

8、1#叶片断面上有明显的疲劳弧线;1#叶片瞬断区面积所占断面总面积的比例较小,两个疲劳区扩展的很充分;进气导叶和其它压气机叶片呈瞬断或被打伤,损伤程度从第1级到第17级逐渐减弱。1#叶片断口疲劳区形貌1#叶片为首断件,同时也是燃机致损的

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