工程失效案例分析报告

一、疲劳计算

Solution:

1. We can get three conclusions from the picture shown in Figure E14.4.

a. the flaw shape is buried circular plate crack

b. initial flaw size is 0.1 milimeter .

c. critical dimension of fatigue crack is about 1 milimeter .

So a0=0.1mm ac=1mm

a/2c=0.5 a/h=0.75

Look up the curves of Me shown in appendix D

Me=1.1

As Q=Φ2-0.212(σ/σs)2

Calculate Q=2.41

2. Estimate the remaining life of the part

As da/dN=10-11 (Δk)4=10-11[Me*σ*(3.14*a/Q)1/2]4

The derivation of expression (1) is

Nc is -11[Me*σ*(3.14*a/Q)1/2]4

Known:

The maximum stress isσ, σ=300Mpa .

Substitute Mc ,a0 ,ac ,and Q into expression (2)

Integrate Nc.

Nc=49 weeks.

As the initiation stage of the flaw is 50 percent of the life of part , the total life time of the part is 49*2=98 .

The above results are some larger ,because we uncondering stress frequency and other factors ,and it will be understood in Figure 1.1

Obviously , σe is larger than 300 Mpa ,because Nc cannot be boundlessly large.

From the calculation above,it can be found in the process that the influence factors of the fatigue are:

A, stress concentration

B, stress cycle times

C, stress ratio

D, stress amplitude

E, the steel yield strength

二、断裂分析

根据上图40Cr断口金相照片，试分析：

1. 断裂的影响因素主要有哪些？

影响钢结构断裂的因素有以下几个方面：

(1)、裂纹

断裂力学认为，对脆性断裂必须从结构内部存在的微小裂纹的情况出发进行分析。用断裂力学理论可以计算裂纹住荷载和侵蚀性介质下的扩展情况；当裂纹扩展剑临界尺

寸时，脆性断裂就会发生。线弹件断裂力学指出，当一块板处于甲面应变状态下如果应力强度因子Ｋ１＝α ≥Ｋic裂纹将迅速扩展而造成断裂。

其中：σ为板所受的拉力，ａ为裂纹尺寸，α为系数，与裂纹形状、板的宽度以

及应力集中等有关，Ｋic裂韧性，代表材料抵抗断裂的能力，可由实验得到。

（２）、应力集中的影响

应力集中越严重，就越易发生脆性破坏，原因是应力集中是产生三向拉应力的根

源，这三向拉应力来束缚着钢材的塑性变形，而增加钢材的脆性，极易造成高峰应力处应力集中使钢材脆性增强。构件巾的应力集中和残余应力与构件的细节和焊缝位置、施工工艺等有关。

（３）、化学成份的影响

在普通碳素钢中，硫和氧是钢材的有害元素，他们的含量过多，易使钢材产牛热

脆（即在焊接时，在焊缝附近产生热裂纹），磷、氮含量过多易使钢材产生冷脆（即钢材在常温下，随温度的降低而脆性增强）。

（４）、钢材的冶金质量影响

镇静钢和低合金钢化学成份较均匀，脱氧较充分，钢的组织较致密，非金属夹杂较少。因而对脆性破坏的抵抗能力比冶金质量差的沸腾钢高，更适于制造在较低温度Ｆ的使用结构。

（５）、工作温度

材料的冲击韧性与温度有密切关系。随着温度的下降．冲击韧性也不断下降。当温度下降到某一个温度时，材料出现脆性被坏，冲击韧性降得很低，且摹本为一常量。因此，当工作温度很低时，所用材料的韧性不应处于脆性破坏范围，而应接近于塑性破坏时的数值。

（６）、钢板厚度的影响

在温度和使用应力都相同的情况下，材料厚度对脆性断裂的影响是很显著的。这不仅因为厚度较大，可能使材料处于平面应变状态，还因为较厚的材料辊轧次数较小，质量较差，韧性性能较低，可能存在的冶金缺陷义较多，从而增加材料对脆性的敏感性。

2. 采用哪一种应力场强度计算理论更合适？为什么？

第一强度理论；最大拉应力强度理论；该理论此时，形式上将主应力的某一综合值与材料单向拉伸轴向拉压许用应力比较。莫尔强度理论及其修正形式，考虑拉压强度不对称。

3. 在后处理中，选择强度理论计算失效因子即提高材料断裂韧性的途径主要有

哪些？

（1）、合理的配置钢的化学成分；（2）、合理的热处理工艺，控制好温度、压力，细化晶粒；（3）控制杂质及第二相比例；（4）合适的应变速率；（5）、合适的工作温度。

三、综述零件失效分析的基本步骤和方法。

1、失效分析的信息采集与分析过程

失效信息采集主要通过调查服役条件，观察失效的外观新貌，检查零件的加工缺陷，材料成分，组织结构，加工工艺路线，分析零件的受力状态。

（1） 调查服役条件

现场观察是最直接的方法，观察现场方法，是观察者有目的、有计划地运用自己的感觉器官或借助科学仪器，直接收集正在发生或发生后的事故现场环境中的有关失效背景材料的方法。观察仪器主要有：(a)照像机；(b)摄影机；(c)内窥镜；(d)放大镜；(e)体视显微镜；(f)金相显微镜等。

通过现场考察区分失效类别（断裂，弯曲，磨损，腐蚀等）初步判断失效原因，主要

失效原因如下：

设计原因——零件的形状、尺寸是否符合服役条件。

零件加工——零件加工是否满足加工精度要求，是否留下充分加工圆角

材料成分——制造采用的材料成分是否满足零件的强度要求。

材料处理——材料热处理是否达到了组织和性能要求。

（2）检查材料成分

机械零件大多数由金属材料制造，对材料成分是否符合制造标准要求非常重要，分析方法目前主要有化学分析法和光谱法。化学分析法是在零件上取出一些碎屑，例如可以用钻头在零件上取出一定量钻屑，用化学试剂溶解后通过比对法找出相应化学元素含量。直读光谱设备是将零件切成试件（30×20）放在光谱计上通过放电击出火花，通过不同的试样通道通过火花颜色分辨出不同元素的含量。

（3） 检查外观形貌和断口

如果零件表面产生裂纹，或者已经开裂，外观检查就非常重要。断口分脆性断口和韧性断口两种。脆性断口表面平整，有结晶状形状。这表明材料脆性大。如果断口成纤维状，并有韧窝，表明材料韧性好。断口检查可以采取肉眼观察，也可以借助体视显微镜和扫描电镜放大观察。

（4）检查材料的组织结构

组织结构是和材料的处理工艺有直接关系。观察组织形貌通常在金相显微镜和扫描电镜或透射电镜上进行。为了获得真实的组织结构，制备出良好的金相试样是分析的基础。

总之，任何一种研究方法，都有自己的特殊作用，同时，都不是唯一的，各自都有一定的局限性。一般说来，所收集的失效信息材料，必须经过思维加工，使之上升为失效分析的依据或理论。

2、 失效分析的一般思路

由于机械零件失效往往造成机器停机，甚至造成重大事故，因此都希望尽快找到零件失效的直接原因和防止失效的对策。机械零件失效分析一般程序和步骤简述如下：

（1）现场调查和信息材料的收集

进行现场调查，收集信息材料，是机械零件失效分析的第一阶段。这一阶段的主要工作如下：

① 观察零件在机器中的部位和具有的规定功能，搞清失效零件与相邻零部件的关系。 ②了解失效零件的服役条件和工况，例如：载荷的类型、大小和频率，运转速度，振动和冲击的情况，可能出现的过载和超速等。

③了解零件的工作环境状况，例如环境的温度、湿度，有否腐蚀介质，污染程度如何等等。

④观察零件失效的情况、失效的部位。用肉眼或放大镜检查断口的形貌、颜色，有无化学腐蚀和机械损伤等。进而对零件失效的源区作直观检查和判断。

⑤收集失效零件的残骸，或截取试样，供下一步分析研究用。

⑥根据以上调查事实，可以初步确定零件失效的性质和类型，如整体失效或表面失效(脆性、塑性、过载、疲劳、磨损、腐蚀、蠕变等)。

⑦向有关人.员作询问调查。可以用个别询问或开座谈会等各种方式，向机器操作人员、维修人员、管理人员和失效事故目击者，详细询问零件失效的情况和看法。

⑧收集失效零件的历史和信息资料也是现场调查的一项重要工作口这些资料包括设计计算书、设计图样、制造工艺资料、维修记录、运转日记，以及公开出版物中有关同类零件

失效的报道等。其中最基本的项目有:零件名称、制造厂家、使用单位、材料牌号、力学性能、到失效时的服役寿命、设计图样、说明书，冷加.毛工艺过程和检验规范、热处理工艺和对金相组织的要求、表面处理工艺(渗碳、渗氮、硬化处理、电镀、涂层等)、生产厂的质量检查报告、使用单位运转日记、维修记录、操作者的技术水平和工作责任心„„。

总之，在现场调查阶段，工作要尽可能仔细、全面，可采取照相、录像、录音、笔录、绘图等各种手段，将调查的原始材料记录下来，为下一阶段的分析研究提供可靠的根据，同时也可避免不必要的返工[6]。

（2）分析研究

在现场调查的基础上，就可以对零件作进一步的失效分析和研究，具体的工作如下： ①确定零件失效分析的正确思路和方法。在一般的机械零件失效分析中，采用“撒大网”逐个因素排除法是切实可行的。

②失效零件断口的宏观观察 主要依靠肉眼或放大镜仔细观察断口的形貌，用文字、绘图或照相记录断口的特征，如色泽、粗糙程度、纹路、边缘情况、裂纹走向、裂纹位跪等。判断失效的性质和可能引起失效的原因。

③失效零件断口的微观检验 可利用光学显微镜或电子显微镜进行断口形貌观察、微区成分分析、X光结构分析等，以便取得零件失效直接原因的证据。

④失效零件材料化学成分分析 分析材料的化学成分，可以判定零件材料是否符合标准规范要求。这是一种很重要的常规检验。成分分析的试样要尽可能取自零件的失效处。

⑤失效零件的全相检验 检验失效零件的金相组织，可以判别失效零件锻、铸和热处理的质量。如果金相组织不符合要求，材料中夹杂物过多，表面有脱碳现象或晶界氧化等，都可能是零件失效的直接原因。

⑥失效零件材料的力学性能测试 对于较重要的机械零件，设计图样上对材料的.力学性能(σb、σs、ψ、αk等)都有明确的规定。在失效分析时，如有需要，可以从失效零件上截取试样，进行力学性能测试。在实际毛作中，零件的硬度往往可以在一定程度上反映材料的力学性能。因此，测定零件失效部位的硬度就非常重要。

⑦其他的检验除了上述各种检验和分析外，还可以针对特定的零件失效进行其他项目的检验，例如探伤检查、残余应力测定、蠕变检验、氢脆、冷脆检查等。

⑧使用和维护不当，检查由于使用不当可能使零件超载、超速、超温;由于维护不当可能使零件缺乏润滑，磨损过度，漏电电蚀，环境污染等。这些都可能是零件失效的原因。

（3）机械零件失效分析报告

经过详细、全面的分析和周密、严谨的推理后，就能够最后确定机械零件失效的直接原因和间接原因，并提出相应的改进措施。在这基础上就可以撰写机械零件失效分析报告。失效分析报告是零件失效分析.工作的总结和归宿，因此应该写得条理清楚，简明扼要，逻辑性强，结论明确。一般应包括以下内容：①机械零件失效情况概述。②现场调查和背景资料。③失效零件断口的宏观观察和微观检查。①失效零件材料的化学成分测定和金相组织检查。⑤零件失效原因的分析和判断。⑥对比试验验证。⑦结论和改进措施。⑧参考文献。⑨附件。 失效分析报告应简明扼要，重点突出，原则上与报告结论无关的内容、数据尽可能省去，必要时(例如化学成分分析报告，强度计算书等)可以作为附件放在报告之末，以节省正文的篇幅。

4 结 论

机械零件失效分析是一项极其复杂的研究过程，涉及信息采集、实验分析、模拟、数据整理、判断等过程。只有掌握大量准确的信息资料与数据，根据相应的标准和成熟理论进行正确的分析和判断。当失效特征明显时分析过程较为简单。当一些重要的信息遗失或被破坏

的情况下，研究人员要根据正确的研究方法与手段进行大量试验与模拟，补充必要的数据，才能做出正确的结论。因此规范正确的机械零件失效采集和分析方法，可以起到事半功倍的效果。

参考文献：

[1] 贾淼 ，刘群. 钢结构脆性断裂破坏的影响因素及防止措施[W].

2010年4月刊, 中南大学土木建筑学院 湖南长沙 410075

[2] 孙维连. 35CrMo钢拉杆显微组织与性能[W].河北农业大学机电工程

学院, 河北保定 071001

[3]朱张校，姚可夫.工程材料 [M]. 4版，清华大学出版社.

[4] （德）H.米格兰比，材料塑性变性与断裂[M]. 科学出版社.

[5] 余永宁，材料科学基础[M]，高等教育出版社.

[6] 万胜狄，金属塑性成形原理[M]，机械工业出版社.

[7] 束德林，金属力学性能[M]，3版，机械工业出版社.

[8] 冯志富.工程失效案例分析报告.作业第一题.河南工业大学.

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