课程教案课程名称：材料失效分析实验任课教师：刘先兰所属院（部）：机械工程学院教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期湖南工学院《材料失效分析》实验实验课程编码：学时：6适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等考核方式：一、实验课程的性质与任务帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。
二、实验项目实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）实验二零件失效的宏观分析法（2学时）实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）三、实验报告要求每个实验均应写实验报告。
按统一格式，采用统一封面和报告纸。
实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。
四、其它要求实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。
五、教材和参考资料1教材：《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.2．参考资料：[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.[4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.[5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因【1】实验的目的和要求1）目的通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。
2）要求要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。
能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。
【2】实验内容或原理在失效件上切片，制备相关金相试样。
金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。
一、材料失效分析方法分类一）相关性分析的思路及方法一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。
1. 按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法（1）审查设计如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。
（2）材料分析材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。
（3）加工制造缺陷分析铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。
（4）使用及维护情况分析超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。
2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法这是较为常用的分析方法。
一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。
3. “四M”分析思路及方法所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。
对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。
依此分别进行如下四方面的分析工作。
（1）操作人员情况的分析如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。
（2）环境情况的分析主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。
温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。
（3）设备情况的分析主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。
（4）管理情况的分析如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。
二）系统工程的分析思路及方法失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。
失效系统工程分析法主要类型：（1）故障树分析法（简称FTA法）（2）特征—因素图分析法（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）（4）故障率预测法（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）（6）模糊数学分析法三）数理统计分析思路及方法相关性：二、失效分析的一般程序机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。
一般说来，大体上包括：1）调查失效事件的现场，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）综合归纳所有信息并提出初步结论，5）重现性试验或证明试验，6）确定失效原因并提出建议措施，7）写出分析报告等内容。
三、失效分析的步骤l、现场调查（1）保护现场（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。
（4）选取进一步分析的试样，。
（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。
（6）写出现场调查报告。
2、收集背景材料（1）设备的自然情况（2）设备的运行记录（3）设备的维修历史情况（4）设备的失效历史情况（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书（6）材料选择及其依据（7）设备主要零部件的生产流程（8）质量检验报告及有关的规范和标准3、技术参量复验（1）材料的化学成分（2）材料的金相组织及硬度（3）常规力学性能（4）主要零部件的几何参量及装配间隙4、深入分析研究（1）失效产品的直观检查（变形。
损伤情况，裂纹扩展，断裂源）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X射线衍射法）（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。
6．重现性试验或证明试验重大事件：7．撰写失效分析报告失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。
失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。
机械产品的失效分析报告通常应包括的内容（1）概述首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。
（2）失效事件的调查结果简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。
当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。
（3）分析结果为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。
对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。
（4）问题讨论必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。
（5）结论与建议结论要准确，建议要具体、切实可行。
写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。
四、国际上比较公认的分析程序材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。
以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。
这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。
Brooks失效分析程序说明如下：（一）失效情况的描述以技术文件的形式记述失效的历史情况。
如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。
特别是有关的照片资料和多媒体资料。
（二）裸眼观察失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。
（三）机械设计分析（应力分析）当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。
这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。
（四）化学成分设计分析据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。
（五）制造过程及其各工艺环节分析错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。
（六）宏观断口形貌检查在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。
（实验二）（七）微观断口分析包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。
通常都是采用电子显微镜分析。
（实验三）（八）金相检验金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。
金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。
（实验一）（九）性能检验性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。
在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。
（实验三）（十）失效分析模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。
这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。
五、金相分析技术的应用1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因六、金相分析用设备1、光学显微镜观察在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为15×15×15mm。
将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4％HNO3＋C2H5OH溶液（此为镁合金，不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。