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第1章 失效分析基本概念及方法1

1.1 失效分析基本概念1

1.2 失效分析基本程序4

1.3 失效分析基本思路6

1.4 紧固件失效分析基本方法8

1.4.1 宏观形貌分析9

1.4.2 电子显微镜分析9

1.4.3 金相分析11

1.4.4 化学成分分析12

1.4.5 力学性能测试14

1.4.6 无损检测14

1.4.7 残余应力测试15

第2章 紧固件的基本类型与受力分析17

2.1 紧固件的概念17

2.2 紧固件结构特点与工作条件17

2.3 螺纹紧固件的受力分析19

2.3.1 螺栓受力分析及螺纹的载荷分布19

2.3.2 螺栓破坏位置分析20

2.3.3 塑性、脆性材料螺栓的拉伸应力分析21

2.3.4 塑性、脆性材料螺栓的扭转应力分析21

2.3.5 螺栓疲劳应力分析22

2.3.6 螺栓和螺母紧固时的受力分析22

2.4 螺纹紧固件的预紧与防松23

2.4.1 螺纹紧固件的预紧23

2.4.2 螺纹紧固件的防松24

2.5 铆接接头的结构设计与受力分析25

2.6 销的选择和受力分析27

第3章 紧固件常用材料及其特点29

3.1 紧固件选材29

3.1.1 紧固件选材一般原则29

3.1.2 紧固件选材一般标准和钢用螺纹紧固件性能等级30

3.2 高温合金31

3.2.1 紧固件用高温合金31

3.2.2 高温合金材料的工艺特点31

3.3 不锈钢33

3.3.1 紧固件用不锈钢33

3.3.2 不锈钢材料的工艺特点33

3.4 结构钢34

3.4.1 紧固件用结构钢34

3.4.2 结构钢材料的工艺特点34

3.5 钛合金35

3.5.1 紧固件用钛合金35

3.5.2 钛合金材料的工艺特点35

3.6 铝合金37

3.6.1 紧固件用铝合金37

3.6.2 铝合金材料的工艺特点37

3.7 铜合金38

3.7.1 紧固件用铜合金38

3.7.2 铜及铜合金材料的工艺特点38

第4章 紧固件性能检测试验方法40

4.1 紧固件的金相试样制备40

4.1.1 金相试样的制备40

4.1.2 金相试样的截取41

4.1.3 金相试样的镶嵌41

4.1.4 金相试样的磨制41

4.1.5 金相试样的抛光42

4.1.6 金相试样的浸蚀43

4.2 紧固件的金相试验方法43

4.3 紧固件的性能试验方法45

4.3.1 拉力试验45

4.3.2 楔负载试验46

4.3.3 保证载荷试验47

4.3.4 硬度试验48

4.3.5 机加工试件的冲击试验48

4.3.6 螺栓头部坚固性试验48

4.3.7 氢脆试验和应力持久试验49

第5章 紧固件制造过程中常见缺陷与控制52

5.1 紧固件生产工艺流程52

5.1.1 紧固件的成形52

5.1.2 紧固件的机械加工52

5.1.3 紧固件的热处理54

5.1.4 紧固件的表面处理54

5.1.5 紧固件的检验工序54

5.2 紧固件因原材料质量造成的常见缺陷54

5.2.1 原材料表面裂纹缺陷54

5.2.2 原材料表面折叠55

5.2.3 原材料表面脱碳56

5.2.4 原材料表面粗晶环56

5.2.5 原材料残余缩孔57

5.2.6 原材料夹杂缺陷57

5.3 紧固件成形工艺原因造成的缺陷58

5.3.1 成形工艺不当所致粗晶或晶粒不均匀58

5.3.2 成形工艺不当所致流线分布不顺或穿流59

5.3.3 螺纹滚压工艺不当造成的缺陷60

5.3.4 加工工艺不当造成的缺陷63

5.3.5 成形工艺不当导致裂纹或过烧缺陷63

5.3.6 锻造过程出现的热剪切64

5.4 热处理工艺不当造成的缺陷65

5.4.1 淬火裂纹66

5.4.2 粗大组织67

5.4.3 表面氧化67

5.4.4 表面变质层68

5.5 表面处理工艺不当造成的缺陷69

第6章 紧固件常见失效模式与特征72

6.1 过载断裂72

6.1.1 韧性过载断裂73

6.1.2 脆性过载断裂77

6.2 氢脆85

6.2.1 氢的来源85

6.2.2 氢脆与应变速率86

6.2.3 氢脆的宏观特征87

6.2.4 氢脆的微观特征88

6.2.5 影响氢脆的因素91

6.3 应力腐蚀开裂92

6.3.1 应力腐蚀开裂的条件与机理92

6.3.2 应力腐蚀开裂的宏观特征93

6.3.3 应力腐蚀开裂的微观特征93

6.3.4 应力腐蚀开裂的影响因素96

6.4 疲劳断裂97

6.4.1 疲劳断裂机制97

6.4.2 疲劳断裂特征及判断方法98

6.4.3 影响紧固件疲劳性能的因素105

6.5 腐蚀失效108

6.5.1 腐蚀的分类108

6.5.2 紧固件常见的腐蚀类型109

6.5.3 腐蚀的形貌特征110

6.5.4 紧固件腐蚀的影响因素112

6.6 液态金属致脆113

6.6.1 液态金属致脆的宏观特征114

6.6.2 液态金属致脆的微观特征114

6.7 高温所致失效115

6.7.1 蠕变所致失效115

6.7.2 二次回火脆性所致失效118

6.8 变形与脱扣118

第7章 紧固件失效预防措施120

7.1 预防紧固件失效的通用措施120

7.2 预防紧固件过载断裂失效的措施122

7.3 预防紧固件氢脆和应力腐蚀导致失效的措施123

7.4 预防紧固件疲劳所致失效的措施125

7.5 预防紧固件液态金属致脆的措施126

第8章 高温合金紧固件典型失效案例分析127

8.1 GH738自锁螺母裂纹失效分析127

8.1.1 试验过程与结果127

8.1.2 模拟试验127

8.1.3 分析与讨论128

8.1.4 结论与启示129

8.2 GH2036螺母裂纹失效分析129

8.2.1 试验过程与结果130

8.2.2 分析与讨论131

8.2.3 结论与启示132

8.3 GH2696高温合金螺桩断裂失效分析132

8.3.1 试验过程与结果132

8.3.2 分析与讨论132

8.3.3 结论与启示133

8.4 GH4037高温合金偏心衬套点状缺陷分析134

8.4.1 试验过程与结果134

8.4.2 模拟试验134

8.4.3 分析与讨论135

8.4.4 结论与启示135

8.5 GH2132高温合金螺栓断裂失效分析135

8.5.1 试验过程与结果135

8.5.2 模拟试验136

8.5.3 分析与讨论136

8.5.4 结论与启示137

8.6 GH4037紧固件用高温合金棒材裂纹分析137

8.6.1 试验过程与结果137

8.6.2 分析与讨论138

8.6.3 结论与启示138

第9章 有色金属紧固件典型失效案例分析139

9.1 TC4钛合金托板螺母裂纹原因分析139

9.1.1 试验过程与结果139

9.1.2 模拟试验139

9.1.3 分析与讨论140

9.1.4 结论与启示140

9.2 TB3钛合金螺钉脆性断裂原因分析140

9.2.1 试验过程及结果140

9.2.2 分析与讨论142

9.2.3 结论与启示142

9.3 钛合金螺栓强度低断口异常的故障原因分析142

9.3.1 试验过程与结果142

9.3.2 分析与讨论143

9.3.3 结论与启示144

9.4 2A10铝合金铆钉镦头开裂失效分析144

9.4.1 试验过程与结果144

9.4.2 模拟试验145

9.4.3 分析与讨论146

9.4.4 结论与启示147

9.5 2A12铝合金卡箍强度偏高原因分析147

9.5.1 试验过程与结果147

9.5.2 分析与讨论148

9.5.3 结论与启示148

9.6 2A01铝合金铆钉强度超高原因分析148

9.6.1 试验过程与结果148

9.6.2 分析与讨论149

9.6.3 结论与启示149

9.7 QBe2铜合金导电柱螺栓断裂分析149

9.7.1 试验过程及结果149

9.7.2 分析与讨论150

9.7.3 结论与启示150

9.8 HPb59-1铜合金螺母裂纹分析151

9.8.1 试验过程与结果151

9.8.2 分析与讨论151

9.8.3 结论与启示152

9.9 TC4钛合金螺栓断裂原因分析152

9.9.1 试验过程与结果152

9.9.2 分析与讨论152

9.9.3 结论与启示154

9.10 TB3钛合金螺栓断裂分析154

9.10.1 试验过程与结果154

9.10.2 分析与讨论154

9.10.3 结论与启示155

第10章 不锈钢与结构钢紧固件典型失效案例分析156

10.1 1Cr11Ni2W2MoV不锈钢螺栓断裂原因分析156

10.1.1 试验过程与结果156

10.1.2 分析与讨论157

10.1.3 结论与启示157

10.2 45碳钢止动销中心孔洞原因分析157

10.2.1 试验过程与结果158

10.2.2 工艺试验158

10.2.3 分析与讨论159

10.2.4 结论与启示160

10.3 ML15碳钢铆钉表面缺陷分析160

10.3.1 试验过程与结果160

10.3.2 分析与讨论161

10.3.3 结论与启示161

10.4 M125碳钢螺母裂纹原因分析161

10.4.1 试验过程与结果161

10.4.2 分析与讨论162

10.4.3 结论与启示162

10.5 30CrMnSiA结构钢螺钉螺纹掉齿的原因分析162

10.5.1 试验过程与结果163

10.5.2 分析与讨论163

10.5.3 结论与启示164

10.6 30CrMnSiA结构钢镀镉螺栓断裂分析164

10.6.1 试验过程及结果164

10.6.2 分析与讨论165

10.6.3 结论与启示166

10.7 1Crl8Ni9Ti不锈钢铆钉头部裂口分析166

10.7.1 试验过程与结果166

10.7.2 分析与讨论166

10.7.3 结论与启示167

10.8 30CrMnSi结构钢螺钉断裂失效分析167

10.8.1 试验过程与结果167

10.8.2 分析与讨论168

10.8.3 结论与启示169

10.9 40CrNiMoA结构钢螺栓的断裂失效分析169

10.9.1 试验过程与结果169

10.9.2 模拟试验170

10.9.3 分析与讨论171

10.9.4 结论与启示171

10.10 30CrMnSiA结构钢螺栓吸附磁粉的故障原因分析171

10.10.1 试验过程与结果171

10.10.2 分析与讨论172

10.10.3 结论与启示172

10.11 40CrNiMoA结构钢收口自锁螺母断裂分析173

10.11.1 试验过程及结果173

10.11.2 分析与讨论173

10.11.3 结论与启示174

10.12 30CrMnSiA结构钢镀锌螺栓断裂分析174

10.12.1 试验过程及结果174

10.12.2 分析与讨论175

10.12.3 结论与启示176

10.13 30CrMnSiA结构钢螺栓断裂原因分析176

10.13.1 试验过程与结果176

10.13.2 模拟试验177

10.13.3 分析与讨论178

10.13.4 结论与启示179

10.14 30CrMnSiA结构钢紧固螺栓开裂原因分析180

10.14.1 试验过程与结果180

10.14.2 分析与讨论180

10.14.3 模拟试验181

10.14.4 结论与启示183

10.15 1Cr17Ni2不锈钢卡箍螺栓失效分析183

10.15.1 试验过程与结果183

10.15.2 分析与讨论185

10.15.3 结论与启示185

10.16 40CrNiMoA结构钢螺栓拉力试验脆性断裂原因分析185

10.16.1 试验过程与结果185

10.16.2 分析与讨论186

10.16.3 结论与启示187

附录1 紧固件常用材料的牌号、技术标准与状态188

附录2 航空发动机各类主要紧固件材料一览表194

参考文献198