材料失效分析(第五章-疲劳)

材料失效分析—金属的疲劳破坏1.1材料失效简介材料失效分析在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。

失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防止或减少断裂事故的发生；可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反馈作用，明显提高经济效益。

大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。

所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。

亦可称为故障或事故。

一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据：（1）零件完全破坏，不能工作；（2）严重损伤，继续工作不安全；（3）虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。

上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。

机械零部件最常见的失效形式有以下几种：1.断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐蚀断裂失效。

2.表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表面疲劳失效3.变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效,同一种零件可有几种不同失效形式。

一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。

但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。

2.1疲劳破坏飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。

金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。

2.2疲劳断裂的特征1、疲劳断裂应力（周期载荷中的最大应力）远比静载荷下材料的抗拉强度低，甚至比屈服强度也低得多。

材料的疲劳断裂失效与预防摘要:本文从材料疲劳断裂的研究发展，破坏特点及断口分析材料疲劳断裂的原因，并介绍材料疲劳断裂的预防。

关键词：疲劳断裂断口预防前言作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平，材料失效问题普遍存在于各类材料中，它直接影响着产品的质量，关系到企业的信誉和生存。

材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位，对于材料失效问题的判断和解决能力，代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。

磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式。

材料的疲劳断裂失效的研究和发展材料的疲劳与断裂研究试图寻找材料宏观疲劳断裂行为与微观组织形貌的关系。

试图探求材料疲劳与断裂的微观机制。

金属(非金属)材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。

机械构件由于材料疲劳损伤导致的断裂往往没有明显的征兆，因此经常引起巨大的灾难性事故，造成人民生命财产损失。

因此各个先进的工业化国家都非常重视疲劳与断裂的研究。

材料疲劳与断裂的研究经历了几个阶段。

目前，人们已经认识到在循环载荷作用下，金属多晶材料的许多晶粒内部会出现滑移带。

这些滑移带会在疲劳形变中继续变化，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。

现在，人们可以较好的定量描述裂纹扩展的速率，但是，用材料显微组织的特性可靠的预测其宏观的疲劳断裂性能，还有大量的极具挑战性的工作需要开展，特别是在新材料迅猛发展的时代。

虽然恒定循环应力幅作用下的疲劳破坏是疲劳基本研究的主要内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的含有变幅载荷谱，苛刻环境，低温或高温及多轴应力状态，因此建立能够处理这些复杂服役条件下的可靠寿命预测模型是疲劳研究中最棘手的挑战之一。

材料疲劳与断裂的研究是材料科学与工程研究领域中的一个重要分支。

失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。

2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。

5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。

（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。

第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。

原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。

（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。

（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。

（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。

第五章金属的疲劳本章从材料学的角度研究金属疲劳的一般规律、疲劳破坏过程及机理、疲劳力学性能及其影响因素，以便为疲劳强度设计和选用材料，改进工艺提供基础知识。

第一节金属疲劳现象及特点一、变动载荷1. 变动载荷定义：变动载荷是引起疲劳破坏的外力，指载荷大小，甚至方向均随时间变化的载荷，在单位面积上的平均值为变动应力。

2. 循环应力二、疲劳现象及特点1. 分类疲劳定义：机件在变动应力和应变长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。

（1）按应力状态不同，可分为：弯曲疲劳、扭转疲劳、挤压疲劳、复合疲劳（2）按环境及接触情况不同，可分为：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳（3）按断裂寿命和应力高低不同，可分为：高周疲劳、低周疲劳，这是最基本的分类方法2. 特点（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂断裂应力水平往往低于材料抗拉强度，甚至低于屈服强度。

断裂寿命随应力不同而变化，应力高寿命短，应力低寿命长。

当应力低于某一临界值时，寿命可达无限长。

（2）疲劳是脆性断裂由于一般疲劳的应力水平比屈服强度低，所以不论是韧性材料还是脆性材料，在疲劳断裂前不会发生塑性变形及有形变预兆，它是在长期累积损伤过程中，经裂纹萌生和缓慢亚稳扩展到临界尺寸a c时才突然发生的。

因此，疲劳是一种潜在的突发性断裂。

（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感由于疲劳破坏是从局部开始的，所以它对缺陷具有高度的选择性。

缺口和裂纹因应力集中增大对材料的损伤作用，组织缺陷（夹杂、疏松、白点、脱碳等）降低材料的局部强度，三者都加快了疲劳破坏的开始和发展。

三、疲劳宏观断口特征（1）疲劳源:在断口上，疲劳源一般在机件表面，常与缺口、裂纹、刀痕、蚀坑等缺陷相连，由于应力不集中会引发疲劳裂纹。

材料内部存在严重冶金缺陷时，因局部强度降低也会在机件内部产生疲劳源。

从断口形貌看，疲劳源区的光亮度最大，因为这里是整个裂纹亚稳扩展过程中断面不断摩擦挤压，所以显示光亮平滑。

仅供参考,自我感觉价值不大一、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。

静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。

弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。

比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。

二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。

改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。

三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。

特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。

包辛格效应可以用位错理论解释。

第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。

背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。

因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。

这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。

其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。

实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。

其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。

另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。

材料失效分析一、名词解释1.缝隙腐蚀：由于金属表面与其他金属或非金属表面形成狭缝或间隙，并有介质存在时在狭缝内或近旁发生的局部腐蚀称缝隙腐蚀。

2.腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。

3.解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称这种断裂为解理断裂。

4.解理：一般而言，如果某种矿物的晶体，在有些方向上比较脆弱、容易“受伤”，破裂面通常就沿着脆弱的方向裂开，并且表面平整光滑，这种破裂面的性质被称为解理。

5.磨损：相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程。

6.冲蚀磨损：亦称浸蚀磨损，它是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。

7.粘着磨损：也称咬合（胶合）磨损或摩擦磨损。

是相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的一种现象8.失效：是指产品因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到预定的功能。

根据其严重性，失效也可称为事件、事故或故障。

9.失效分析：通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动，也就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

10.应力腐蚀：主要是金属材料在特有的合金材料环境下，由于受到应力或者特定的腐蚀性介质影响，产生的一种滞后开裂或滞后断裂的腐蚀性破坏现象。

11.氢脆：由于氢导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂，也称为氢致断裂。

12.蠕变：金属材料在外力作用下，缓慢而连续不断地发生塑性变形的现象。

13.疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

二、单选题&三、判断题1.失效类型：初期失效、随机失效、耗损失效。

零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析本文旨在介绍零件的脆性断裂失效分析的重要性和目的。

脆性断裂是指在零件受到一定载荷作用下，没有发生明显的塑性变形，而导致突然断裂的现象。

这种失效模式对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响。

脆性断裂的失效分析是一项关键的任务，旨在确定零件破坏的原因和机制，以及采取相应的措施来预防和控制脆性断裂的发生。

在分析中，我们还会涉及到与脆性断裂相关的其他失效现象，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。

通过对零件脆性断裂失效的深入分析，我们可以更好地了解材料的性能和强度，确定适当的设计和加工参数，以及制定合理的维护和检修计划。

这对于提高工程结构的可靠性，延长零件的使用寿命以及降低维护成本具有重要意义。

本文将通过对脆性断裂失效分析的相关知识进行详细解释和说明，为读者提供系统的理论基础和实践指导，以便能够有效地进行脆性断裂的失效分析工作。

解释脆性断裂是指在应力作用下，当零件发生断裂时没有明显的塑性变形。

详细讨论导致脆性断裂的各种原因，包括疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等。

脆性断裂是指材料在受力作用下发生的突然断裂，常常发生在零件长时间受重复负载或特定环境下受力情况下。

脆性断裂的原因多种多样，下面将对其中的疲劳、应力腐蚀和氢脆断裂进行详细讨论。

疲劳断裂：疲劳断裂是由于零件在长时间受到变化的载荷作用下产生的。

当重复载荷作用于零件时，如果应力超过了材料的疲劳极限，就会发生疲劳断裂。

疲劳断裂是零件的高频失效模式，常见于机械装置和结构中。

应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂是指在特定环境中，材料受到应力和腐蚀介质共同作用时突然断裂。

应力腐蚀断裂的发生是由于腐蚀介质在零件表面引起局部腐蚀，而应力则产生了裂纹的扩展。

应力腐蚀断裂是一个复杂的断裂形式，常见于化工设备和海洋装备等领域。

氢脆断裂：氢脆断裂是由于材料在存在氢的环境中发生的断裂。

氢脆断裂的主要机制是氢的扩散和积聚在材料中，导致材料的力学性能降低，从而引起断裂。

《材料失效分析》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料失效分析英文名称：Failure Analysis of Materials二、课程代码及性质课程代码:0832151课程性质:专业选修课,选修课三、学时与学分总学时：24（理论学时：24学时；实践学时：0学时）学分：1.5四、先修课程材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能五、授课对象本课程面向材料科学与工程专业、功能材料、材料成型与控制专业学生开设。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程的教学目的:1、掌握材料可靠性和失效分析的基本知识，熟悉失效分析的基本程序和方法，培养学生解决各类零件失效分析的能力；2、基于各类典型案例分析，结合材料断口分析、材料力学性能、零件机械设计、材料分析测试技术等信息, 培养学生运用材料科学专业基础知识分析工程构件和功能器件失效原因的综合能力。

3、培养学生通过零件失效分析的学习,具备改进材料、工艺、设计的能力。

七、教学重点与难点：教学重点：材料失效分析方法、各类失效形式的机理。

教学难点：故障树分析方法、各类失效模式及形成机理、结构件失效与功能器件失效的综合原因判断。

八、教学方法与手段：教学方法：(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2)典型案例教学。

通过典型案例分析，强调各课程材料科学基础、材料力学性能、热处理原理与工艺、材料分析方法的基础知识的融合性，掌握正确的分析思路，了解各种分析手段，确定最先破坏的零件和最先破坏的部位。

教学手段：(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;(2)任课老师将30年从事失效分析的实际案例，讲解如何解决工程构件失效的问题的方法、思路、手段，具有趣味性和实用性。

九、教学内容与学时安排（1）总体安排教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

（2）具体内容各章节的具体内容如下：第一章概论 (2h)1.1 可靠性的发展概况1.2 可靠性及失效分析的基本概念1.3可靠性及失效分析的重要意义1.4可靠性工程与失效分析的任务第二章可靠性的主要数量特征及其常用分布 (4h)2.1 可靠性的主要数量特征2.2常用寿命分布及其背景2.3系统的可靠性分析第三章失效分析方法 (4h)3.1机械零件失效形式及失效原因3.2失效分析方法3.3故障树分析3.4 一般零件失效分析方法第四章材料断口宏观分析 (3h)4.1 失效件的选取与保护4.2 断口宏观分析4.3宏观断口分析实例第五章材料显微断口分析 (3h)5.1 韧性断口的显微特征5.2 解理断口的显微特征5.3疲劳失效机理及断口的显微特征5.4沿晶断口的显微特征5.5应力腐蚀断裂的显微特征5.6其他断口的显微特征第六章断裂力学在失效分析中的应用（2h）6.1 低应力脆断及材料的韧性）6.2 线弹性断裂力学-应力场强分析与断裂6.3 断裂韧性在结构设计和失效分析上的应用6.4断裂力学在疲劳问题上的应用第七章材料的腐蚀失效 ( 2h)7.1 腐蚀失效基础7.2 均匀腐蚀失效7.3电偶腐蚀失效7.4晶间腐蚀失效7.5点腐蚀和缝隙腐蚀7.6 应力腐蚀7.7腐蚀疲劳失效第八章典型零件失效分析实例 (4h)8.1 轴类零件失效8.2 齿轮类零件失效8.3 轴承失效分析8.4紧固件失效8.5电子产品失效分析（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求思考题（课后作业）：第1章思考题：1.什么是失效分析？失效分析的任务是什么？2、可靠性与失效分析有何重要意义？请结合实际举两三个例子。