材料断裂理论与失效分析知识点
材料的力学性能-3-材料的断裂
4.3 脆性断裂
（2）准解理
准解理不是一种独立的断裂机制，而是解理断裂的变异。 在许多淬火回火钢中，在回火产物中有弥散细小的碳化物， 它们影响裂纹形成和扩展。当裂纹在晶粒内扩展时，难于严 格地沿一定晶体学平面扩展。断裂路径不再与晶粒位向有关， 而主要与细小碳化物质点有关。其微观形态特征，似解理河 流但又非真正解理，故称准解理。 准解理与解理的共同点是：都是穿晶断裂；也有小解理 刻面；也有台阶或撕裂棱及河流花样。其不同点是：准解理 小刻面不是晶体学解理面。真正解理裂纹常源于晶界（位错 运动在晶界处塞积），而准解理则常源于晶内硬质点，形成 从晶内某点发源的放射状河流花样。
σm
＝
Eγ s a °
1 2
实际金属材料，其断裂应力为理论的值的 1/10～1/1000， 潜力巨大。
4.2 断裂强度
4.2.2 材料的实际断裂强度
为了解释玻璃，陶瓷等脆性材料理论断裂强度和实际断裂强度的巨大 差别，格雷菲斯(A.A.Griffith)在1921年提出了断裂强度的裂纹理论。 这一理论的基本出发点是认为实际材料中已经存在裂纹，当平均应力 还很低时，局部应力集中已达到很高数值，从而使裂纹快速扩展并导 致脆性断裂。根据能量平衡原理，由于存在裂纹，系统弹性能降低应 该与因存在裂纹而增加的表面能相平衡。如果弹性能降低足以支付表 面能增加之需要时，裂纹就会失稳扩展引起脆性破坏。
τ c −τi
≥
4 E (γ F + γ c ) π (1 − ν 2 )d
1 2
γc
ν
τc
E
－ 碳化物裂纹形成并得以扩展的切应力 ；
－ 碳化物的表面能 ； － 弹性模数；
－ 泊松系数； 断裂过程为裂纹形成过程 的判据
材料的断裂力学分析
材料的断裂力学分析在材料科学和工程领域中，断裂力学是一门研究材料在外力作用下如何发生破坏的学科。
通过断裂力学的分析，我们可以了解材料在正常使用条件下的破坏原因，以及如何提高材料的断裂韧性和强度。
本文将对材料的断裂力学进行详细分析。
1. 断裂力学的基本概念在了解材料的断裂力学之前，我们需要了解几个基本概念。
1.1 断裂断裂是指材料在外部应力作用下发生破坏、分离的过程。
断裂可以分为韧性断裂和脆性断裂两种类型。
韧性断裂是指材料在破坏之前会出现塑性变形，具有一定的延展性；而脆性断裂是指材料在外力作用下迅速发生破坏而不发生明显的塑性变形。
1.2 断裂韧性断裂韧性是指材料抵抗断裂破坏的能力。
一个具有高断裂韧性的材料可以在外力作用下发生一定程度的塑性变形，从而使其拉伸长度增加。
1.3 断裂强度断裂强度是指材料在破坏前能够承受的最大应力。
断裂强度可以通过拉伸实验等方式进行测定。
2. 断裂力学的分析方法断裂力学的分析方法主要有线弹性断裂力学和非线弹性断裂力学两种。
2.1 线弹性断裂力学线弹性断裂力学假设材料在破坏前的行为是线弹性的，并且材料的破坏是由于应力达到了一定的临界值所引起的。
在线弹性断裂力学中，断裂过程可以通过应力强度因子和断裂韧性来描述。
2.2 非线弹性断裂力学非线弹性断裂力学考虑了材料在破坏前的非线性行为，如塑性变形、蠕变等。
非线弹性断裂力学可以更准确地预测材料的破坏行为，但其计算复杂度较高。
3. 断裂力学的应用断裂力学在材料科学和工程中具有广泛的应用。
3.1 破坏分析通过断裂力学的分析，我们可以确定材料在受力状态下的破坏原因，从而改进材料的设计和制备工艺。
例如，在航空航天领域，对材料的断裂力学进行精确分析可以提高飞行器的安全性和可靠性。
3.2 材料评估通过断裂力学的测试和分析，我们可以评估材料的断裂韧性和强度，为材料的选择和应用提供依据。
这对于许多行业来说是至关重要的，如汽车制造、建筑工程等。
3.3 研发新材料断裂力学的理论和实验研究对于开发新的高性能材料具有重要意义。
材料断裂理论与失效分析知识点
材料断裂理论与失效分析知识点材料为镍基⾼温合⾦，为什么？服役环境的要素有哪些？有可能发⽣的失效类型是什么？如何设计实验确定失效的类型？改进的建议和措施⼀．涡轮叶⽚的材料涡轮叶⽚处于温度最⾼、应⼒最复杂、环境最恶劣的部位，是⼀种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求⾼，加⼯难度⼤，⽽且是故障多发的零件，⼀直以来各发动机⼚的⽣产的关键。
所以对涡轮叶⽚材料就有更⾼的要求。
涡轮叶⽚的材料⼀般选择镍基⾼温合⾦。
镍基合⾦就是以镍为基础，加⼊其他的⾦属，⽐如钨、钴、钛、铁等⾦属，做成以镍为基础的合⾦。
有的镍基⾼温合⾦含镍量达到70殊右，其次Cr含量也⽐较⾼。
其性能主要有：1. 物理性能。
具有较⾼的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不⼤；没有磁性。
2. 耐腐蚀性。
镍基合⾦由于含Cr,在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。
同时，由于Ni含量⾼，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。
还具有良好的耐应⼒腐蚀开裂性能，也能抵抗氨⽓和渗氮、渗碳⽓氛。
3. 机械性能。
镍基⾼温合⾦在零下、室温及⾼温时都具有很好的机械性能。
4. ⾼温特性。
⾼温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。
5. 热处理及加⼯、焊接性。
⾼温镍基合⾦不能通过热处理进⾏失效硬化，但可以进⾏固溶热处理和退⽕处理等。
⾼温镍基合⾦⽐较容易进⾏热加⼯，冷加⼯性能⽐奥⽒体不锈钢好。
焊接性能与标准奥⽒体钢⼀样，可采⽤TIG焊接、MIG旱接以及⼿⼯电弧焊。
总的来说，镍基合⾦具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应⼒，组织稳定，有害相少，⾼温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出⾊，能够在相当苛刻的⾼温环境下进⾏服役。
所以涡轮叶⽚的材料选择⾼温镍基合⾦。
⼆. 涡轮叶⽚的服役环境涡轮处于燃烧室后⾯的⼀个⾼温部件，⽽涡轮叶⽚处于温度最⾼、应⼒最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶⽚的服役环境特别的复杂与恶劣。
总得来说，涡轮叶⽚服役环境的要素主要有：1. 不均匀的⾼温条件下⼯作。
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
31
2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
21
四、断口三要素的应用
根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维
区的位置就找到了裂源的位置； ②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，
而裂源在材料表面上萌生。
22
裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
23
§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
24
裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
失效分析知识点
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。
材料力学断裂力学知识点总结
材料力学断裂力学知识点总结材料力学是研究材料的力学性质和变形行为的学科，而断裂力学则是其中的重要分支。
断裂力学主要研究材料在外界作用下的破坏过程和断裂特性，对于了解材料的强度、可靠性和耐久性具有重要意义。
本文将对材料力学断裂力学的主要知识点进行总结。
1. 断裂力学基础概念1.1 断裂断裂是材料由于内外力作用下发生破裂的现象。
断裂过程包括初期损伤、裂纹扩展和断裂破坏三个阶段。
1.2 断裂韧性断裂韧性是材料在断裂过程中所吸收的能量的量度。
韧性高的材料能够在断裂前吸收大量能量，具有较好的抗断裂能力。
1.3 断裂强度断裂强度是材料在断裂破坏前所能承受的最大拉应力，是衡量材料抗断裂性能的重要指标。
2. 断裂模式2.1 纯拉伸断裂纯拉伸断裂是指材料在纯拉伸作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹往往呈现沿拉伸方向延伸的条状。
2.2 剪切断裂剪切断裂是指材料在剪切载荷作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹往往呈现锯齿状。
2.3 压缩断裂压缩断裂是指材料在压缩载荷作用下破裂的模式。
在该模式下，裂纹多呈现垂直于压缩方向的半环形状。
3. 断裂韧性的评价方法3.1 线性弹性断裂力学线性弹性断裂力学是最早用于断裂韧性评价的方法，其基本假设为材料在破裂前仍满足线性弹性行为。
3.2 弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学是考虑了材料的塑性行为。
该方法应用广泛，能较好地描述材料的耐久性和断裂韧性。
3.3 细观断裂力学细观断裂力学是以材料微观层面的裂纹损伤为基础的断裂力学模型，通过对材料中裂纹数量和尺寸的分析，预测材料的断裂韧性。
4. 断裂的影响因素4.1 材料性质材料的力学性质直接影响了其断裂行为，例如强度、韧性、硬度等。
4.2 外界加载条件外界加载条件如载荷类型、载荷大小和加载速率等都会对材料的断裂行为产生重要影响。
4.3 温度和湿度温度和湿度的变化能够引起材料的热膨胀和水分吸附，进而影响材料的断裂性能。
5. 断裂力学应用5.1 材料设计通过对材料的断裂性能研究，可以为材料设计提供依据，提高材料在特定工况下的抗断裂能力。
材料失效分析(第二至四章解理断裂和沿晶断裂)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂
2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
Al-Li合金中的δ（AlLi）相
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
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瓦纳线
（二）形成机理（模型）
1、解理台阶 解理裂纹与螺位错交截形成台阶
台阶形成过程的简化图
通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系
2.2材料的强度理论与断裂理论
y
H B A D K
ys
o rp a
x
The region ABH represents forces that would be 上述简单分析是以裂纹尖端弹性解为基础的，故 present in an elastic material but cannot be carried 并非严格正确的。屈服发生后，应力必需重分布， in the elastic-plastic material because the stress 以满足平衡条件。 cannot exceed yield. The plastic zone must increase in size in order to carry these forces.
K Ic 如图所示。
1 b 。 2
无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为 d
讨论：a 工作应力d=750MNm-2 时，检测手段能否保证防止发生脆断？ b 企图通过提高强度以减轻零件重量，若b提高到1900MNm-2 是否合适？ c 如果b提高到1900MNm-2 ，则零件的允许工作应力是多少？
计 算 主 应 力
屈 服 准 则
y xy 裂纹尖 y x dy 端屈服 r dx 区域的 (5-1) 2a x 形状与 尺寸
这里仅简单讨论沿裂纹线上屈服区域的大小。 在裂纹线上(=0)，注意到 K p a ，有； x y
K1 a ； xy 0 2r 2p r
x= a cos[1 - sin sin3 ] 2 2 2r 2 a cos [1 sin sin3 ] (5-1) y 2 2 2 2r a sin cos cos3 xy r 2 2 2 2
材料失效分析考点
一、名词解释1.失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生，这种丧失其规定功能的现象称为失效。
2.失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。
3.疲劳断裂：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂，是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。
4.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。
5.弯曲疲劳：金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳称为弯曲疲劳。
6.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。
7.冲蚀磨损：是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象。
其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动，其表面材料所发生的损耗。
8.粘着磨损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现象，称为粘着磨损。
9.磨损：当相互接触的零件表面有相对运动时，表面材料的粒子由于机械的、物理的和化学的作用而脱离母体，使零件的形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。
10.磨损失效：机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。
11.蠕变：蠕变是金属零件在应力和高温的长期作用下，产生永久变形的失效现象。
12.屈服失效：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效。
13.塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。
14.断裂：零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。
15.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。
材料力学中的断裂理论
材料力学中的断裂理论近年来，随着人们对材料力学的研究不断深入，断裂理论逐渐成为了材料力学中一个备受关注的热点。
断裂理论是材料力学中研究材料在受力过程中破坏的学科，研究的重点在于探究材料断裂的发生机理、预测其断裂行为及相关工程应用。
下面，本文将通过对断裂理论的介绍，阐述其在材料力学中的重要性以及研究的发展趋势。
一、断裂理论的概念断裂理论是材料力学中研究物质在受力下破裂行为的一门重要学科。
其研究的主要内容包括断裂的形成机理、断裂的预测和控制以及断裂失效的评估等。
目前，断裂理论已经逐渐成为了固体力学、材料科学及相关领域学科中不可或缺的一部分。
二、断裂理论的主要发展历程随着人们对材料力学的研究不断深入，断裂理论的研究也逐渐得以发展。
下面，我们将简要介绍一下断裂理论的主要发展历程。
1、线性断裂力学理论线性断裂力学理论是最初的断裂机理研究学派。
其基本思想是将应力分析为两个部分，即与材料强度相关的断裂应力和与材料刚度有关的弹性应力。
2、弹塑性断裂力学理论弹塑性断裂力学理论是一种发展相对较晚的断裂理论，它采用了经典力学中的弹塑性理论，同时也考虑了模量、材料硬化等因素的影响。
其主要优点在于可以模拟动态载荷下复杂结构的材料失效行为。
3、能量释放率断裂机制理论能量释放率断裂机制理论是最新的断裂理论研究方向之一。
其提出了断裂是由应变能量积累并导致材料失效的观点，将目光集中在断裂预测和研究潜在裂纹扩展的过程中。
三、断裂理论在材料力学中的应用断裂理论在材料力学中具有重要的应用价值。
其主要应用于以下领域：1、材料设计和优化断裂理论可以帮助材料工程师有效地设计新型材料，并优化现有材料的性能。
其可以预测材料失效的位置和方式，并针对性地改进材料设计方案。
2、疲劳寿命估算断裂理论在疲劳寿命估算中发挥着重要作用。
通过预测裂纹的扩展速度、疲劳裂纹的形态和尺寸等参数，可以精确地预测材料疲劳寿命，对于保证材料的可靠性和安全性具有重要意义。
3、损伤评估和监控通过损伤评估和监控，可以有效地检测材料的健康状况。
材料的力学性能 断裂与断口分析
材料的力学性能－断裂与断口分析材料的断裂断裂是工程材料的主要失效形式之一。
工程结构或机件的断裂会造成重大的经济损失，甚至人员伤亡。
如何提高材料的断裂抗力，防止断裂事故发生，一直是人们普遍关注的课题。
任何断裂过程都是由裂纹形成和扩展两个过程组成的，而裂纹形成则是塑性变形的结果。
对断裂的研究，主要关注的是断裂过程的机理及其影响因素，其目的在于根据对断裂过程的认识制定合理的措施，实现有效的断裂控制。
✓材料在塑性变形过程中，会产生微孔损伤。
✓产生的微孔会发展，即损伤形成累积，导致材料中微裂纹的形成与加大，即连续性的不断丧失。
✓损伤达到临界状态时，裂纹失稳扩展，实现最终的断裂。
按断裂前有无宏观塑性变形，工程上将断裂分为韧性断裂和脆性断裂两大类。
断裂前表现有宏观塑性变形者称为韧性断裂。
断裂前发生的宏观塑性变形，必然导致结构或零件的形状、尺寸及相对位置改变，工作出现异常，即表现有断裂的预兆，可能被及时发现，一般不会造成严重的后果。
脆性断裂断裂前，没有宏观塑性变形的断裂方式。
脆性断裂特别受到人们关注的原因：脆性断裂往往是突然的，因此很容易造成严重后果。
脆性断裂断裂前不发生宏观塑性变形的脆性断裂，意味着断裂应力低于材料屈服强度。
对脆性断裂的广义理解，包括低应力脆断、环境脆断和疲劳断裂等。
脆性断裂一般所谓脆性断裂仅指低应力脆断，即在弹性应力范围内一次加载引起的脆断。
主要包括：与材料冶金质量有关的低温脆性、回火脆性和蓝脆等；与结构特点有关的如缺口敏感性；与加载速率有关的动载脆性等。
材料的断裂比较合理的分类方法是按照断裂机理对断裂进行分类。
微孔聚集型断裂、解理断裂、准解理断裂和沿晶断裂。
有助于→揭示断裂过程的本质→理解断裂过程的影响因素→寻找提高断裂抗力的方法。
材料的断裂将环境介质作用下的断裂和循环载荷作用下的疲劳断裂按其断裂过程特点单独讨论。
金属材料的断裂－静拉伸断口材料在静拉伸时的断口可呈现3种情况：(a)(b)：平断口；(c)(d)：杯锥状断口；(e)尖刃断口平断口：材料塑性很低、或者只有少量的均匀变形，断口齐平，垂直于最大拉应力方向。
非线性材料的断裂与失效分析
非线性材料的断裂与失效分析材料工程的研究和应用中，断裂与失效是一个重要的问题。
而对于非线性材料来说，其断裂与失效行为更加复杂。
本文将对非线性材料的断裂与失效进行分析，并探讨其影响因素及预测方法。
一、非线性材料的断裂行为非线性材料是指在力学特性中存在非线性变化规律的材料。
与线性材料相比，非线性材料在受力过程中会表现出更加复杂的应力-应变关系。
在这种情况下，材料的断裂行为也相应地发生了变化。
1.1 蠕变和疲劳非线性材料受到长时间应力的作用时，会发生蠕变现象。
蠕变是材料在一定温度和应力下，在足够长时间内产生的缓慢塑性变形。
与此同时，非线性材料还容易发生疲劳失效，即在反复加载和卸载的过程中逐渐失去强度和韧性。
1.2 塑性变形和屈服与线性材料相比，非线性材料在受力过程中容易发生塑性变形。
这是由于非线性材料在受到应力时，其内部的晶体结构发生了变化。
当材料受到的应力超过其屈服极限时，就会发生塑性变形，并最终导致断裂。
二、非线性材料的失效分析非线性材料的失效分析是预测材料断裂的重要方法，其中包括了影响非线性材料失效的各种因素。
以下将介绍几个常见的影响因素及其分析方法。
2.1 应力集中应力集中是指在材料的特定位置出现应力的突增现象。
当非线性材料受到外部应力时，由于其复杂的变形规律，容易出现应力集中现象。
为了分析材料的断裂行为，需要考虑应力集中对材料强度的影响，并采取相应的处理措施，如减小应力集中的位置或采用增强措施。
2.2 界面效应非线性材料中的界面效应对于材料的失效也具有重要的影响。
界面效应主要是指材料中不同相之间的界面对断裂行为的影响。
例如，两相材料的断裂行为可能由于界面剪应力的存在而发生变化。
因此，在非线性材料的失效分析中，需要对界面效应进行充分考虑。
2.3 温度效应温度是影响非线性材料断裂行为的重要因素之一。
随着温度的升高，非线性材料的强度和韧性通常会发生变化。
在非线性材料的失效分析中，需要考虑温度对材料性能的影响，并进行相应的温度校正。
材料科学专业优质课材料力学与失效分析
材料科学专业优质课材料力学与失效分析材料科学专业优质课——材料力学与失效分析材料力学与失效分析是材料科学专业中的重要课程，它涵盖了材料的力学性能以及材料在使用过程中可能出现的失效原因和机制。
本文将从材料力学基础、失效分析方法和案例分析三个方面来介绍材料力学与失效分析的相关内容。
一、材料力学基础材料力学是研究材料的应力、应变、变形及其与力学性能之间的关系的基础学科。
它主要包括静力学、动力学和弹性力学等方面。
在静力学中，材料的受力分析和平衡条件是基本内容，可以通过受力分析确定材料的内力分布和力的平衡状态。
在动力学中，材料的运动和受力分析是重点内容，可以研究材料在受外力作用下的响应和变形情况。
弹性力学是材料力学中的重要概念，它研究的是材料在弹性变形范围内的力学性能，包括应力-应变关系、弹性模量和泊松比等参数。
二、失效分析方法1. 失效模式与机理分析失效模式是指材料在使用过程中可能出现的失效形式，比如断裂、疲劳、腐蚀等。
失效机理是指导致材料失效的原因和机制，比如应力集中、氢脆、晶体缺陷等。
失效模式与机理分析是材料失效分析的起点，通过对失效模式和机理的研究，可以确定失效原因并采取相应的措施预防失效。
2. 实验测试与数据分析实验测试是失效分析的重要手段之一。
通过对材料的物理、化学性能进行测试，可以获取与失效相关的数据。
比如断口形貌分析、材料组织结构分析、化学成分分析等。
数据分析是在实验测试的基础上，对获取的数据进行处理和解读。
可以通过统计学方法、数学模型等，对材料的失效行为进行分析和预测。
3. 数值模拟与仿真数值模拟和仿真是现代失效分析的重要手段之一。
通过建立适当的数学模型和计算方法，可以模拟材料在不同载荷条件下的响应和变形情况。
比如有限元方法可以对材料的应力分布、变形情况进行模拟和计算。
通过数值模拟和仿真，可以更好地理解材料的失效行为，指导材料的设计和改进。
三、案例分析1. 断裂失效案例分析断裂是材料在受力过程中出现的一种常见失效模式。
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作业：（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构◆材料为镍基高温合金，为什么？◆服役环境的要素有哪些？◆有可能发生的失效类型是什么？◆如何设计实验确定失效的类型？◆改进的建议和措施一．涡轮叶片的材料涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。
所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。
涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。
镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金。
有的镍基高温合金含镍量达到70%左右，其次Cr含量也比较高。
其性能主要有：1.物理性能。
具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。
2.耐腐蚀性。
镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。
同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。
还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛。
3.机械性能。
镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。
4.高温特性。
高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。
5.热处理及加工、焊接性。
高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。
高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。
焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊。
总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。
所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。
二.涡轮叶片的服役环境涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。
总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有：1.不均匀的高温条件下工作。
涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720℃～1120℃，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。
2.高转速条件下工作。
涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。
3.高应力和复杂应力条件下工作。
涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。
4.受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。
涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。
三．可能发生的失效类型根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。
1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。
其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。
导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。
蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。
大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。
2.非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。
总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。
四．设计实验确定失效的类型1.疲劳失效。
金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。
典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。
2.蠕变失效。
蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂。
明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。
另一个特征是高温氧化现象，在端口表面形成一层氧化膜。
沿晶断裂截面上可以清楚地看到局部晶间的脱开及空洞现象，端口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。
3.过载断裂。
金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征，其宏观端口与拉伸试验端口极为相似。
过载断裂的微观特征为塑性变形痕迹及穿晶断裂特征。
4.实验确定失效类型。
（1）失效产品直观检查。
首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观察断口的颜色，是否有其他的金属飞溅物，是否存在氧化膜。
观察断口附近是否有明显的塑性变形，是否存在严重的掉快现象。
（2）宏观分析。
用扫描电镜观察端口的宏观形貌特征，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂纹的扩展方向；观察断口表面的条纹花样，观察是否存在明显的疲劳源区（通常出现在构件表面）、扩展区（弧线、人字纹）、瞬断区（高塑性为纤维状，脆性为晶粒状或放射状），并确定断裂区于疲劳源区的相对位置；观察外围是否存在剪切唇。
大致确定叶片的失效类型。
（3）微观分析。
用电子显微镜观察端口的微观形貌特征，寻找是否存在条状花样，尤其是疲劳辉纹即具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状花样。
观察是否存在塑性变形痕迹，并确定断裂为穿晶断裂还是沿晶断裂。
（4）相结构分析。
用X-射线衍射XRD分析断口附近的相组成，并与叶片原材料镍基合金中的相结构进行对比，根据新生相或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂时或断裂前发生的变化。
从而更加准确的推断断裂失效类型。
（5）应力分析。
用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂时的应力状态，从而更好地区分过载断裂与疲劳断裂和蠕变断裂，并可以用于区分为疲劳断裂的哪一种类型。
（6）热损伤分析。
用硬度仪对叶片断口及附近进行硬度测量，并结合前面测出的断口附近的相组织，对叶片的超高温状态进行评价，分析叶片是否存在超高温过热迹象。
通过对以上几步的结果进行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型。
五.改进的建议与措施1.涡轮叶片材料。
目前航空发动机涡轮叶片使用的材料主要是以镍、钴、铁为基的合金，其熔点在1800K左右。
但为了为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度，这就使得涡轮叶片的工作环境更为苛刻。
为了更好的使涡轮叶片适应更高的要求，可以加快研发采用耐热性更高的铌或钼基合金。
并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护。
2.结构优化设计。
（1）对涡轮盘和涡轮叶片的形状进行优化，减少涡轮旋转的摩擦与阻力，降低涡轮工作时的应力应变脉动。
（2）采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的降低涡轮质量从而达到不需要太大提高燃气温度而提高发动机性能的目的。
（3）优化涡轮盘及涡轮叶片，改变其固有频率，使固有频率与涡轮工作时的振动频率相差较远，降低振动对涡轮的影响。
（4）采用更有效的冷却系统，这可以有效的降低涡轮叶片的工作温度，延长涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的进口温度，增加涡轮发动机的性能。
3.工艺优化设计。
采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极大的提高涡轮的工作性能。
（1）采用先进的制备工艺：先进的铸锻变形工艺——提高了坯件的质量与塑性；粉末冶金工艺——提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力学性能；喷射成形工艺——获得整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料坯件。
（2）采用先进的成形技术：等温超塑性锻造成形——加工余量小，表面完整，组织均匀；接近等温变形条件的涡轮盘锻造——提高高温塑性；直接热等静压成形——以最小的加工余量成形接近零件最终形状的半成品。
零件失效分析方案设计实验原理1．材料常见的失效形式及其判断方法；2．材料典型断裂失效断口的形貌及其特征；3. 断口分析技术；4．裂源及裂纹扩展方向的判别；5. 力学性能测试技术。
失效分析⑴选择失效零部件，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。
⑵调查零部件的服役条件和失效过程。
⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。
３.５：收集资料：该零件在相同＼不同工作条件下的实效形式，观察断口情况，统计相关信息；对本零件的实效可能性做出几种假设，在以后实验中留意相关证据，验证假设是否正确。
（ＰＳ：有点类似人工智能的推理模式）⑷试验研究实验方法与步骤1、对整个零件进行检查，包括（1）断裂形式、部位及塑性变形情况，并注意裂纹源区；（2）有无腐蚀痕迹；（3）有无磨损迹象；（4）表面状况（有无机械损伤，颜色变化，氧化及脱碳现象）；（5）原材料质量，加工缺陷等。
（６）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我们最后要得出的。
2、断口宏观分析用放大镜观察断口表面，主要内容有（1）裂纹源与终止点；（2）断裂面、裂纹扩展方向；（3）断口附近的塑性变形情况；（4）断口是否清洁光亮；（5）断口结构特点、贝纹特征及终端区大小，（6）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我们最后要得出的。
并拍照留据。
3、断口硬度检测在断口附近取若干个样本检测点，用洛氏硬度计进行硬度检测并与标准硬度值进行比较。
4. 金相检测在断裂件上截取金相试样，经镶嵌、打磨和抛光，再用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在金相显微镜下进行显微组织观察。
5. 下结论：通过以上实验得出一个结论：对预防该类零件的实效提出建议：对本实验做一个总结：缺点和优点，值得改进与发扬的地方。
材料失效分析复习大纲一、材料失效分析总论1、失效定义：指产品(构件)因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到规定的功能。
2、失效的微观结构：原子的电子结构、原子间相互作用、原子团三维分布、显微组织形态。
3、失效的外观形态：局部腐蚀、局部磨损、过度变形、表面异物。
4、失效分析的内容（5项）：判定失效模式、界定失效缺陷、鉴定失效机理、确定失效起因、提出解决对策5、失效的五种模式：断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰减。
6、失效机理：是致使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即失效的微观机制。
比如：腐蚀模式下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。