材料失效分析(第五章-疲劳)
材料失效分析—金属的疲劳破坏
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。
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。
第五章金属的疲劳
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。
Workbench中文讲义——疲劳分析
选择塑性或脆性材料
查看疲劳特性
选择 Tools>options>Fatigue 可弹出如上图所示对话框。 一般采用默认设置即可
相反，非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系，典型情 况包括：
σ1/σ2=constant
在两个不同载荷工况间的交替变化； 交变载荷叠加在静载荷上； 非线性边界条件。
应力定义
考虑在最大最小应力值σmin和σmax作用下的比例载荷、恒定 振幅的情况：
应力范围Δσ定义为(σmax-σmin) 平均应力σm定义为(σmax+σmin)/2 应力幅或交变应力σa是Δσ/2 应力比R是σmin/σmax 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时，发生的是对称循 环载荷。这就是σm=0，R=-1的情况。 当施加载荷后又撤除该载荷，将发生脉动循环载荷。这就是 σm=σmax/2，R=0的情况。
钢梁尺寸：底面半径 30mm，高度200mm。
边界条件：一底面固支， 另一底面受扭矩 10000N*m。
要求：试用多重S-N曲线 进行求解
求解步骤——几何建模
首先在DM建模器中创建如图所示的圆柱体结 构，圆柱体半径30mm，高200mm。
求解步骤——网格划分
打开DS求解器，以单元尺寸0.005m划分网 格
求解步骤——查看疲劳特性
查看疲劳特性设置 由于软件针对结构钢材已经有了默认的材料属 性，其中包括疲劳特性，因此在本例中不对疲劳 特性做修改。在下一实例中将介绍修改S-N曲线的 方法。
求解步骤——后处理
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
25
5 影响疲惫缘由及措施
4、装配与联接效应 装配与联接效应对构件的疲惫寿命有很大的影响。
正确的拧紧力矩可使其疲惫寿命提高5倍以上。简洁消失的问题是，认 为越大的拧紧力对提高联接的牢靠性越有利，使用实践和疲惫试验说明，这 种看法具有很大的片面性。
5．使用环境 环境因素〔低温、高温及腐蚀介质等〕的变化，使材料的疲惫强度显 著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。例如镍铬钢〔0.28％C，11.5 ％ Ni，0.73％Cr〕，淬火并回火状态下在海水中的条件下疲惫强度大约只是 在大气中的疲惫极限的20％。
2
14
1、疲惫裂纹源区 疲惫裂纹源区是疲惫裂纹萌生的策源地，是疲惫破坏的起点， 多处于机件的外表，源区的断口形貌多数状况下比较平坦、光 亮，且呈半圆形或半椭圆形。
由于裂纹在源区内的扩展速率缓慢，裂纹外表受反复挤压、摩 擦次数多，所以其断口较其他两个区更为平坦，比较光亮。在 整个断口上与其他两个区相比，疲惫裂纹源区所占的面积最小 。
相垂直。
大多数的工程金属构件的疲惫失效都是以此种形式进 展的。特殊是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占 比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处简洁得到满足 ，但当外表加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、 微裂纹等应力集中现象时，正断疲惫裂纹也易在外表产生。
高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、 低的加载频率及腐蚀、低温条件2均有利于正断疲惫裂纹的萌 6
疲劳失效分析案例
轴向：室温（KU2）：24.0J； 33.0J； 40.0J （平均：32J）
（按CB/T3669标准第5.3.2款：要求相关钢材在-20℃时，三个冲击试样的 平均KV2≥42J）
9、分析意见
z 由金相分析可看到，组织带状枝晶偏析发达， 将影响其综合性能。
3、宏观检测
后端11点钟区域断面宏观形貌 下侧底部区域， 边缘有纵向小台 阶、呈光亮挤压 擦伤形态，表明 开裂自上而下， 最终在底部挤压 撕裂
3、宏观检测
两侧区：快速扩展
3、宏观检测
6点钟区：由转角越程槽起始的裂纹花样
表明中间区域 在相对低应力 下先期开裂， 最终两侧在相 对高应力下快 速向中间汇合 ，贯穿性裂开
概述
z 机械部件失效形式，按失效模式及失效机理一 般分为：变形失效、断裂失效、磨损失效及腐 蚀失效。在所有失效事故中，断裂失效占有主 要份额。
z 在失效分析中由于最终目的不同，其分析的深 度、广度及重点不尽相同。本文所列失效分析 案例是以“物证”分析为主体的失效分析，注重于 构件的材质、工艺（冷、热）及服役条件的综 合分析。
表层主裂纹两 侧可看到长短 不一的次裂 纹，均为曲折 发展，拟为变 形下拉裂
5、金相分析
开裂处径向截面
下外圈后端凸台面
中段裂纹斜向分 布,脱碳区域沿裂 纹两侧分布。开 口处，可见两侧 组织为铁素体+少 量珠光体，裂纹 表面有氧化现 象，表明为热处 理前形成。
6、硬度测定
滚道（旁侧）区域：
表面硬度（HRC）：57.0; 57.2; 57.5 径向截面上，滚道中部，测定有效硬化层深度:
4、扫描电镜分析
第五章 材料的疲劳性能
（2）晶界处开裂
晶界就是面缺陷； 位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。
（3）相界面开裂
两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在 相结合处或弱相内出现开裂。
只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。
材料科学与工程学院
4
（2）循环应力的种类
(1)对称循环,σm=0，r ＝-1，大多数旋转轴类 零件承受此类应力。
(2)不对称循环： σm≠0， -1<r<1。发动机连杆或 结构中某些支撑杆、螺栓 承受此类应力， σa>σm>0，-1<r<0。
(3)脉动循环： σm＝σa>0，r＝0，齿轮的齿根及某些压力容 器承受此类应力； σm＝σa<0， r＝∞ ，轴承承受脉动循环压 应力。 (4)波动循环： σm>σa，0<r<1。发动机气缸盖、螺栓承受这 种应力。
材料科学与工程学院
18
材料科学与工程学院
19
疲劳条带(疲劳辉纹)定义：是略呈弯曲并相互平行的沟槽状 花样，与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的微观痕 迹，为疲劳断口最典型的微观特征。
材料科学与工程学院
20
在失效分析中，常利用疲劳微观断口中疲劳条带间宽和 裂纹尖端的应力强度因子幅KI间关系分析破坏原因。
分子的微结构损伤。
材料科学与工程学院
25
2．高分子聚合物的疲劳破坏机理
3）聚合物疲劳断口上可有两种特征的条纹：疲劳辉纹 （fitigue striation)和疲劳斑纹（marking)。
A:前者是每周期变动应力作用时引起的裂纹扩展，间距为 10um左右；后者是不连续的、跳跃式的变动应力引起的 裂纹扩展，间距为50um左右。
材料的力学性能 材料的疲劳
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.3 疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征
贝纹线与辉纹的差别
在疲劳断口上肉眼看到的贝纹线和在电子显微镜下看到的辉纹不是 一回事，相邻贝纹线之间可能有成千上万条辉纹。
贝纹线－ 宏观特征，是交变应力振幅变化或载荷大小改变等原因， 在宏观断口上遗留的裂纹前沿痕迹。有时在宏观断口上看不到贝纹线， 但在显微镜下却看到了疲劳辉纹。
5.1 疲劳现象
5.1.1 变动载荷
周期变动载荷又称为循环应力。它可以看成是由恒定的平均应力σm和变动的应力 半幅σa叠加而成，即在应力变化过程中，应力σ与时间t存在如下关系： σ= σm+σaf(t) 最大应力σmax—— 循环应力中数值最大的应力； 最小应力σmin—— 循环应力中数值最小的应力； 平均应力σm —— 循环应力中的应力不变部分：σm =（σmax +σmin）/2 应力半幅σa —— 循环应力中的应力变动部分的幅值:σa =（σmax－σmin）/2 应力循环对称系数（应力比）r—— 应力循环的部对称程度: r = σmin /σmax
5.2 疲劳断裂过程及其机理
5.2.3 疲劳裂纹扩展机制与断口微观特征
脆性疲劳辉纹的形成:
（a）应力为零，裂纹闭合状态； （b）受拉应力，裂纹前端解理裂 纹向前扩展； （c）很小的范围内产生局部塑性 变形； （d） 裂纹张开，发生钝化； （e）受压应力，裂纹闭合，裂纹 扩展一个条带的距离。
5.2 疲劳断裂过程及其机理
疲劳辉纹－微观特征，是用来判断是否由疲劳所引起的断裂的主要 依据之一。但是没有辉纹不能说就是不是疲劳断裂，因为有些金属在某 些条件下疲劳断裂时并不形成疲劳辉纹。
疲劳辉纹总是沿着局部裂纹扩展方向往外凸。但用这种特征来表示 宏观的扩展方向并不可靠，因为在一个断口上的疲劳辉纹可以指出裂纹 是在几个不同方向上扩展的。疲劳辉纹是相互平行的，且是等距的，没 有分枝与交叉，依次可以与其它辉纹花样区别开来。辉纹间距表示裂纹 扩展速率，间距愈宽，则裂纹扩展速率愈大。
疲劳分析
所谓“无穷多次”应力循环，在试验中是难以 实现的。工程设计中通常规定：对于S－N 曲线有水平渐近线的材料（如结构钢），若 经历107 次应力循环而不破坏，即认为可承 受无穷多次应力循环；对于S—N 曲线没有 水平渐近线的材料（例如铝合金），规定某 一循环次数（例如 2 X 107 次）下不破坏 时的最大应力作为条件疲劳极限。
疲劳强度已从经典的无限寿命设计发 展到现代的有限寿命设计和可靠性分析。 累积损伤理论为解决疲劳寿命问题提供了 重要基础及工程计算方法。零件、构件以 至设备的寿命、可靠性等已成为国内外市 场上产品竞争的重要指标。
疲劳分析的主要内容
疲劳失效的主要特征与失效原因简述； 疲劳极限及其影响因素； 有限寿命和无限寿命设计； 提高构件疲劳强度的途径。
3.表面加工质量的影响－表面质量因数
零件承受弯曲或扭转时，表层应力最 大，对于几何形状有突变的拉压构件， 表层处也会出现较大的峰值应力。因 此，表面加工质量将会直接影响裂纹的 形成和扩展，从而影响零件的疲劳极 限。 表面加工质量对疲劳极限的影响，用表 面质量因数β度量，式中， σ-1 和 (σ-1) β 分别为磨削加工和其它加工时 的对称循环疲劳极限。
疲劳失效特征
破坏时的名义应力值远 低于材料在静载荷作用 下的强度的指标。 构件在一定量的交变应 力作用下发生破坏有一 个过程，即需要经过一 定数量的应力循环。 构件在破坏前没有明显 的塑性变形，即使塑性 很好的材料，也会呈现 脆性断裂。 同一疲劳破坏断口，一 般都有明显的光滑区域 与颗粒状区域。
疲劳极限与应力 － 寿命曲线
有限寿命设计与无限寿命设计
若将S－N 试验数据标在lgS— lgN 坐标中，所得到应力一寿 命曲线可近似视为由两段直线 所组成，如图所示。两直线的 交点之横坐标值 N0，称为循环 基数；与循环基数对应的应力 值（交点的纵坐标）即为疲劳 极限。因为循环基数都比较大 (106 次以上)，故按疲劳极限 进行强度设计，称为无限寿命 设计。双对数坐标中lgS—lgN 曲线的斜直线部分，可以表成
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
2021
42
a）塑性疲劳纹（1000×）
b）塑性疲（1000×）
图5-12 疲劳断口中的疲劳辉纹花样
2021
43
（1）疲劳辉纹的间距在裂纹扩展初期较小， 而后逐渐变大。每一条疲劳辉纹间距对应 一个应力循环过程中疲劳裂纹前沿向前的 推进量；
2021
21
图5-3 疲劳断裂叶片断口
2021
22
图5-6 螺栓疲劳断裂断口
2021
23
2.疲劳断口宏观形貌的基本特征 疲劳弧线（or贝纹线、贝克花样、海滩花
样）：它是以疲劳源为中心，与裂纹扩展 方向相垂直的呈半圆或扇形的弧形线。
疲劳台阶：包括一次疲劳和二次疲劳台阶。 疲劳断口上的光亮区。
5.1.1 疲劳断裂失效的基本形式
• 按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、 弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲 劳等；
• 按疲劳断裂的总周次的大小（Nf）可分为 高周疲劳（Nf＞105）和低周疲劳（Nf＜ 104）；
2021
3
• 按零件服役的温度及介质条件可分为机械 疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、 低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。
2021
7
• 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正 断形式进行的。特别是体心立方金属及其合 金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力 学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足， 但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、 刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正 断疲劳裂纹也易在表面产生。
• 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应
第5章 疲劳断裂失效分析
汽车零部件的疲劳失效分析
疲劳失效分析基础
疲劳失效的特征：载荷的影响
9
疲劳失效断口图谱（举例）
10
疲劳失效案例－轴类零件
作用：连接、传递扭矩、承受弯矩 受力：扭转、弯曲、接触应力
典型零件：曲轴 凸轮轴 变速箱二轴 、一轴 半轴 摇臂轴 轮毂轴 连通轴 各类连接轴、输出轴
特点：零件不同部位的受力要求相差很大， 需要在不同部位进行表面处理等手段。
典型零件： 后桥壳、车轮、轮毂轴管、半轴套管、传动轴 各类油管（不锈钢薄壁管、高压油管）、柱塞套
案例
柱塞套失效分析 燃油回油管
13
疲劳失效案例－弹簧类零件
钢板弹簧 螺旋弹簧 扭力杆
钢板弹簧 服役条件：汽车悬架系统中的弹性元件，其作用主要有： 1. 传力作用。传递车桥与车架之间载荷。 2缓冲作用。缓冲来自车轮的冲击力。 3.导向作用。 当它在汽车上纵向安置并且一端与车架作固定铰链连接时，使车轮 按一定轨迹相对于车架和车身跳动。 工作中作用在钢板弹簧上的载荷主要有： 1.来自汽车车架的垂直压力以及由此产生的来自车桥的反向支承力。当车桥和车架 相互远离时，钢板弹簧所受的这一垂直载荷和变形逐渐减小，有时甚至会反向。 2.由于路面不平等原因引起的振动而对簧片产生的扭曲力。 3.钢板弹簧在载荷作用下变形时，各片之间相对滑动而产生的摩擦力与接触应力。
案例
42CrMo 螺栓 减振器螺栓
19
案例
喷射泵联接轴 轮毂半轴 连通轴
11
疲劳失效案例－杆类零件
作用：连接、承受弯矩或承受拉力 受力：单向或双向弯曲、部分零件存在接触应力 特点：形状复杂，多孔、多台阶等
大多要求调质处理 典型零件：前轴 横向稳定杆 直拉杆 变速器操纵 杆球头拉杆 转向节臂
案例
《材料失效分析》 课程教学大纲
《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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§2
疲劳裂纹萌生与扩展机理（模型）
一、疲劳裂纹萌生机理 1、挤出挤入模型—Wood模型
10
金属表面形成的挤出脊与挤入沟
11
2、位错销毁模型—藤田模型
两列平行的异号刃位错，在相距几个原子间隔 （约10埃）的两平行滑移面上互相对峙塞积；
由于这种位错排列所产生的高拉应力引起原子 面分离，形成孔洞
12
20
锯齿形断口或棘轮花样
轴类零件在交变扭转应力作用下产生的 有应力集中（轴颈）+扭矩作用
多源裂纹
裂纹以螺旋状方式向前扩展，最后汇合于轴的中央 若为单向交变扭转应力——棘轮花样 若为双向交变扭转应力——锯齿状断口
21
锯齿形断口
棘轮花样
22
3、瞬断区
形貌：具有断口三要素（放射区、剪切唇）的特征
对于塑性材料，断口为纤维状、暗灰色 对于脆性材料，断口为结晶状 位置：自由表面 断面中心
7
4、疲劳断裂过程
疲劳裂纹的萌生: 表面（次表面、内部） 疲劳裂纹的扩展（两个阶段）
8
第一阶段：裂纹起源于材料表面，向内部扩展
范围较小，约2—5个晶粒之内 显微形貌不好分辨 与拉伸轴约成45°角，裂纹扩展主要是由于τ 的作用
扩展速度很慢，每一应力循环只有埃数量级
第二阶段：断面与拉伸轴垂直，凹凸不平 裂纹扩展路径是穿晶的 扩展速度快，每一应力循环微米数量级 显微特征：疲劳辉纹
3、空穴模型—Mott模型
由于螺位错围绕着环形通道，进行连续交叉滑移运动， 结果从表面上挤出了材料的一个舌片，并相应地形成 了一个空穴，这个空穴就是疲劳裂纹源
13
4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
14
二、疲劳裂纹扩展模型
1、连续扩展模型（塑性钝化模型）
A、交变应力为0时，裂纹闭合
31
形成机理：
▴与第二相有关：在疲劳裂纹形成以后，由相互匹配的 断面上的突起或刀边，如断口上的第二相质点，反复 挤压或刻入而引起的压痕
▴与氢有关：氢浓集在显微孔洞时，在断面上留下凹坑
痕迹 ▴假象
32
其它特征： 疲劳断片（fatigue patches） 疲劳台阶 二次裂纹 疲劳台阶
二次裂纹
33
§4
贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的 辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的
7178铝合金
25
铜合金
4340钢
高温镍基合金
低碳低合金钢
26
2、辉纹四要素（特点） ①辉纹相互平行并且垂直于局部裂纹扩展方向 ②辉纹间距随循环应力强度因子振幅而变化 S = C(△K)n ③辉纹个数等于负载循环次数
2、平滑区
贝纹线（conchoidal、前沿线、年轮、海滩状） 产生：表示裂纹前沿在间歇扩展时的依次位置，它是机 器在开车、停车或负荷变动较大时造成的
18
形状：一条条同心的圆弧 ▴若年轮绕裂源成为向外凸起的同心圆，表示材料 对缺不敏感（如低碳钢） ▴若年轮绕裂纹源成凹杯或凹状，则材料对缺口敏感
19
④通常断面上一组辉纹是连续的，其长度大致平行；
相邻断面上的辉纹不连续
3、辉纹形成机理
裂纹扩展的连续模型和不连续模型
27
4、辉纹类型
韧性辉纹：塑性变形量较大，清晰、连续，fcc 脆性辉纹：塑性变形量较小，较清晰、不连续，常见弧形 辉纹与河流花样相交，并互相垂直，bcc、hcp
韧性辉纹
脆性辉纹
28
韧性辉纹
4
双向弯曲疲劳受力及断裂示意图
旋转弯曲疲劳受力及断裂示意图
5
扭转疲劳受力示意图
6
3、疲劳断裂的一般特征
▲疲劳断裂的应力远比静载下材料的σb低，甚至比σ0.2低很多，断
裂前无明显的塑性变形，是一种低应力脆断破坏现象
▲疲劳断裂是损伤累积过程的结果，是与时间相关的破坏方式。它 包括裂纹萌生、扩展和失稳断裂三个阶段，不同阶段损伤方式和 损伤量不同 ▲工程构件对疲劳抗力比对静载荷要敏感得多。其疲劳抗力不仅取 决于材料本身特性，而且与其形状、尺寸、表面质量、服役条件、 环境等密切相关 ▲微观上，疲劳断裂一般为穿晶断裂，也属一种脆性穿晶
腐蚀疲劳与一般疲劳的不同：
腐蚀疲劳受环境介质的影响，使得σ- N曲线相低值方向 移动裂源更容易形成，即孕育期较短，并且裂纹形成快， 其寿命较短
39
B、当受拉应力时裂纹张开，尖角处由于
应力集中沿45°方向产生滑移 C、σL → σmax ，滑移区扩大，使裂纹 尖端变形成近似半圆，由锐→钝 D、当受压应力时，滑移沿相反方向进行 裂纹面被压近，裂纹尖端被弯折成 耳环状切口 E、σY → σmax ，裂纹表面被压合，尖 端由钝→锐，形成一个尖角，裂纹向 前扩展一个条纹
影响疲劳断口形貌的因素
1、载荷类型与应力大小
不同弯曲载荷和应力集中条件下棒材疲劳断口形貌示意图
34
星形断口及形成过程示意图
35
2、材质
3、晶界 在晶界附近，裂纹尖端受阻碍，当裂纹由一个晶粒
扩展到另一个晶粒时，其裂纹扩展方向发生变化。
4、夹杂物或第二相 阻止裂纹的扩展，当遇到较大的第二相粒子时，辉纹弯 曲形成台阶 可形成轮胎压痕 5、环境介质 疲劳裂纹在一定的环境介质下才产生辉纹，在真空中不
▴断口上具有较模糊的疲劳辉纹或脆性疲劳辉纹，由 于介质的腐蚀作用，使得辉纹变得模糊不清 ▴断口具有较明显的SCC的显微形貌特征基本上呈现沿 晶断裂形貌，但也可能出现穿晶断口形貌
如：铜合金、碳钢多半属沿晶断口
镁合金、γ不锈钢属穿晶断口 ▴断口中二次裂纹较多
38
腐蚀疲劳与SCC的不同：
腐蚀疲劳在任何环境介质中都会引起 发生SCC的材料对介质具有选择性
（Nf ＞ 105）的疲劳
低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材 料的局部应力往往超过σ0.2 ，在断裂过程中产 生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf ＜ 102 — 105）的疲劳
2
接触疲劳：材料在较高接触压应力的作用下，经过多次应力 循环后，其接触面的局部区域产生小片或小块金
属剥落，形成麻点或凹坑，导致材料失效的现象
非对称（次表面）
23
瞬断区面积越大，越靠近中心部位，工件过载程度越大
瞬断区面积越小，越靠近 边缘，工件过载程度越小
24
二、疲劳断口显微形貌特征
疲劳辉纹 1、定义：在光学显微镜、SEM或TEM下观察疲劳断口时，断口上细
小的、相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直
的显微特征条纹
疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）的区别：
脆性辉纹
29
5、疲劳辉纹存在的条件
一般说来，疲劳辉ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ仅存在于裂纹扩展的第二阶段（Nf ＞ 103）
必要条件：裂纹尖端必须处于张开型的平面应变状态， 即正断时才出现 材质：延性材料比较容易形成疲劳辉纹，脆性材料困难 环境：真空中不出现辉纹
30
轮胎压痕（tire tracks） 形貌：类似车胎的压痕，是疲劳断口上最 小的特征花样
15
2、不连续扩展模型
A、裂纹尖端塑性区在疲劳过程中部分累积损伤，形成显微空穴
B、裂纹在拉应力作用下变钝
C、未裂开的裂纹与空穴之间的部分受拉应力作用而变细，最后 导致两部分连接，使裂纹扩展△ a
16
§疲劳断口形貌特征
一、宏观形貌特征
断口组成：裂源区、平滑区、瞬断区
17
三区特征： 1、裂源区 位于材料表面、次表面或内部 光滑、细洁的扇形小区域 多源裂纹
变化规律：若年轮间距变化是规则的，则所受应力变化规则 若年轮间距较小时，则表示疲劳裂纹扩展较缓 慢，材料较韧 颜色：黑色或褐色，因断口表面受到空气、水、水蒸汽或其 它介质作用而氧化或腐蚀
磨光标记：由于机械零部件断口常常是在运行过程中形成的
因此两个匹配断口常互相磨擦，出现磨光的宏 观特征。特别是在裂源附近，其磨光程度更为 突 出，有时呈现一种发亮的研磨面
（齿轮相互接触）
热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲
劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟裂”
腐蚀疲劳：材料在循环应力与腐蚀介质共同作用下产生的失
效现象（腐蚀坑）
3
依载荷类型的特点，分为三类：
1、弯曲疲劳（单向、双向、旋转） 2、轴向疲劳（拉—拉、拉—压）
3、扭转疲劳
单向弯曲疲劳受力及断裂示意图
第五章
疲劳断裂
§1 引言 §2 疲劳裂纹的萌生与扩展 §3 疲劳断口形貌特征 §4 影响疲劳断口形貌的因素 §5 腐蚀疲劳
1
§1
引言
1、定义: 由于交变应力或循环载荷所引起的低应力脆断。 在所有的损坏中，疲劳断裂的比例最高，约占70% 2、类型:依负载和环境条件的不同，分为五类： 高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高
产生辉纹。腐蚀疲劳就是在腐蚀环境中发生的疲劳断裂
36
§5
腐蚀疲劳
产生的断裂
1、定义 : 材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下
2、裂源:多半位于材料表面的腐蚀坑处或表面缺陷部 位
3、断口形貌
37
特征：
▴裂源多半起源于材料表面的腐蚀坑处或表面缺陷部 位，在裂源附近可能存在几个腐蚀坑，因此腐蚀疲
劳常是多源疲劳