材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)
材料失效分析
零件的结构形状不合理；表面状态不良；材料及其组织状态；装配与联接效应；使用环境;载荷频谱。
4、腐蚀失效的基本类型有哪些。
点腐蚀失效；缝隙腐蚀失效；晶间腐蚀失效；接触腐蚀失效；空泡腐蚀失效；磨耗腐蚀失效。
5、什么叫液态金属脆断？液态金属脆断的失效机制是什么？
液态金属脆断是指固态金属在受应力状态下与另一液态金属接触，导致液态金属渗入固态金属内部而产生脆裂。失效机制有两种截然不同的理论，分别呈现出沿晶与穿品破断特征。
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
答：正火发牛可使晶粒细化，改善锻件质量。
5、应力腐蚀开裂是在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏。（）
6、只有在特定的介质屮才能发生点腐蚀。（）
7、金属发生晶间腐蚀后，在宏观上儿乎看不到任何变化，儿何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著增大。（）
8、当应力较大、腐蚀介质较强吋，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。（）
9、铸造、锻造、热冷轧、挤压都属于加工工艺缺陷。（）
材料失效分析答案
一、判断题：本大题10小题，每小题2分，共10分。
√×××√ √×√—
三、名词解释：本大题共5小题，每小题4分，共20分。
6、失效机理
指产品(构件)因微观结构和外观形态发牛变化而不能满意地达到规定的功能。
7、断口三要素
纤维状区、放射状区、剪切唇区。
8、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。
材料失效分析试卷
一、判断题：本大题10小题，每小题2分，共20分。
1、通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。（）
2、表面异物不属于材料失效的外观形态。（）
3、缩孔是铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈正锥形。（）
材料断口分析(第2-4章)
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
4、加载速度 V↑，易发生解理断裂
§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 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
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 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 ※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大 ！
小刻面
放射条纹
人字纹
二、微观形貌特征及形成机理
特征： 扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern） 青鱼骨花样（spine pattern） 瓦纳线（wallner line）
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
材料的力学性能第4章 材料的断裂
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c － 扩展的临界应力 ；
c － 碳化物的表面能 ；
E － 弹性模量；
－ 泊松系数；
C0 － 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 （1）解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
工程材料力学性能各章节复习知识点
工程材料力学性能各个章节主要复习知识点第一章弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。
应力、应变；真应力，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断口形貌特征？①韧性断裂：断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。
其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。
人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆拉伸断口三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺口试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪几种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越大，形变强化增强效果越大退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。
在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提高。
第二章应力状态软性系数：材料某一应力状态，τmax和σmax的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，比为α，α=τmaxσmax缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示缺口敏感度，即为NSR=σbnσb第三章低温脆性：在实验温度低于某一温度t2时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显降低，断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
材料失效分析方法综述
材料失效分析方法综述材料失效是指材料在使用过程中，无法满足其设计要求或者正常使用寿命结束的情况。
对于工程领域而言，材料失效可能导致设备或结构的损坏、事故的发生甚至人身安全的威胁。
因此，准确判断材料失效的原因和机制，对于提高材料的可靠性和寿命至关重要。
在这篇文章中，我们将综述几种常用的材料失效分析方法，包括金相分析、红外光谱分析、热分析、X射线衍射分析和扫描电子显微镜分析等。
金相分析是一种常见的材料失效分析方法。
它通过观察材料的组织结构，来确定可能的失效机制。
通过光学显微镜观察材料的显微组织，可以发现一些常见的失效问题，如晶体缺陷、夹杂物、晶粒长大不良等。
金相分析可以提供宝贵的信息，帮助确定疲劳、腐蚀、断裂等失效机制，并指导进一步的材料改进和工艺优化。
红外光谱分析是一种利用材料对红外光的吸收和散射来识别和分析材料的方法。
材料中不同的化学成分和它们之间的结合方式会导致不同的红外光谱特征。
通过对材料的红外光谱进行分析，可以确定材料中存在的化学成分和它们的状态，从而判断失效的原因。
例如，红外光谱分析可以用来检测材料的老化程度、化学变化、污染物等。
热分析是通过对材料在不同温度下的性质变化进行监测和分析的方法。
常用的热分析技术包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和热膨胀测量等。
这些技术通过测量样品在升温和降温过程中的热力学性质变化，如热流、质量损失和尺寸变化等，来推断材料的热稳定性、热老化、热膨胀系数等信息。
热分析可以帮助确定材料失效是由于热老化、热应力或温度变化导致的。
X射线衍射分析是一种材料结构和相变分析的重要技术。
它利用X射线与材料相互作用的规律，通过观测和分析材料衍射的特征，可以确定材料的晶体结构、晶体缺陷和相变等信息。
X射线衍射分析可以帮助研究人员了解材料的结晶状态、晶格畸变和应力状态等。
对于失效材料的分析，X射线衍射可以确定材料中是否存在晶体缺陷或相变，从而推断失效机制。
扫描电子显微镜（SEM）是一种通过扫描材料表面，并利用电子束与材料相互作用产生的各种信号来观察和分析材料表面形貌和微观结构的方法。
材料失效分析讲义
材料失效分析讲义失效分析是人们认识事物本质和发展规律的逆向思维和探索，是变失效为安全的基本环节和关键，是人们深化对客观事物的认识源头和途径。
基本内容在失效分析中，通常首先将失效分类。
从技术角度可按失效机制、失效零件类型、引起失效的工艺环节等分类。
从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用过程分类。
失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的关系。
早期失效率高的原因是产品中存在不合格的部件；晚期失效率高的原因是产品部件经长期使用后进入失效期。
机械产品中的磨合、电子元器件的老化筛选等就是根据这种失效规律而制定的保证可靠性的措施。
失效按其工程含义分为暂失效和永久失效、突然失效和渐变失效，按经济观点分为正常损耗失效、本质缺陷失效、误用失效和超负荷失效。
产品的种类和状态繁多，失效的形式也千差万别。
因此对失效分析难以规定统一的模式。
失效分析可分为整机失效分析和零部件残骸失效分析，也可按产品发展阶段、失效场合、分析目的进行失效分析。
失效分析的工作程序通常分为明确要求，调查研究，分析失效机制和提出对策等阶段。
失效分析的核心是失效机制的分析和揭示。
失效机制是导致零件、元器件和材料失效的物理或化学过程。
此过程的诱发因素有内部的和外部的。
在研究失效机制时，通常先从外部诱发因素和失效表现形式入手，进而再研究较隐蔽的内在因素。
在研究批量性失效规律时，常用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式或失效部位与失效频度、失效百分比或失效经济损失之间关系的排列图或帕雷托图，以找出必须首先解决的主要失效机制、方位和部位。
任一产品或系统的构成都是有层次的，失效原因也具有层次性，如系统－单机－部件（组件）－零件（元件）－材料。
上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。
越是低层次的失效现象，就越是本质的失效原因。
故障树分析法自60年代以来迅速发展的系统可靠性分析方法,这种方法用树状图对系统进行演绎分析,从所定义的“不希望事件”开始,在给定的边界条件下,按系统失效的规律，分析到系统的硬件故障、人为差错、环境影响等。
材料断口分析(第二至四章)
§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征
1、放射状条纹
2、人字纹
3、小刻面（facet）：发亮的小晶面
解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向
强光下可见到闪闪发光的特征
解理断口是由许多小刻面组成 的，每个小刻面代表一个晶粒
二、微观形貌特征及形成机理
特征：
扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern）
2、产生的原因是什么？
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
例2：
在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
例 1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因： ①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大；
②压下量不足，晶粒破碎不够；
③终锻温度过高，发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均。
青鱼骨花样（spine pattern）
瓦纳线（wallner line）
扇形花样
解理台阶
河流花样
舌状花样
青鱼骨花样
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
3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
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
本章完
一、宏观形貌特征
失效分析复习材料
失效分析复习材料第一章1、失效：当这些零件失去了它应有功能时，那么称该零件失效失效三种情况：〔1〕零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；〔2〕零件在外部环境作用下，局部失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；〔3〕零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保平安可靠性。
2、失效分析 Failure Analysis：通常是指对失效产品为寻找失效原因与预防措施所进展一切技术活动。
就是研究失效现象特征与规律，从而找出失效模式与原因。
第二章1、失效主要形式及原因序号失效类型失效形式直接原因1 过量变形失效a. 扭曲〔如花键〕b. 拉长〔如紧固件〕c. 胀大超限〔如液压活塞缸体〕d. 上下温下蠕变〔如动力机械〕e. 弹性元件发生永久变形由于在一定载荷条件下发生过量变形，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〔如拉伸、冲击、持久等〕由于载荷或应力强度超过当时材料承载能力而引起。
环境介质引起断裂〔应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化，辐照脆化与腐蚀疲劳等〕由于环境介质、应力共同作用引起低应力脆断。
疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。
弯曲、扭转、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。
由于周期〔交变〕作用力引起低应力破坏。
3 外表损伤失效磨损：主要引起几何尺寸上变化与外表损伤〔发生在有相对运动外表〕。
主要有粘着磨损与磨粒磨损。
由于两物体接触外表在接触应力下有相对运动造成材料流失所引起一种失效形式。
腐蚀：氧化腐蚀与电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，磨蚀等。
局部腐蚀与均匀腐蚀。
环境气氛化学与电化学作用引起。
2、失效来源：设计问题;材料选择上缺点;加工制造及装配中存在问题;不合理服役条件。
3、剩余应力产生：〔1〕热处理剩余应力〔2〕焊接剩余应力〔3〕外表化学热处理引起剩余应力〔4〕电镀引起剩余应力〔5〕切削加工剩余应力〔6〕铸造剩余应力4、剩余应力影响：对静强度影响；对硬度影响；对疲劳强度响〔一般，当承受交变应力构件存在压缩剩余应力时，构件疲劳强度提高；当存在拉伸剩余应力时，构件疲劳强度下降。
材料力学性能第四章 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。
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。
材料失效分析课件第1章材料失效分析概论
1.2 失效分析的基本概念
1.2.2 失效的新定义*
√ 失效 (failure) 是产品因外观形态或微观结构发生
变化而不能达到设计规定的功能
外观 形态
截面分离 局部损伤 变形过量 表面变性
微观 结构
电子缺陷 离子缺陷 原子缺陷 线状缺陷 平面缺陷 体型缺陷 组织退化
* 杨振国. 论失效分析的本质及其内在关系. 理化检验-物理分册， 2013, 49 (S2): 1-3.（第五届全国失效分析学术会议大会特邀报告）
因此，泰坦尼克号的失效是在冰山撞击力、铆钉及船板的断裂 韧性低、航速过快等三种因素的相互作用下发生低应力脆性断裂(失 效起因)。
附录: 泰坦尼克号沉没事故的相关文献
1. Division of the History of Technology, Transportation Collections, National Museum of American History, in cooperation with the Public Inquiry Mail Service, Smithsonian Institution, "The Titanic," (Smithsonian Institution, May 1997). /resource/faq/nmah/titanic.htm
经济损失巨大！
1.1 概述
1.1.2 失效分析的意义 ● 失效分析是综合运用材料基础知识和各种表征方
法，开展事故调查、分析和研究的。通过失效分析, 可以找到失效的产生原因，从而避免同类事故的重 复发生，经济效益将是巨大的。它的作用主要有：
1. 防止同类事故的重复发生，保障社会稳定； 2. 明确事故的责任，维护用户的应有权益； 3. 吸取经验教训，提高产品质量、改善安全管理； 4. 促进材料研究的进步，为设计开发新材料、改进
材料失效分析
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。
常见断口的失效分析-2
常见材料失效形式与分析1.概述材料失效分析技术包括：感官检查、断口分析、化学成分分析、力学性能测试、组织分析、无损检测、残余应力测试、结构受力分析、使用维护分析、环境分析等。
其中断口分析是重要的一环。
材料失效形式有断裂、变形、腐蚀、磨损等。
在机械装备的各类失效中以断裂失效最主要、危害最大。
断口是断裂失效中两断裂分离面的简称。
断口真实地记录了裂纹由萌生、扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息。
对断口进行定性和定量分析，可为断裂失效模式及断裂类型的确定提供有力依据，为断裂失效原因的诊断提供线索，并且可以作为冲击试验转变温度的确定依据。
断口金相学不仅能在设备失效后进行诊断分析，还可为新产品、新装备投入使用进行预研预测。
本实验的主要内容为：观察不同载荷下失效的金属断口的宏观形貌和微观形貌，掌握其宏观形貌特征和微观形貌特征。
2.实验目的（1）了解拉伸、冲击、疲劳断口各特征区的构成及形貌特征；（2）掌握判定断口承载类型及断裂性质的方法。
3.实验装置及材料（1）扫描电子显微镜（JSM-6390A型）一台；（2）超声清洗仪（SCQ-200）一台；（3）拉伸、冲击、疲劳断口试样若干；（4）放大镜一只；（5）吹风机一只；（6）丙酮、无水酒精、导电胶带若干。
4.实验原理4.1断口形貌特征：（1）宏观形貌特征包括断口附近的残留塑性变形特征，如：缩颈量的多少、表面的凹凸程度，有无剪切唇等；断口的光泽和颜色：各区域的颜色及亮、暗程度，氧化腐蚀产物的颜色；断口的形貌特征花样：如纤维状、结晶状、发光小平面、放射线、弧形线等；特征区的位置、分布、面积；材料内部缺陷的痕迹等。
（2）微观形貌特征断口上常见的微观特征有：韧窝，特征包括微孔深度、大小，微孔形态（等轴、剪切、撕裂）等；滑移，具有滑移线、蛇形花样、涟波花样和延伸区（平直区）等特征；解理，包括台阶、河流、舌状、扇形、鱼骨状花样及瓦纳线等特征。
准解理，介于解理断裂与塑性断裂间的一种过渡断裂形式，具有解理小平面、撕裂棱、浅韧窝、涟波花样及延伸区等特征；沿晶断裂，具有岩石状、冰糖状等特征；疲劳，具有条带、二次裂纹、轮胎花样等特征；腐蚀，具有氧化物、腐蚀产物、泥纹等特征。
断裂失效分析
滑移分离的基本特征是：断面倾斜，呈45°角；断口 附近有明显的塑性变形，滑移分离是在平面应力状态 下进行的。
滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花 样、涟波花样、延伸区。
2. 滑移分离
a. 蛇形花样，多晶体材料受到较大的塑形变形产生 交滑移，导致滑移面分离，形成起伏弯曲的条纹，
三、疲劳断裂失效分析 4.低周疲劳断裂的判据 案例：
某发动机的涡轮叶片和轮盘 上多个榫齿出现了超过修理 标准的裂纹，且裂纹部位基 本上在第三齿，多数为单裂， 少数为对裂，亦有邻裂的情 况。
断口源区为穿晶滑移类解理 断裂形貌，呈多源特征，扩 展区主要为扇形解理扩展形 貌和疲劳条带特征，为起始 应力较大的以低周疲劳为主 的疲劳开裂。
最基本的特征是疲劳弧线，也称海滩花样或贝壳花样
（3） 瞬断区的宏观特征 与静载拉伸断口相近
瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质环境 介质等因素。
三、疲劳断裂失效分析
2.疲劳断裂的宏观分析
案例：
某电气控制盒固定脚焊 缝附近断裂，断口可见 疲劳弧线和源区的磨损 特征，扩展较充分，瞬 断区面积 较小，断 口具有典 型的疲劳 断裂特征。
③按断面相对位移形式分类 按两断面在断裂过程中相对运动的方向可分为： a. 张开型（I型）； b. 前后滑移型（II型）； c. 剪切性（III型）。
④按断裂方式分类 按断面所受的外力类型的不同分为正断、切断及混合 断裂三种。
2.断裂分类
⑤按断裂机制分类 可分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶及疲劳等多种断裂。
叶片槽位处裂纹断口低倍
扩展区载荷变化较大的条带特征 据源区较远处条带特征
三、疲劳断裂失效分析
5.腐蚀疲劳断裂失效分析 腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交应载荷协同、交互作用下发
材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)
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§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征：
①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成
②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展
③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不
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2、河流花样
的河流。
形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而 较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形 成河流花样。
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§4、影响韧窝形貌的因素
1、夹杂物或第二相粒子
尺寸较小，且分布密集 → 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样 尺寸较大，且分布变化不大→促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样 2、基体材料的韧性 韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅 3、试验温度 T↑、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加 4、应力状态 拉应力、切应力、撕裂应力
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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。
材料断裂理论与失效分析
材料断裂理论与失效分析作业（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。
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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
第二章
§1、概述
韧 性 断 裂
§2、韧性断裂的断口形貌特征 §3、韧窝形成机理 §4、影响韧窝形貌的因素
§1、概述
1、特点：料断裂前发生明显的塑性变形。也可 以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量塑 性变形的结果。 2、过程：显微空洞形成、扩展、连接、断裂
3、类型：
微孔聚集型
纯剪切型
§2、韧性断裂的断口形貌特征
！
4、断口形貌特征
宏观断口：结晶状形貌
冰糖块状（晶粒粗大）
灰色的石状
结晶状断口
石状断口
微观断口：多边形图象（晶粒外形轮廓） 冰糖状形貌
例1： 一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩 率均不满足要求，检验人员根据断口特征决定采用正火 处理，再检验性能全部合格。试问： 1、检验人员看到断口有何特征？
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2、河流花样
定义：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的 条纹。其形状类似地图上的河流。 形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而
较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形
成河流花样。
影响因素：
小角度晶界：倾斜晶界——影响不大，延伸至相邻晶粒
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。
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
4、加载速度
V↑，易发生解理断裂
§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 存在确定的位向关系
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
一、宏观形貌特征
纤维区、剪切唇
二、微观形貌特征 韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑） 韧窝类型：等轴韧窝 抛物线韧窝
卵形韧窝
等 轴 韧 窝
抛物线韧窝
卵型韧窝
§3、韧窝形成机理
§4、影响韧窝形貌的因素
1、夹杂物或第二相粒子
尺寸较小，且分布密集 → 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样
尺寸较大，且分布变化不大→促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样 2、基体材料的韧性
2、产生的原因是什么？
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
例2：
在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
例1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因： ①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。
②压下量不足，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再
结晶充分进行并发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均造成沿晶断裂裂纹所致。 3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征
1、放射状条纹
2、人字纹 3、小刻面（facet）：发亮的小晶面 解理断口上的结晶面 宏观上呈无规则取向
强光下可见到闪闪发光的特征
解理断口是由许多小刻面组成的，每个小刻 面代表一个晶粒
小刻面
放射条纹
人字纹
二、微观形貌特征及形成机理
特征：
扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern）
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
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面）
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
※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大
青鱼骨花样（spine pattern）
瓦纳线（wallner line）
扇形花样
河流花样
舌状花样
（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
韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅
3、试验温度 T↑、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加
4、应力状态
拉应力、切应力、撕裂应力
应力状态
第三章
§1、概述
解理断裂
§2、解理断口形貌特征及形成机理 §3、影响解理断裂的因素 §4、准解理断裂
§1、概述
1、定义 正应力、解理面、穿晶脆断 2、发生条件 一般均在bcc、hcp金属中发生，而fcc只在特殊情 况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。