材料失效分析课程思考题
材料失效分析及案例[整理]
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材料失效分析与预防及案例分析一、失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。
二、失效危害性1、失效导致机械不能正常工作，降低生产效率，降低产品质量，误工误事。
2、失效导致机械不能工作，停工停产，造成重大经济损失。
3、失效导致机毁人亡三、失效分析失效分析:判断零件失效性质、分析零件失效原因、研究零件失效的预防措施的技术工作。
四、失效分析内容1、判断失效性质：畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。
2、分析失效原因：设计、材料、加工、装配、使用、维护。
3、研究失效的预防措施：修改设计、更换材料、改进加工、合理装配、正确使用、及时维护。
五、失效分析技术金相分析技术，断口分析技术，力学性能测试技术，理化分析测试技术，晶体结构分析技术，无损检测技术，应力分析技术。
六、失效案例汽车离合器壳体开裂失效分析1、粗视分析离合器壳体由铝合金铸造而成。
一个壳体破断为两部分，一个壳体一侧的裂纹长220mm, 另一侧有一条15mm长的裂纹。
裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。
壳体侧面的内表面呈135°和90°夹角, 无明显的过渡园角。
裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向垂直。
2、现场调研离合器安装情况：离合器左边与发动机相联, 右边与变速器相联。
离合器壳体受到较大弯矩作用。
发动机工作时, 壳体受到强烈振动。
壳体下部受到瞬时大的拉应力作用, 在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。
3、立体显微镜下观察断裂面有放射状撕裂棱。
断面上有许多闪光的小点, 同时发现有园形、椭园形的空洞。
最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm×1.2mm。
这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态, 为铸造缺陷气孔。
4、显微分析观察裂纹形态及扩展方向。
裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处, 裂纹上及其附近有大大小小的气孔, 裂纹垂直于壳体边缘扩展。
金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Al-Si-Fe化合物组成。
《材料工程基础》课程教学的思考
《材料工程基础》课程教学的思考人才培养是大学的主题和根本，一流的教学应当始终围绕人才的培养目标来进行。
在新时代背景下，当前教育改革的主要目标是培养和造就一批高素质的创新人才。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》提出的“提高高等教育人才培养质量”，是对当今高校人才培养的要求与责任。
《材料工程基础》作为教育部21世纪高等本科教育教学改革项目“材料科学与工程专业人才培养方案及教学内容体系的改革研究”中的主干专业基础课程。
长期以来，一直备受材料相关专业各高校和学院的重视，他们都在着力构建与新时代材料专业人才培养方案及教学体系相适应的教学内容，并发掘出高效的教学方法。
基于此，湖南大学材料科学与工程学院的《材料工程基础》课程教学团队也一直在进行不断的探索与创新，并取得了相应的成效。
一、《材料工程基础》的课程特点《材料工程基础》是材料科学与工程相关专业本科生由基础课向专业课转变的一门重要的专业基础课程，是材料类基础课程系列中重要的先导课。
与其相对的姐妹篇课程《材料科学基础》侧重于阐述材料结构、组织与性能之间的关系，表征和发现材料的基本结构和性能属性，是一种发现规律的知识点学习;而《材料工程基础》侧重于研究材料（金属、非金属、高分子和复合材料）的合成、制备、加工与失效分析的基本方法和技术，进行材料的剪裁和设计，是一种关于技术创新的知识点学习。
因此，通过《材料工程基础》课程的学习，可以使学生对材料工程的概念和内涵有一个比较清晰的认识，对材料工程涉及的材料制备原理和传质传热原理等有一个较系统的了解。
同时，通过该课程的教学互动，将有助于进一步巩固《材料科学基础》的知识，培养学生良好的逻辑思维和正确分析、解决材料工程实际问题的能力，为学生进一步学习材料专业课程打下良好的基础。
二、《材料工程基础》的课程现状（一）课程教材内容迥异目前，全国大多数高校的材料科学与工程专业均开设了《材料工程基础》或类似名称的课程，且均作为各學院的专业基础课程或核心课程。
材料失效分析思考题
• • • • • • • 1.什么叫失效？ 2.失效有几种类型？ 3什么是变形失效？ 4.什么是断裂失效，有什么特征？ 5.失效分析的目的和意义是什么？ 6.引起失效的原因有哪些，举例说明。 7.裂纹源的宏观识别方法有那几种？
• 8.对失效件如何取样，取样时应注意什么？ • 9.光学显微镜、扫描显微镜和投射显微镜 用于观察断口分析各有什么特点？ • 10.什么是拉伸断口的三要素？ • 11.影响断口三要素的因素有哪些？ • 12.带缺口的圆试样的拉伸断口的宏观特 征是什么？ • 13.矩形试样拉伸断口的宏观特征是什么？ • 14.影响矩形试样拉伸断口的宏观特征的 因素有哪些？
பைடு நூலகம்
材料力学思考题 -回复
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材料力学思考题需要具有一定的材料力学知识和解题能力，以下是一些常见的材料力学思考题：
1. 弹性模量的测定方法有哪些，各有何特点？
2. 实际工程中，为什么会出现材料的疲劳破坏现象，如何预防和延长材料的疲劳寿命？
3. 材料的断裂韧性与应变速率有关吗？如果有关，有什么特点？
4. 塑性变形过程中，为什么细晶粒材料比粗晶粒材料更容易发生断裂？
5. 如何通过研究材料的应力应变曲线，来判断材料的力学性能和断裂机制？
6. 岩石的强度是如何影响地质工程设计和施工的？
7. 材料的蠕变行为是什么？在高温环境下，材料的蠕变性能会如何变化？
8. 材料的固溶强化和位错强化是如何增强材料的力学性能的？
9. 如何通过组织显微结构的观察，来分析材料的力学性能和断裂特点？
10. 如何通过有限元分析方法，来解决复杂结构的力学问题？
以上仅是一些常见的材料力学思考题，如果你有具体的材料力学问题或者需要更深入的讨论，可以提供更具体的问题，以便提供更准确的回答。
西安交大复试机械工程材料
沈莲主编《机械工程材料》（第2版）习题与思考题第一章 机械零件的失效分析1. 何谓失效？零件失效方式有哪些？2. 静载性能指标有哪些？并说明它们各自的含义。
3. 过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？4. 何谓韧性断裂和脆性断裂的因素的哪些？5. 何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？6. 何谓断裂韧性？如何根据材料的断裂韧度KIC、零件的工作应力σ和零件中裂纹半长度a 来判断零件是否会发生低应力脆断？7. 压力容器钢的1000s MPa s =，1/2170IC K MPa m =；铝合金的400s MPa s =，1/225IC K MPa m =。
试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸各是多少（设裂纹的几何形状因子Y =8. 说明典型疲劳断口的特征。
如何根据疲劳断口形态大致判断：1）循环应力大小；2）应力特循环周次多少；3）应力集中程度大小。
9. 疲劳抗力指标有哪些？影响疲劳抗力的因素有哪些？10.磨损失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？11.腐蚀失效类型有几种？如何防止零件的各类磨损失效？12.何谓蠕变极限和持久强度？零件在高温下的失效形式有哪些？如何防止？13.有一根轴向尺寸很大的轴，在500℃温度下工作，承受交变扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处承受摩擦力和接触应力，试分析此轴的失效形式可能有哪几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？第二章 碳钢1. 何谓过冷度?为什么结晶需要过冷度?它对结晶后晶粒大小有何影响?2. 何谓晶体、单晶体、多晶体、晶体结构、点阵、晶格、晶胞?3. 金属中常见的晶体结构类型有哪几种?α-Fe、γ-Fe、A1、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn 各属何种晶体结构?4. 何谓同素异构转变?纯铁在常压下有哪几种同素异构体?各具有何种晶体结构?5. 实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型?它们对晶体的性能有何影响?6. 固溶体和化合物有何区别?固溶体类型有哪几种? Si、N、Cr、Mn、Ni、B、V、Ti、W 与铁和碳形成何种固溶体或化合物?7. 何谓匀晶转变、共晶转变、包晶转变、共析转变、固溶体的二次析出转变?根据Fe-Fe 3C 相图写出它们的转变反应式，并说明转变产物的名称、形态及对铁碳合金力学性能的影响。
材料失效分析技术课程作业
1，试用一个典型案例说明材料失效分析与基础学科及应用学科之间的关系(不少于400宇，配图片)。
1.钢制螺钉断裂失效分析外观及断口宏观观察图1螺钉外观(a)及断口宏观形貌(b)钉身在紧靠钉头的第一道螺纹和第二道螺纹之间发生断裂，未见明显塑性变形。
断口由呈暗灰色的粗糙区和银灰色的光滑区组成，周围有环形压痕。
断口微观观察SEM低倍形貌图2失效螺钉断口低倍形貌(a)疲劳扩展区低倍形貌;(b)瞬断区低倍形貌(a)疲劳扩展区较平坦，疲劳台阶均匀起源于螺纹牙底。
(b) 瞬断区位于螺钉的另一侧，出现明显的疲劳扩展弧线。
SEM微观形貌图3失效螺钉断口SEM形貌(a)断口源区形貌;(b)疲劳扩展区微观形貌;(c)瞬断区韧窝形貌(a)断口源区裂纹起源于螺钉牙底表面，源区未见明显的材质加工缺陷。
(b)疲劳扩展区可见疲劳扩展弧线。
(c)瞬断区主要为韧窝形貌。
六边形钉头的底部环形压痕微观形貌表面较光滑平整，可见明显的挤压痕迹，表层金属因挤压而堆积的薄带。
图4环形压痕微观形貌×500金相检验图5螺钉的显微组织(a)边缘区组织;(b)心部组织螺钉的显微组织形貌见图，其边缘与心部组织表现出不同特征。
图(a)边缘处出现大量白色块状铁素体，且越靠近边缘处比例越大。
图(b)心部组织为针状回火索氏体，越靠近心部分布越均匀。
硬度测试螺钉的边缘处和心部硬度不同，表面硬度较心部低很多，不满足硬度要求。
断裂性质和原因螺钉断裂性质为疲劳断裂，螺钉表面存在脱碳层，导致疲劳强度大幅降低，同时在装配时发生倾斜，一侧存在附加拉应力，加速了疲劳失效。
通过以上案例可知，材料科学、工程力学和环境科学等基础学科的知识为失效分析奠定了理论基础；现代的检测仪器和计算机类等应用学科为材料分析奠定了技术基础。
在进行材料失效分析时，会综合运用到基础学科的知识和应用学科的技术。
2，试用二个实际的失效案例说明材料失效分析的重要意义(要求既有文字说明，又有图片说明，文字不少于800 字)案例一：钢制螺钉断裂失效分析对断裂螺钉进行外观及断口宏微观观察图6螺钉外观(a)及断口宏观形貌(b)(a)钉身在靠近钉头的螺纹根部发生断裂，且断口较平整，未见明显塑性变形。
材料力学实验思考题答案
材料力学实验思考题答案1. 引言。
材料力学实验是材料力学课程的重要组成部分，通过实验可以更直观地了解材料的性能和行为。
在实验过程中，学生需要不断思考和分析，以深化对材料力学知识的理解。
本文将针对材料力学实验中的一些思考题进行解答，希望能够帮助学生更好地掌握相关知识。
2. 实验思考题答案。
2.1 为什么在材料力学实验中常常使用金属材料？答，金属材料具有良好的可塑性和韧性，适用于各种加载条件下的实验。
同时，金属材料的力学性能稳定，易于加工和制备，因此在材料力学实验中被广泛应用。
2.2 为什么在拉伸试验中会出现颈缩现象？答，在拉伸试验中，当金属材料受到拉力作用时，由于材料内部应力分布不均匀，会出现局部应力集中的现象，导致材料发生颈缩。
这是由于材料的塑性变形导致的，属于材料的典型失效形式。
2.3 为什么在材料力学实验中需要进行应力应变曲线的测定？答，应力应变曲线是材料力学性能的重要指标，通过曲线的测定可以了解材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等性能参数。
这对于材料的选用和设计具有重要意义，因此在材料力学实验中需要进行应力应变曲线的测定。
2.4 为什么在材料力学实验中需要进行硬度测试？答，硬度是材料抵抗局部变形的能力，是材料力学性能的重要指标之一。
通过硬度测试可以快速了解材料的硬度水平，评估材料的耐磨性和耐腐蚀性能，对于材料的使用和维护具有重要意义。
2.5 为什么在材料力学实验中需要进行冲击试验？答，冲击试验可以评估材料的韧性和抗冲击性能，对于材料在受到冲击载荷时的表现具有重要意义。
通过冲击试验可以了解材料在实际工作条件下的表现，为工程设计和材料选择提供重要参考。
3. 结语。
通过对材料力学实验思考题的解答，可以更深入地了解材料力学知识的实际应用。
希望学生在实验过程中能够不断思考和分析，提高对材料力学的理解和掌握，为将来的工程实践奠定坚实的基础。
地质大学期末考试：失效分析的题目及答案参考
地质大学期末考试：失效分析的题目及答案参考第一题题目：请解释失效分析的定义和目的。
参考答案：失效分析是一种系统性的方法，用于确定物质或系统失效的原因和机制。
其目的是通过分析失效的根本原因，提供解决问题和预防失效的方法和建议。
第二题题目：列举至少三种常见的失效模式，并对其进行简要描述。
参考答案：1. 疲劳失效：由于重复加载或应力超过材料承受能力，导致材料的逐渐疲劳破裂。
2. 腐蚀失效：材料与环境中的化学物质发生反应，导致材料的腐蚀、腐蚀破坏或腐蚀疲劳。
3. 热失效：由于高温或温度变化引起的材料结构变化，导致材料性能下降或失效。
第三题题目：请简要描述失效分析的步骤。
参考答案：失效分析通常包括以下步骤：1. 收集信息：收集与失效有关的所有信息，包括失效样品、失效环境、失效前的使用条件等。
2. 观察和分析：通过对失效样品进行观察和分析，确定失效的特征、位置以及可能的失效机制。
3. 假设和验证：根据观察和分析的结果，提出可能的失效机制假设，并通过实验或测试验证这些假设。
4. 确定根本原因：根据验证结果，确定导致失效的根本原因。
5. 提出解决方案：基于根本原因，提出解决失效问题和预防失效的方案和建议。
第四题题目：失效分析中的仪器设备有哪些？请列举至少三种。
参考答案：1. 扫描电子显微镜（SEM）：用于观察失效样品的表面形貌和微观结构。
2. 能谱仪：用于分析失效样品中元素的组成和分布。
3. X射线衍射仪（XRD）：用于分析失效样品中的晶体结构和相组成。
第五题题目：请解释失效分析与故障排除之间的区别。
参考答案：失效分析是一种通过分析失效原因和机制来解决问题和预防失效的方法。
而故障排除是指通过识别和修复已经发生的故障，使系统重新正常运行。
失效分析更注重对失效根本原因的分析和预防，而故障排除更注重对具体故障的修复和恢复。
2015年材料力学性能思考题大连理工大学
一、填空：1.提供材料弹性比功的途径有二，提高材料的，或降低。
2.退火态和高温回火态的金属都有包申格效应，因此包申格效应是具有的普遍现象。
3.材料的断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段，根据断裂过程材料的宏观塑性变形过程，可以将断裂分为与；按照晶体材料断裂时裂纹扩展的途径，分为和；按照微观断裂机理分为和；按作用力的性质可分为和。
4.滞弹性是指材料在范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加的现象，滞弹性应变量与材料、有关。
5.包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量的塑性变形,而后再同向加载,规定残余伸长应力；反向加载，规定残余伸长应力的现象。
消除包申格效应的方法有和。
6.单向静拉伸时实验方法的特征是、、必须确定的。
7.过载损伤界越，过载损伤区越，说明材料的抗过载能力越强。
8. 依据磨粒受的应力大小，磨粒磨损可分为、、三类。
9．解理断口的基本微观特征为、和。
10．韧性断裂的断口一般呈杯锥状，由、和三个区域组成。
11．韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，其中又分为、和。
12.在α值的试验方法中，正应力分量较大，切应力分量较小，应力状态较硬。
一般用于塑性变形抗力与切断抗力较低的所谓塑性材料试验；在α值的试验方法中，应力状态较软，材料易产生塑性变形，适用于在单向拉伸时容易发生脆断而不能充分反映其塑性性能的所谓脆性材料；13.材料的硬度试验应力状态软性系数，在这样的应力状态下，几乎所有金属材料都能产生。
14. 硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能，大体上可以分为、和三大类；在压入法中，根据测量方式不同又分为、和。
15. 国家标准规定冲击弯曲试验用标准试样分别为试样和试样，所测得的冲击吸收功分别用、标记。
16. 根据外加压力的类型及其与裂纹扩展面的取向关系，裂纹扩展的基本方式有、和。
17. 机件的失效形式主要有、、三种。
18.低碳钢的力伸长曲线包括、、、、断裂等五个阶段。
19.内耗又称为，可用面积度量。
材料力学思考题答案
材料力学复习思考题1. 材料力学中涉及到的内力有哪些？通常用什么方法求解内力？轴力，剪力，弯矩，扭矩。
用截面法求解内力2. 什么叫构件的强度、刚度与稳定性？保证构件正常或安全工作的基本要求是什么？杆件的基本变形形式有哪些？构件抵抗破坏的能力称为强度。
构件抵抗变形的能力称为刚度。
构件保持原有平衡状态的能力称为稳定性。
基本要求是：强度要求，刚度要求，稳定性要求。
基本变形形式有：拉伸或压缩，剪切，扭转，弯曲。
3. 试说出材料力学的基本假设。
连续性假设：物质密实地充满物体所在空间，毫无空隙。
均匀性假设：物体内，各处的力学性质完全相同。
各向同性假设：组成物体的材料沿各方向的力学性质完全相同。
小变形假设：材料力学所研究的构件在载荷作用下的变形或位移,其大小远小于其原始尺寸 。
4. 什么叫原始尺寸原理？什么叫小变形？在什么情况下可以使用原始尺寸原理？可按结构的变形前的几何形状与尺寸计算支反力与内力叫原始尺寸原理。
可以认为是小到不至于影响内力分布的变形叫小变形。
绝大多数工程构件的变形都极其微小，比构件本身尺寸要小得多，以至在分析构件所受外力（写出静力平衡方程）时可以使用原始尺寸原理。
5. 轴向拉伸或压缩有什么受力特点和变形特点。
受力特点：外力的合力作用线与杆的轴线重合。
变形特点：沿轴向伸长或缩短6. 低碳钢在拉伸过程中表现为几个阶段？各有什么特点？画出低碳钢拉伸时的应力－应变曲线图，各对应什么应力极限。
弹性阶段：试样的变形完全弹性的，此阶段内的直线段材料满足胡克定律εσE =。
p σ --比例极限。
e σ—弹性极限。
屈服阶段：当应力超过b 点后，试样的荷载基本不变而变形却急剧增加，这种现象称为屈服。
s σ--屈服极限。
强化阶段：过屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力， 要使它继续变形必须增加拉力.这种现象称为材料的强化。
b σ——强度极限局部变形阶段：过e 点后，试样在某一段内的横截面面积显箸地收缩，出现 颈缩 (necking)现象，一直到试样被拉断。
(完整)材料失效分析考试重点归纳,推荐文档
1、什么是失效？最常见的失效形式有哪几种？机械构件由于组织与性能发生变化而引起不能完成指定功能时，称之为失效。
最常见的失效形式有机械力破坏、腐蚀性破坏、高温破坏。
2、什么是失效分析？失效分析有何意义？失效分析是指分析研究构件的断裂，表面损伤及变形等失效现象的特征及规律的一门技术。
意义：失效分析对改进产品设计，选材等提供依据，并防止或减少断裂事故发生；通过失效分析还可以预测可靠性；可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反馈作用。
3、材料失效分析的基本原理是什么？首先经由鉴定何物及何种情况下破坏，其次推断如何破坏，最后判定为何破坏。
4、材料失效分析基本步骤是什么？a、外观检视、勘验及调查；b、断口观察；c、断口成分分析；d、其他相关检测e、推断破坏机制；判定破坏肇因。
5、什么是断裂？什么是断口？常用断口分析方法有哪些？金属的完全破裂称为断裂。
断裂后的自然表面称为断口。
断口分析方法：断口光学显微镜分析；断口的电子显微镜分析；离子探针分析。
1.破坏成分分析有那几种？破坏成分分析有什么意义？答：a：表面分析（分析深度小于5nm）；次表面分析（分析深度小于1000nm）；本体成分分析（材料内部化学成分）。
b：意义：在断口形貌观察分析无法确定失效原因的情况下需借助破坏成分分析技术以确定材料破坏的真正机制。
其中本体成分分析是为了确定材料选用是否有误而进行的。
2. 表面成分分析仪器有哪几种？举一例说明其工作原理。
答：a：俄歇光谱器，光电子化学分析仪，二次离子质谱仪，离子散射光谱仪，激光拉曼光谱仪。
b：俄歇光谱仪（AES）利用入射电子束把原子最低层电子打出，当上层电子降下来增补此空缺时，释放的能量可再激发另一高能阶电子放出，即俄歇电子，俄想电子的动能与以上所提供能阶有关，而能阶又是各种不同元素辨识的指标，因此由能量分析可判定原来的成分元素经过标准样品校准后可作定量分析，利用外加离子溅射可同时做成分深度分析。
3.次表面成分分析仪器有哪几种？举一例说明其工作原理。
地质大学期末考试：失效分析题库与答案解读
地质大学期末考试：失效分析题库与答案解读简介这份文档旨在为地质大学期末考试的失效分析题目提供题库和答案解读。
失效分析是地质学中重要的研究方向，它涉及到材料的失效原因、机制和预防措施等内容。
本文档将提供一系列失效分析题目，以及对这些题目的答案解读，帮助学生更好地准备期末考试。
题库1. 什么是失效分析？答案解读：失效分析是一种通过对失效材料进行观察、测试和分析，以确定失效的原因和机制的方法。
它可以帮助我们了解材料的弱点，提出预防措施，提高材料的可靠性和使用寿命。
2. 失效分析的步骤有哪些？答案解读：失效分析通常包括以下步骤：- 收集失效材料，并了解失效的背景和条件。
- 对失效材料进行观察和测试，包括外观检查、化学分析、物理性能测试等。
- 根据观察和测试结果，确定失效的原因和机制。
- 提出相应的预防措施和改进建议，以避免类似失效再次发生。
3. 失效分析中常用的测试方法有哪些？答案解读：失效分析中常用的测试方法包括：- 金相显微镜观察：用于观察材料的组织结构和缺陷。
- 扫描电子显微镜（SEM）观察：用于观察材料的表面形貌和微观结构。
- X射线衍射（XRD）分析：用于确定材料的晶体结构和相组成。
- 热重分析（TGA）：用于分析材料的热稳定性和热分解特性。
- 差示扫描量热法（DSC）：用于测量材料的热性能，如熔点、玻璃化转变等。
4. 失效分析中常见的失效模式有哪些？答案解读：失效分析中常见的失效模式包括：- 疲劳失效：由于材料长时间受到交变载荷作用而导致的失效。
- 腐蚀失效：由于材料与环境中的化学物质发生反应而导致的失效。
- 断裂失效：由于材料受到过大的应力而发生断裂。
- 热失效：由于材料在高温下发生相变、热膨胀等引起的失效。
- 电子失效：由于材料内部电子结构的改变而导致的失效。
5. 失效分析的应用领域有哪些？答案解读：失效分析在许多领域都有广泛的应用，包括：- 电子元器件领域：用于分析电子元器件的失效原因和机制。
《材料失效分析》实验教案上要点上课讲义
课程教案课程名称：材料失效分析实验任课教师：刘先兰所属院（部）：机械工程学院教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期湖南工学院《材料失效分析》实验实验课程编码：学时：6适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等考核方式：一、实验课程的性质与任务帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。
二、实验项目实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）实验二零件失效的宏观分析法（2学时）实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）三、实验报告要求每个实验均应写实验报告。
按统一格式，采用统一封面和报告纸。
实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。
四、其它要求实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。
五、教材和参考资料1教材：《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.2．参考资料：[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.[4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.[5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因【1】实验的目的和要求1）目的通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。
材料分析思考题
要在观察断口形貌的同时，分析断口上粒状夹杂物的化学成分，选用什么仪器？用怎样的操作方式进行具体分析？答：（1）若观察断口形貌，用扫描电子显微镜来观察：而要分析夹杂物的化学成分，得选用能谱仪来分析其化学成分。
(2)A、用扫描电镜的断口分析观察其断口形貌：a、沿晶断口分析：靠近二次电子检测器的断裂面亮度大，背面则暗，故短裤呈冰糖块状或呈石块状。
沿晶断口属于脆性断裂，断口上午塑性变形迹象。
b、韧窝断口分析：韧窝的边缘类似尖棱，故亮度较大，韧窝底部比较平坦，图像亮度较低。
韧窝断口是一种韧性断裂断口，无论是从试样的宏观变形行为上，还是从断口的微观区域上都能看出明显的塑性变形。
韧窝断口是穿晶韧性断口。
c、解理断口分析：由于相邻晶粒的位相不一样，因此解理断裂纹从一个晶粒扩展到相邻晶粒内部时，在晶界处开始形成河流花样即解理台阶。
解理断裂是脆性断裂，是沿着某特定的晶体学晶面产生的穿晶断裂。
d、纤维增强复合材料断口分析：断口上有很多纤维拔出。
由于纤维断裂的位置不都是在基体主裂纹平面上，一些纤维与基体脱粘后断裂位置在基体中，所以断口山更大量露出的拔出纤维，同时还可看到纤维拔出后留下的孔洞。
B、用能谱仪定性分析方法进行其化学成分的分析。
定点分析: 对样品选定区进行定性分析.线分析: 测定某特定元素的直线分布. 面分析: 测定某特定元素的面分布a、定点分析方法：电子束照射分析区,波谱仪分析时,改变分光晶体和探测器位置.或用能谱仪,获取、E—I谱线,根据谱线中各峰对应的特征波长值或特征能量值,确定照射区的元素组成；b、线分析方法：将谱仪固定在要测元素的特征X射线波长值或特征能量值,使电子束沿着图像指定直线轨迹扫描.常用于测晶界、相界元素分布.常将元素分布谱与该微区组织形貌结合起来分析；c、面分析方法：将谱仪固定在要测元素的特征X射线波长值或特征能量值, 使电子束在在样品微区作光栅扫描,此时在荧光屏上便得到该元素的微区分布,含量高则亮。
材料失效分析试题与答案
1.试用一个经典的案例说明材料失效分析与基础学科及应用学科之间的关系（不少于400字，配图片）答：材料失效分析的经典案例:醇胺贫富液换热器列管腐蚀穿漏图1 测试分析用的失效管子及拉杆套管损坏部位：靠近壳程热流体进口处的管子、管程冷流体热端处的管子。
表面观察：①管内外表面均可见棕色表面覆盖层，在没有坑洞的表而用锉刀轻轻锉一下能看见银白色的金属光泽，说明均匀腐蚀轻微。
②严重腐蚀区的管子外表面分布很多凹坑，深浅不一，有些凹坑已穿透管壁厚，大多凹坑为敞口椭园截面坑洞。
③拉杆套管的腐蚀损坏比换热管更严重。
根据这个图片和实物可以通过以下方法分析材料的失效：1). 管材的化学成分测定2). 换热管的金相分析4). 腐蚀原因分析结果讨论：材料的断裂和腐蚀是材料失效中最常见的两种形式。
这两种失效在工程实际中经常会造成极大的破坏和损失。
分析和判断出材料失效的原因，同时找出有效的预防措施，防止类似的失效重复发生，是工程实际中经常遇到的难题。
材料失效分析需要应用机械、力学、物理、化学、数学、电子技术等多方面知识，需要借助现代分析测试技术，从宏观到微观，从定性到定量，从单项到综合的系统性分析。
上述图片实例也充分说明了在对材料失效分析时需要用到很多的基础学科，尤其是物理和化学。
而且在应用学科方面如现代显微测试技术等都是具有很好的代表性。
材料的失效分析离不开这些学科！要做好材料的失效分析我们就应该在实践的基础上将学科的知识和一些先进技术相结合应用！2.试用两个实际的失效案例说明材料失效分析的重要意义（要求既有文字说明，又有图片说明，文字不少于800字）答：发生在我们生活中的材料失效的案例很多，材料的失效也有很多的类型，不同的材料在不同的外界环境，使用环境和其本身的性质会使失效的形式也会不一样。
下面是两个实际的材料失效的案例：实例一：图1：曲轴及断裂部位进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂如上图曲轴及断裂部位材料的背景资料:1) 主机参数：额定功率为8820 kW，单缸功率为735kW，最高转速480r/min，常用转速400 r/min；2) 曲轴参数：材料相当于35CrMoA(中国)，轴颈φ＝400mm，质量约15t；3) 质量要求：曲轴整体锻造，调质后才可交付使用(按规定)。
第13章 材料失效分析
3、如何进行材料的失效预测？
1、以失效模式为基础的失效预测。 2、以工程力学为基础的失效预测。 3、以数理统计为基础的失效预测。 4、疲劳失效概率预测。 5、以可靠性工程为基础的失效预测。
4、如何提高材料的使用寿命？
裂纹Байду номын сангаас合诊断：裂纹源、裂纹扩展
3、痕迹诊断技术和方法： 痕迹的发现和显现：需仔细观察、去伪存真 痕迹的提取、固定、清洗、记录、保存 痕迹的鉴定：形貌、成分、结构诊断，模拟分析，综合 评价
3、失效产物的诊断技术和方法： 失效产物：主要指因腐蚀或磨损导致失效时，形成 的腐蚀产物或磨屑等
形貌诊断、成分诊断、结构诊断
抗机械疲劳设计：减少应力集中，表面处理，局 部应力应变法，损伤容限设计，概率疲劳设计 抗腐蚀疲劳设计：避免死角残留腐蚀介质，铆钉 连接处，焊接接头，轴键连接，加装扰流导板或缓冲 板，涂层保护，应用缓蚀剂，牺牲阳极保护， 抗应力腐蚀设计：减少应力集中，控制加工（钻 孔、焊接）过程应力，减少结构偏心，避免复合应力 集中。
断口微观分析：分析断裂类型和可能原因（韧窝、滑移 面、解理、微裂纹等）
断口定量分析：微区成分分析（EPMA，EDS）、结构参 数（XRD）、应力分析（X射线应力仪）
2、裂纹诊断技术和方法： 裂纹无损检测：超声探伤，X射线，工业CT 裂缝产生先后顺序诊断：确定主裂纹、主断口 裂纹形貌诊断：宏观诊断（查找裂纹源） 裂纹微观诊断：（成分、结构等） 裂纹断口分析：（成分、结构、应力）
非断裂失效：变形（弹性、塑性）、腐蚀（ 氧化、电化学），磨损（磨粒、粘着）
2、简述常用的失效诊断技术与方法。
材料力学思考题
材料力学思考题材料力学是研究材料在外力作用下的变形、破坏和失效行为的学科。
在研究材料力学时，我们常常会遇到一些思考题，通过思考和解答这些问题，我们可以更深入地理解材料力学的原理和应用。
下面是一些材料力学的思考题：1. 什么是材料的弹性模量？如何计算弹性模量？弹性模量是反映材料抵抗变形的能力的物理量，定义为材料应力与应变之间的比值。
计算弹性模量的方法有很多，常见的计算方法有拉伸和压缩试验、弯曲试验和剪切试验等方法。
2. 金属为什么会产生塑性变形？金属之所以会产生塑性变形，是因为金属晶体的滑移和位错运动导致晶体之间相对位移。
当外力作用于金属上时，晶体内部的滑移和位错运动会使原子发生相对位移，从而使金属产生塑性变形。
3. 为什么材料的应力和应变不是线性关系？在小应变范围内，材料的应力和应变呈线性关系，即服从胡克定律。
然而，在大应变范围内，材料的应力和应变不再线性关系，因为大应变条件下会发生晶体滑移、位错运动等塑性变形机制，从而导致应力和应变之间的非线性关系。
4. 什么是疲劳破坏？是什么原因导致材料发生疲劳破坏？疲劳破坏是材料在受循环应力作用下产生的断裂失效。
材料的疲劳破坏是由于循环应力引起的微观裂纹的扩展，导致裂纹逐渐扩展并最终导致材料断裂。
疲劳破坏的原因有多种，包括材料内部缺陷、应力集中、氧化、腐蚀等。
5. 为什么金属在高温下更容易失效？金属在高温下更容易发生失效，是因为高温条件下金属的晶界扩散速率增大，晶界扩散会导致金属晶粒的生长和晶界的消失，从而导致金属的力学性能下降。
此外，高温条件下金属还容易发生相变、疏松等失效现象。
以上是一些关于材料力学的思考题，通过解答这些问题，可以加深对材料力学原理和应用的理解，并且能够帮助我们更好地应用材料力学知识解决实际的材料工程问题。
《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。
材料失效分析课程思考题
材料失效分析课程思考题第一章材料失效分析概论1. 概述失效分析学科有哪些特点。
2. 失效是什么？它与事故、事件、故障有什么区别？3. 失效分析的作用和意义是什么？4. 简述失效模式、失效机理、失效缺陷和失效起因的的物理含义；举例说明它们之间的相互关系。
5. 简要说明材料失效分析涉及的“六品”、“五件”和“四化”的物理含义。
6. 一个结构件的失效分析，一般需考虑哪几个主要因素？7. 简述失效分析过程中的主要步骤及其任务。
8. 一辆自行车是由许多零部件组装而成，你认为哪些最容易发生失效，它们的失效模式是什么？9. 设想一下有没有永远不会失效的材料。
如有，请举例并从失效模式和失效机理出发叙述其理由。
第二章材料的断裂失效形式与机理1. 工程结构件的强度设计，一般选取σs或σb二者中的最小值，许用应力的安全系数是如何选取的？2. 材料的强度设计准则、刚度设计准则和变形设计准则有什么区别？试用生活'中的实例来说明它们各自的重要意义。
3. 韧性断裂和脆性断裂有什么区别？它们的断口形貌有什么不同？4. 概述强度设计和断裂设计的区别，并谈谈如何防止脆性断裂。
5. 什么叫断裂力学？ KI和KIC两者有什么关系？6. 疲劳断口有什么特征？如何确定疲劳裂纹的起裂点？7. 材料的抗断裂设计，有哪几个断裂参量可以选用？8. 哪些参数可以用来表征材料的韧性？9. 硬度测定有哪些方法？金属、陶瓷和聚合物的硬度测定方法为什么大多数不能互用？10.简述金属材料在不同失效模式下有哪些不同的失效机理。
第三章材料的腐蚀失效形式与机理1. 什么叫腐蚀？化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同？请各举一例说明。
2. 在电化学腐蚀中，金属的损失伴随的是还原反应还是氧化反应？腐蚀发生在阴极上还是阳极上？3. 概述局部腐蚀的类型？它们有哪些特征？4. 什么叫电偶腐蚀，其腐蚀机理是什么？5. 点蚀的机理是什么？哪些介质最容易引起点蚀？6. 什么条件下会发生缝隙腐蚀，它和点蚀本质上有什么区别？7. 码头的钢桩为什么在水下的腐蚀较慢，而与大气交替接触的表面，其腐蚀则会严重得多？试分析其原因。
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材料失效分析课程
思考题
第一章材料失效分析概论
1. 概述失效分析学科有哪些特点。
2. 失效是什么？它与事故、事件、故障有什么区别？
3. 失效分析的作用和意义是什么？
4. 简述失效模式、失效机理、失效缺陷和失效起因的的物理含义；举例说明它
们之间的相互关系。
5. 简要说明材料失效分析涉及的“六品”、“五件”和“四化”的物理含义。
6. 一个结构件的失效分析，一般需考虑哪几个主要因素？
7. 简述失效分析过程中的主要步骤及其任务。
8. 一辆自行车是由许多零部件组装而成，你认为哪些最容易发生失效，它们的
失效模式是什么？
9. 设想一下有没有永远不会失效的材料。
如有，请举例并从失效模式和失效机
理出发叙述其理由。
第二章材料的断裂失效形式与机理
1. 工程结构件的强度设计，一般选取σs或σb二者中的最小值，许用应力的安
全系数是如何选取的？
2. 材料的强度设计准则、刚度设计准则和变形设计准则有什么区别？试用生活'
中的实例来说明它们各自的重要意义。
3. 韧性断裂和脆性断裂有什么区别？它们的断口形貌有什么不同？
4. 概述强度设计和断裂设计的区别，并谈谈如何防止脆性断裂。
5. 什么叫断裂力学？ KI和KIC两者有什么关系？
6. 疲劳断口有什么特征？如何确定疲劳裂纹的起裂点？
7. 材料的抗断裂设计，有哪几个断裂参量可以选用？
8. 哪些参数可以用来表征材料的韧性？
9. 硬度测定有哪些方法？金属、陶瓷和聚合物的硬度测定方法为什么大多数不
能互用？
10.简述金属材料在不同失效模式下有哪些不同的失效机理。
第三章材料的腐蚀失效形式与机理
1. 什么叫腐蚀？化学腐蚀和电化学腐蚀有什么不同？请各举一例说明。
2. 在电化学腐蚀中，金属的损失伴随的是还原反应还是氧化反应？腐蚀发生在
阴极上还是阳极上？
3. 概述局部腐蚀的类型？它们有哪些特征？
4. 什么叫电偶腐蚀，其腐蚀机理是什么？
5. 点蚀的机理是什么？哪些介质最容易引起点蚀？
6. 什么条件下会发生缝隙腐蚀，它和点蚀本质上有什么区别？
7. 码头的钢桩为什么在水下的腐蚀较慢，而与大气交替接触的表面，其腐蚀则
会严重得多？试分析其原因。
8. 针对输送海水的管道，你认为选什么样的材料较合适？为什么？
9. 什么条件下会产生应力腐蚀开裂？它与晶界腐蚀有哪些不同？
10. 简述氢腐蚀有哪些类型，一般应如何预防？
11. 冲刷和冲蚀有什么区别？为什么冲蚀对材料的破坏极其快速？
12. 碱脆的机理是什么？在什么情况下会发生？应如何预防？
第四章材料的磨损失效形式与机理
1. 什么叫磨损？它和腐蚀和断裂有什么不同？
2. 磨损具有多学科交叉的特点，请概要说明它们之间的相互关系。
3. 磨损的外部条件和内部条件一般有哪些？
4. 水是好的润滑剂吗？好的润滑剂应具有什么特性？
5. 什么叫磨粒磨损？它的基本特征是什么？其失效机制有哪些？
6. 粘着磨损是什么？它与磨粒磨损有什么区别？
7. 什么样的固体材料具有最低的摩擦系数，因而它常被用作为润滑脂、润滑油
中的添加剂？
8. 什么叫冲蚀磨损？为什么冲蚀磨损一般的磨损要严重得多？
9. 微动磨损有哪些特点？试举出二个实例说明由微动磨损引起的构件失效。
10. 什么叫气蚀？它与局部腐蚀在本质上有什么不同？
11. 为什么缝纫机的针头会发热？应该使用什么材料来制造？怎样才能将温度
降低到最低？
第五章材料表征分析方法
1. 材料成分的分析方法主要有哪些？哪些方法在分析中是最常用的？
2. 观察材料的形貌，常用的方法通常有哪些？若用扫描电镜方法（SEM）观察
材料形貌时，对样品有什么基本要求？
3. 断口分析采用哪种方法最为有效？为什么金相方法一般不适合用于断口形貌
的观察？
4. 材料热性能分析方法主要有哪些？它们有各自有什么用途？塑料的玻璃化转
变温度通常用哪种方法测试最为合适？
5. 表面成分的分析主要有哪些方法？哪种方法可以测定氢成分？哪些方法可
以分析材料表面的化学状态？
7. 概述一下聚焦离子束（FIB）的基本原理及其主要用途。
8. 材料的强度性能有哪些测试方法？强度和断裂韧性本质上有什么不同？
9. 概述一下复合材料界面性能的不同测试方法。
哪种方法最为常用？
10. 如果一根撑杆跳高用的玻璃钢杆发生了断裂，你会采用哪些方法分析其失
效？为什么？
11. 什么叫有限元法？它在失效分析中有哪些作用？
第六章重大设备的失效分析
1. 概述一下核电装置RCW热交换器传热钛管失效案例的分析步骤。
你认为在该
案例分析中哪些方法应用得比较成功？
2. 在对超超临界1000MW火电机组进口循环水泵的失效分析过程中，从中应吸取
什么样的经验教训？
3. 从PTA干燥器的失效案例分析中，简述一下在管理和维护上应注意什么？
4. 化工装置常有腐蚀与磨损的交互作用工况，试从管道失效分析中谈谈应如何
选材以及用什么方法可减缓这类腐蚀的严重性？
5. 在冶炼设备的失效案例中，哪些因素可能会导致燃气轮机叶片发生过早的失
效？
6. 通过对汽车踏板开展失效分析，你认为这类复合材料构件还可能会发生哪些
失效机制？其原因可能是什么？
7. 微电子器件都要进行表面处理，从芯片电镀高速钢带的失效分析中，电镀质
量的改善一般需要控制哪些因素？
8. 印制电路板是一种层状复合材料，试从高密度互连PCB的失效分析中，概述
一下可能会有哪些失效机理？应该如何预防？。