疲劳断裂失效分析
金属材料失效分析案例PPT
04
案例四：金属材料脆性断裂 失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下 突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特 征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂 纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形， 无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低 了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如 切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生 电化学反应，导致表面氧 化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介 质的共同作用下发生脆性 断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐 蚀介质的共同作用下发生 疲劳断裂。
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案例三：金属材料热疲劳失 效
失效现象描述
金属材料表面出现裂 纹
疲劳断裂，即在交变 应力的作用下发生的 断裂
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疲劳断裂通常发生在应力集中的 部位，如缺口、裂纹或表面损伤 处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结 构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导 致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤 等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展 。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头 处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
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金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降， 容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由 于材料内部存在缺陷或应力集 中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧 性下降，容易发生脆性断裂。
材料失效分析(第五章-疲劳)
§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
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金属表面形成的挤出脊与挤入沟
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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
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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
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锯齿形断口
棘轮花样
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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
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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）
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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
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4、位错交叉滑移模型—Cottrell和Hull模型
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二、疲劳裂纹扩展模型
输电线路连接金具疲劳断裂失效探讨
输电线路连接金具疲劳断裂失效探讨摘要：连接金具是输电线路上一个重要的承载连接装置，虽然他的价格经济，构造简单，但是连接金具的安全性将直接影响输电线路的安全运行。
连接金具的疲劳断裂将会使连接线路脱落从而导致整个回路出现跳闸，影响到整个电网的安全生产。
本文主要通过作者多年的相关工作经验，讨论了影响输电线路连接安全的因素和预防金具疲劳断裂的防范措施，通过实际举例来进行有效分析。
关键词：输电线路；连接金具；断裂；探讨输电线路是电力生产和传输中的重要通道，输电线路一旦产生故障或者问题，将会影响到一定范围或者整个城区的供电安全系统，造成不可估量的后果。
因此，如何能够有效的预防输电线路产生的故障是我们电网工作人员目前研究的重要工作。
一、输电线路常见的故障分析1.1连接金具的结构分析输电线路上的连接金具一般都是相互搭配使用，产生变形的区域与相对较多：杆部与挂环处、球头和杆部等，这些连接的地方都是连接金具的薄弱地方，会降低连接金具的抗疲劳荷载。
此外，从绝缘子的连接方式考虑，球窝的连接方式也会导致输电线路连接金具在横向或者轴向偏移的角度收到影响。
当球头在帽窝中受到风荷载的作用时，球头的自由移动收到影响，此时就可能发生弯曲现象，当作用力较大时，将会给输电线路连接金具的失效带来隐患。
1.2风荷载分析一般来说，输电线路位于环境恶劣的地区，风力负荷对设备附件的影响是不可避免的。
高风力载荷可能导致连接器的连接承受侧压力，从而导致连接器配件受到的力不均匀，在挂环和球头回路测量中会导致严重的冲击和磨损，导致连接硬件不受阻碍地摆动。
当应力集中达到一定程度，在下一次作业过程中，原来的缺陷如孔和局部表面连接金属装置会在新来源条目中产生疲劳裂纹，导致疲劳失效。
例如，如果输电线路的风力在破碎当天约为7至8级，则伴随着强烈的尘埃天气。
结果，导线频繁地以强风振荡，并且摆动振幅最大超过7米，将会导致金具配件的损坏。
1.3连接金具材料分析金属的不均匀滑动通常反映在材料的表面质量上，金属材料表面也会形成连接器的疲劳裂纹。
疲劳断裂失效分析精品PPT课件
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
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。
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5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断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。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。
4.疲劳与疲劳断裂解析
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
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1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、正断疲劳失效
正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。 正断疲劳的特点是：初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。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。
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1 疲劳断裂的基本形式和特征 1.2 疲劳断裂失效的一般特征
1、疲劳断裂的突发性
疲劳断裂虽然经过疲劳裂纹的萌生、亚临界扩展、失稳扩展三个元过程， 但是由于断裂前无明显的塑性变形和其它明显征兆，所以断裂具有很强的突发性 。即使在静拉伸条件下具有大量塑性变形的塑性材料，在交变应力作用下也会显 ～ 示出宏观脆性的断裂特征。因而断裂是突然进行的。
疲劳与疲劳断裂
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绪言
金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发
பைடு நூலகம்
生断裂，这种现象称为疲劳。
疲劳断裂，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机
件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。
疲劳研究的主要目的：为防止机械和结构的疲劳失效。
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疲劳断裂引起的空难达每年100次以上
国际民航组织 (ICAO)发表的
“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查”指出： 80年代以来，由金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故， 平均每年100次。(不包括中、苏) 工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力学破坏的5090%，是机械、结构失效的最常见形式。
因此，工程技术人员必须认真考虑可能的疲劳断裂问题。
金属材料疲劳断裂机理分析
金属材料疲劳断裂机理分析一、引言金属材料常见的失效形式之一是疲劳断裂，而疲劳断裂机理的分析对于提高金属材料的使用寿命具有重要意义。
本文将对金属材料疲劳断裂机理进行详细分析。
二、金属材料的疲劳断裂1. 疲劳断裂的概念疲劳断裂是材料受到循环或重复应力作用后，出现裂纹并扩展，最终导致材料破坏的一种失效形式。
2. 疲劳断裂的特点（1）与静态断裂不同，疲劳断裂通常在应力水平低于静态破坏强度时出现。
（2）疲劳断裂往往发生在金属材料受到循环应力或者滞后循环应力的情况下。
（3）疲劳断裂是一个逐渐形成的过程，通常由细小的裂纹开始，然后扩展到整个截面并导致材料断裂。
3. 疲劳断裂的影响因素（1）应力幅值对于金属材料疲劳断裂的影响很大。
一般来说，应力幅值越大，疲劳断裂的损伤就越严重。
（2）材料的力学性质对于疲劳断裂也有很大的影响。
通常来说，强度越高的材料越难发生疲劳断裂，但是当强度相同时，材料的硬度越高，就越容易疲劳断裂。
（3）疲劳断裂还受到持续时间、温度、材料的化学成分和缺陷的影响。
4. 疲劳断裂的分类根据裂纹的扩展速率和应力比，疲劳断裂可以分为以下几类：（1）低周疲劳断裂：在循环应力下，材料的裂纹扩展速率很慢，往往需要上百万以上次循环才会导致疲劳断裂。
（2）中周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率较快，在千-十万次循环后就能导致疲劳断裂。
（3）高周疲劳断裂：循环应力下材料的裂纹扩展速率极快，在数十万-数百万次循环内就会导致疲劳断裂。
5. 疲劳断裂的机理（1）金属材料的疲劳断裂过程一般分为始裂阶段和稳定扩展阶段。
（2）始裂阶段：在材料表面出现较小的裂纹，形成的原因是在应力作用下，材料中的微小缺陷和夹杂物开始聚集和扩散。
（3）稳定扩展阶段：当裂纹扩展到一定长度时，会出现塑性形变，当扩展到一定程度时，材料就会出现断裂。
（4）材料疲劳断裂机理可以采用形变、断裂学和金相学等多方面知识进行解释。
三、疲劳断裂机理分析1. 循环应力下的金属变形材料在循环应力下，会出现塑性变形和弹性变形两种不同的变形形式。
桥梁螺栓疲劳断裂失效分析
桥梁螺栓疲劳断裂失效分析摘要：社会经济的快速发展，促使各领域的制造工艺和相关技术水平都有了极大的提升。
在提升技术的同时，企业对产品的可靠性也提出了更高的要求。
桥梁建造作为一项能够便捷人们出行的工程，其结构的稳定性和安全性对于整个工程的质量和社会效益有着极为重要的意义。
但是在实际的工程建造和维护中，不难发现，工作人员将主要的关注点放在了较大的部件上，而对于小部件，尤其是螺栓部件不重视，导致桥梁螺栓疲劳断裂失效。
因此，注重桥梁小部件的检查与维修，对桥梁螺栓疲劳断裂失效进行分析，对于社会的发展而言有着极为重要的意义。
本文基于疲劳断裂失效及断裂分析的重要性基础上，对缸盖螺栓的断裂失效原因进行分析，并提出了相应的优化措施。
关键词：桥梁螺栓；疲劳断裂；失效引言：自工业革命和改革开放以来，我国的工业得到了极大的发展，尤其是金属矿山开采、铁路建设、桥梁建造等领域，均获得了相当的进步。
在桥梁建造上，因为技术和工艺的革新，整体的建造水平呈现出向上的态势，但是在发展的同时，还存在着许多需要格外关注的问题。
如桥梁的疲劳断裂失效行为。
造成桥梁疲劳断裂的原因多种多样，最容易忽视的是螺栓疲劳断裂失效。
细节决定成败，即使对大部件进行完善的检查和维护，但是忽视小部件就会造成不可想象的后果。
一旦桥梁发生坍塌，不仅会造成极大的经济损失，还会严重威胁人们的生命安全。
因此，要想保证桥梁整体的安全性和稳定性，达到一个更高的运行质量，必须关注桥梁螺栓疲劳断裂情况，做好合适的检查和维修工作，作出合理的预防措施，从而有效减少事故的发生。
随着人们越来越高的，对产品的可靠性要求，疲劳断裂失效问题逐渐成为了各企业所关注的重点。
一、疲劳断裂失效及进行断裂分析的重要性疲劳断裂主要指的是因为在某个部位应力集中，或者是强度较低的部位出现裂纹，裂纹随后放大延展导致的断裂。
简单来说，疲劳断裂就是超出了材料的疲劳极限。
断裂一般可以分为两种类型，即延性断裂和脆性断裂。
U型螺栓疲劳断裂分析
问题描述：
8月31日反馈断裂
断口
9月9日反馈断裂
断口
断口状态：
8月31日反馈的断口状态
9月9日反馈的断口状态
断口分析：
Hale Waihona Puke 根据断裂力学的相关文献记载，疲劳破坏的断 口与一般脆性破坏的断口不同，一般脆性破坏的断 口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而 疲劳破坏的主要断口特征是放射性和年 轮状花纹。
空间太小，存 在摩擦磕碰
零件多处产生摩 擦磕碰腐蚀点
U型螺栓疲劳失效产生分析：
装配 结构
受力面重心偏 移后的压痕
受受力力面面重偏心移偏 移两后边的不压对痕称
最终结论：
根据我公司对故障件进行常规检测后，其材质、性能、硬度、金相组 织均能符合设计要求。（详见附件：检测记录照片）
最终我们根据贵公司所寄故障件的断口失效形态，以及贵公司所传递 的现场装配部位照片，最后结合相关文献分析后发现如下几点问题：
容许应力幅模拟计算：
例如：已知钢筋受轴心拉力，截面为φ14，材料40Cr，硬度27-32HRC，性能等级 9.8级，抗拉强度≥900Mpa=138KN，保证应力≥650Mpa=100KN 。 1、假设，材料承受重复负载，循环次数为 n=106 次。 2、假设，材料质量等级一级，计算疲劳时属于第3类。 【解】由表2.1，查得C=3.26×1012 ， β=3
杠杆 重心
应力集中点
2、假设，应力集中点内侧受空间及外部因 轴
素因素产生磕碰或腐蚀，此时将给疲劳源
向 拉
区的生成创造条件；
力
U型螺栓
受力面 磕碰腐蚀点
145mm
3、当受力面重心偏移，应力点产生磕碰腐 蚀，此时容许应力幅将大幅度下降，造成 设计应力幅的疲劳强度无法满足要求。
疲劳断裂失效分析与表面强化预防
１ ．结构材料的疲劳失效特征
疲劳失效是材料在循环载荷作用 下发生 的损伤和破 坏过程 。一般而言疲劳断裂包 括裂纹 的萌 生 、裂纹 的扩
展和最终 的断裂三个过程 ，因此疲 劳断 口上有 三个相对
对疲劳断裂失效而 言，应该将疲 劳裂纹 的萌生 与疲 劳裂纹的扩展 （ 包括疲 劳小裂纹和长裂纹的扩展） 结合 起来 ，综合考 虑 疲 劳 裂 纹 的 “ ” 与 “ ” 的 过程 ， 裂 断
参磊 工热 工 加
维普资讯
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』 垫丝墨
特征 ：
其 一， 劳裂纹源多位 于应 刀痕 、压 痕 、擦 伤 、锻 造 皱 皮 、折 ｌ 叠 、疏松 、空洞 以及组织 中的晶界与孪 品界 、熔渣 、夹 杂物 、白点 、第二相粒子 、滑移集 中带 和形 变集 中带 等 部位都易于萌生疲劳裂纹 。 其二 ，疲劳裂纹扩展时 ，在延展性 好 的材料上易 产 生疲劳条带 ，在 脆性材料上多产生银纹或剪切带。 其三 ，对于疲 劳断裂 的瞬 断区 ，延展性好 的材料 多 以韧窝形态发生切 断 ，在脆性材料 上多产生结 晶特征 的
（ ）疲劳失效为低应力长时间无 明显 塑性 变形 的宏 １
观脆性断裂。
（ ）疲劳失效是 由材料局部的组 织不 断发生损伤变 ２
化并且逐 渐 累积而 成 ，疲 劳总 是从 最 薄弱 的 区域 开始
（ 图 １。 见 ）
强调了裂纹的萌生 和扩展两个 阶段 。一 个零件要 “ 裂” 必须有裂纹 的产生并使裂纹长大 ， 要想 “ 断” 必须是零
匀性 ，决定了疲 劳失效具有随机性 。
章， 对存在一定尺寸的裂纹或缺陷，通过分析剩余寿命
／ 剩余强度来计 算构 件 的安 全 ，一方 面可充 分发 挥材 料
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
降低
材料强度
增加
升高
材料塑性
增加
降低
温度
升高
降低
腐蚀介质
强
降低
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4、疲劳断裂对材料缺陷的敏感性
• 金属的疲劳失较具有对材料的各种缺陷均 为敏感的特点。因为疲劳断裂总是起源于 微裂纹处。这些微裂纹有的是材料本身的 冶金缺陷，有的是加工制造过程中留下的， 有的则是使用过程中产生的。
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5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观特征
1.金属疲劳断口宏观形貌
• 由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因 而形成了疲劳断裂特有的断口形貌，这是 疲劳断裂分析时的根本依据。
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图5-1 疲劳断口示意图
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• 典型的疲劳断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。一般疲劳断口在宏观上也可粗略 地分为疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时 断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲 劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程 构件的疲劳断裂断口上一般可观察到三个 区域，因此这一划分更有实际意义。
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图5-10 锯齿状断口形成过程示意图
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图5-11 锯齿状断口
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5.2.3 疲劳断口的微观形貌特征
• 疲劳断口微观形貌的基本特征是在电子显 微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳 条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。疲劳辉纹 是具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、 明暗相交且互相平行的条状花样 。
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机械结构的失效模式与原因分析
机械结构的失效模式与原因分析导言机械结构在工程领域起着重要的作用，其可靠性直接关系到设备的使用寿命和安全性。
然而，随着机械结构的长期使用和外界环境的变化，失效问题也不可避免地出现。
本文将探讨机械结构的失效模式和其潜在的原因，为工程师和设计者提供有益的信息和指导。
一、疲劳失效疲劳失效是机械结构最常见的失效模式之一。
在长期的工作过程中，机械结构会不断地受到振动和应力的作用，导致材料的微观变形和疲劳破坏。
这种破坏方式通常是逐渐发展，不易察觉，直到最终发生失效。
疲劳失效的原因可以归结为两个方面：一是结构设计的不合理，包括应力集中、材料选择不当等；二是运行工况的变化以及外界环境的影响，如温度、湿度、腐蚀等因素。
为了避免疲劳失效，设计者应该合理选择材料和结构形式，减少应力集中，加入过载或阻尼装置等。
此外，定期进行结构检测和维护工作也是必不可少的。
二、磨损和腐蚀失效除了疲劳失效之外，磨损和腐蚀失效也是机械结构常见的失效模式。
磨损失效是指机械零件在摩擦和磨削作用下逐渐丧失其原有形状和尺寸的现象。
而腐蚀失效则是机械零件因为受到化学物质或者电化学作用而逐渐腐蚀和破坏。
磨损失效的原因主要是由于工作面之间的相对运动产生的摩擦力和应力，这些力和应力会逐渐磨损机械零件表面，导致失效。
而腐蚀失效则是由于工作环境中存在的腐蚀介质，如酸、碱、盐等，侵蚀了机械零件的表面，导致破坏。
为了防止磨损和腐蚀失效，设计者可以采用耐磨涂层、选择抗腐蚀材料等方法。
此外，定期进行机械零件的维护和润滑也能够有效延长结构的使用寿命。
三、断裂失效断裂失效是机械结构最严重的一种失效模式，其通常由于结构的强度不足或者材料的质量问题导致。
在受到剧烈的负荷作用下，机械结构会发生脆性断裂或韧性断裂。
脆性断裂是指材料在受到应力集中和高应力的情况下，发生不可逆的、迅速的、无伸长的断裂。
这种断裂方式通常是突然发生的，极易引起严重的事故。
而韧性断裂则是材料在受到高应力情况下，发生可逆的、有塑性伸长的断裂。
金属疲劳断裂与失效分析
辉纹类型
• 塑性辉纹
• 连续、一个方向弯曲 • 真空→不明显
• 脆性辉纹
• 裂纹沿解理平面扩展，尖端塑性变形很小。 • 辉纹+河流花样（与扩展方向一致）。 • 脆性材料或高强度塑性材料（腐蚀环境下）→容易出现。 • Fcc不发生解理→不出现脆性疲劳辉纹。
（2）轮胎花样
• 疲劳裂纹形成后→压应力作用→ 凸出硬质点（切变位移）→擦痕 • 压缩载荷→ 出现 • 与辉纹平行，不是疲劳本身形貌 • 低周疲劳容易出现。 • 压应力过大或过小→不出现
4、接触疲劳（磨损疲劳）
• 产生：循环接触压应力→局部剥落（滚动轴承、齿轮、车轮） • 特征
• 表面、次表面麻点；剥落 • 源区→疲劳台阶 • 辉纹因摩擦断续、不清楚 • 介于疲劳于磨损之间的破坏方式
• 影响因素 表面、夹杂、应力集中、润滑、载荷……
轴承滚道表面剥落
二、腐蚀疲劳
1、工作条件：腐蚀环境+交 变载荷
这种方式 • 低强度高塑性材料→大应力幅、加载速度快以此种方式 • 薄壁件→以此种方式
2、正断疲劳
• 正应力致断，初始裂纹与应力轴垂直
• 裂纹尖端→平面应变状态、 • 应力集中严重的面→出现
• 通常BCC材料裂纹扩展中、后期出现 • 高强度、低塑性、粗截面、小应力幅、低速加载、腐蚀环境、低
温→容易出现
塑性变形→韧窝 • 高强度钢、厚度大、脆性材料+应
力高
高应力作用（低周或高周瞬断区）的 韧窝+辉纹
判定
• 宏观与微观结合 • 工作状态 • 材料不同→特征有差异
源区
瞬断 区
失效分析案例
• 例：模锻机锤杆， 40Cr钢经调质，使用 一个月断裂
• 服役条件：工作时， 承受大压－小拉，但 并不绝对垂直，存在 附加的弯曲应力。
弹簧疲劳断裂或失效的原因分析
弹簧疲劳断裂或失效的原因分析一、分解弹簧永久变形及其影响因素弹簧的永久变形是弹簧失效的主要原因之一,弹簧的永久变形，会使弹簧的变形或负荷超出公差范围，而影响机器设备的正常工作。
检查弹簧永久变形的方法:1、快速高温强压处理检查弹簧永久变形。
是把弹簧压缩到一定高度或全部并紧，然后放在开水中或温箱保持10～60分钟，再拿出来卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。
2、长时间的室温强压处理检查弹簧永久变形：是在室温下，将弹簧压缩或压并若干天，然后卸载，检查其自由高度和给定工作高度下的工作载荷。
二、弹簧断裂及其影响因素弹簧的断裂破坏也是弹簧的主要失效形式之一，弹簧断裂形式可分为；疲劳断裂，环境破坏（氢脆或应力腐蚀断裂）及过载断裂。
1、弹簧的疲劳断裂：弹簧的疲劳断裂属于设计错误，材料缺陷，制造不当及工作环境恶劣等因素。
疲劳裂纹往往起源于弹簧的高应力区，如拉伸弹簧的钩环、压缩弹簧的内表面、压缩弹簧（两端面加工的压缩弹簧）的两端面。
受力状态对疲劳寿命的影响（a）恒定载荷状态下工作的弹簧比恒定位移条件下工作的弹簧，其疲劳寿命短得多。
（b）受单向载荷的弹簧比受双向载荷的弹簧的疲劳寿命要长得多。
（c）载荷振幅较大的弹簧比载荷振幅较少的弹簧的疲劳寿命要短得多。
2、腐蚀疲劳和摩擦疲劳腐蚀疲劳：在腐蚀条件下，弹簧材料的疲劳强度显著降低，弹簧的疲劳寿命也大大缩短。
摩擦疲劳：由于摩擦磨损产生细微的裂纹而导致破坏的现象叫摩擦疲劳。
3、弹簧过载断裂弹簧的外加载荷超过弹簧危险截面所有承受的极限应力时，弹簧将发生断裂，这种断裂称为过载断裂。
过载断裂的形式：(a)强裂弯曲引起的断裂;(b)冲击载荷引起的断裂;(c)偏心载荷引起的断裂三、后处理的缺陷原因及防止措施缺陷一：脱碳对弹簧性能影响：疲劳寿命低缺陷产生原因：1、空气炉加热淬火未保护气2、盐浴脱氧不彻底防止措施：1、空气炉加热淬火应通保护气或滴有机溶液保护：盐浴炉加热时，盐浴应脱氧，杂质BAO质量分数小于0.2％。
紧固件疲劳失效分析与预防
紧固件疲劳失效分析与预防紧固件在工程领域起着关键的作用，它们用于将零部件固定在一起，确保工程结构物的安全和稳定。
然而，紧固件的疲劳失效可能会给工程带来严重的后果。
因此，疲劳失效分析和预防是非常重要的。
疲劳失效是指由于重复或循环加载而引起的材料或结构的失效。
在紧固件中，疲劳失效通常发生在受到循环加载的位置，例如螺纹部分或接触相对面。
这种循环加载可能是由于振动、震动或重复的力量作用引起的。
疲劳失效会导致紧固件的拉伸、剪切或变形能力下降，最终引发断裂。
为了进行紧固件的疲劳失效分析和预防，首先需要对材料的疲劳性能有所了解。
材料的疲劳性能通常由疲劳强度和寿命曲线来描述。
疲劳强度是指材料在一定循环加载下的耐久性能。
寿命曲线则是描述材料的疲劳强度随循环次数的降低情况。
这些参数可以通过实验和数学建模进行评估。
在进行疲劳失效分析时，还需要考虑紧固件所受到的外部加载条件。
这些加载条件可以包括振动频率、力大小和加载方式等。
同时，紧固件的受力状态和加载方向也会对疲劳失效起着重要影响。
因此，了解工程结构中紧固件所处的环境和加载条件是至关重要的。
在实际应用中，除了疲劳失效分析外，预防措施也是非常重要的。
可以采取的一些预防措施包括：1.使用高强度材料：选择具有更高疲劳强度的材料，可以提高紧固件的耐久性能。
2.合理设计和安装：确保紧固件的设计合理，避免过度紧固或松动等问题。
正确的安装方法也是防止疲劳失效的重要因素。
3.定期维护和检查：对紧固件进行定期维护和检查，及时发现和修复可能存在的问题。
4.使用防腐蚀涂层：为紧固件提供防腐蚀涂层，可以延长紧固件的使用寿命，减少疲劳失效的风险。
总的来说，紧固件的疲劳失效分析和预防是确保工程结构安全运行的重要环节。
通过了解材料的疲劳性能、分析加载条件和采取预防措施，可以减少疲劳失效的风险，提高紧固件的使用寿命和可靠性。
工程师们应该密切关注紧固件的性能和状态，以确保工程结构的安全性和稳定性。
只有通过不断改进和完善疲劳失效分析和预防措施，才能在工程项目中避免可能导致严重后果的紧固件失效。
断裂失效分析
第一章 断裂失效分析
在机电装备的各类失效中以断裂失效最主要，危害最大。 断裂失效的分析与预防已发展为一门独立的边缘学科。 目前对断裂行为的研究有两种不同的方法： 一种是断裂力学的方法，它是根据弹性力学及弹塑性理论，并 考虑材料内部存在有缺陷而建立起来的一种研究断裂行为的方法。 另一种是金属物理的方法，从材料的显微组织、微观缺陷、甚 至分子和原子的尺度上研究断裂行为的方法。 而断裂失效分析则是从断口的宏观、微观特征入手，研究断裂 过程和形貌特征与材料性能、显微组织、零件受力状态及环境条 件之间的关系，从而揭示断裂失效的原因。它在断裂力学方法和 金属物理方法之间架起联系的桥梁。
失效分析培训
陶春虎
中国航空工业集团公司失效分析中心 北京市81信箱4分箱，100095
引言
• 在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大。因此，
国内外对断裂失效进行了大量的分析研究。断裂失效分析是从裂纹 和断口的宏观、微观特征入手，研究断裂过程和形貌特征与材料性 能、显微组织、零件受力状态及环境条件之间的关系，从而揭示断 裂失效的原因和规律。 • 环境介质作用下的失效是相当广泛的概念。“环境”是指机电产 品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。金属构件或整个机械 产品的环境失效的主要模式是我们常讲的腐蚀，当然包括“环境” 与应力共同作用下的破坏—如应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳及液态金 属致脆等。 • 断口的定量分析主要指对断口表面的成分、结构和形貌特征等方 面进行定量参数的测试、描述和表征。通过对疲劳断口定量分析可 得出构件在实际工作中的疲劳裂纹扩展速率，从而能合理地对零部 件进行疲劳寿命估算、可确定构件形成裂纹的时间、评价其制造质 量、估算疲劳应力等。
2.疲劳断裂的宏观分析
典型的疲劳断口按照断裂过程的先后有三个明显的特征区， 即疲劳源区、扩展区和瞬断区
化工设备失效分析
一、疲劳裂纹扩展旳第I阶段
本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿 命旳百分比却不低。因为裂纹扩展和速率很低， 有时仅为循环n×10－1nm，故在这部分断口上 一般都看不出任何扩展旳特征形貌。
第I阶段旳扩展机理，主要是与滑移有关，裂 纹旳转向是损伤机理和断裂机理变化之体现。在 扩展旳第I阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损 伤而促成剪切断裂。当裂纹进一步后，裂尖旳塑 性区中，易发生形变旳方向旳分布性滑移起保护 作用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移 旳面上，故转向正断。
这里旳α是由零件或试样形状、裂纹形态及位置 （穿透型、表面型或埋藏型等）决定旳参数。
实际上Paris公式是
da dN
＝f（△k）扩展速率曲线旳中段
旳近似描述，然而是很有用旳一段。 da ＝f（△k）旳
关系曲线是由试验成果总结出来旳，d如N 图6－58所示。
由图可知疲劳扩展情况能够分为几种区段。
当△k＜△kth时， ddNa→0，△kth叫做疲
于前面旳NO。
门坎值△kth之大小及近△kth区旳扩展速率，受 K平均值（或应力比R）、显微组织、晶粒大小影响
较明显，尤其是环境旳影响十分明显。
曲线旳B段，在对数坐标图上为直线，Paris公式
是近似描述这一段旳情形。这相当于疲劳扩展第II
阶段中出现疲劳辉纹旳一段，产生旳断口属扩展区，
这一段研究得较多，以疲劳辉纹为特征。对数坐标
显然，贝纹线也反应瞬时 旳裂纹前沿和裂纹扩展旳 方向，因而也就间接地反 应出裂纹源旳位置，载荷 性质（拉、扭、弯）应力 水平、应力集中旳情况。 图6－42显示由六个疲劳 源出发旳贝纹。多疲劳源 往往是因为零件形状造成 多种应力集中或因为应力 水平高所致。
第六章 疲劳断裂失效分析思绪
材料失效分析范文
材料失效分析范文材料失效分析是指对材料在使用过程中遭受失效的原因进行系统的分析和研究。
材料失效可能会带来安全隐患、物质损失以及环境污染等问题。
因此，进行材料失效分析对于材料的开发、设计、制造和使用具有重要的意义。
下面将从失效形式和原因两个方面进行材料失效分析的介绍。
一、失效形式在材料失效分析中，我们首先需要关注材料失效的形式。
常见的材料失效形式包括以下几种：1.疲劳失效：材料在长期的受力状态下出现裂纹，并最终导致断裂。
疲劳失效主要发生在循环加载的材料中，如金属材料和复合材料。
2.腐蚀失效：材料与介质发生化学反应引起的失效。
腐蚀失效主要包括普通腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。
3.磨损失效：是指材料表面由于摩擦、冲蚀或研磨等作用而逐渐损耗，最终导致功能丧失。
4.弹性失效：材料在长期受力状态下出现塑性变形，超过其弹性极限并导致失效。
5.热失效：材料在高温环境下发生相变、膨胀或氧化等物理和化学变化，导致失效。
二、失效原因材料失效的原因主要包括以下几个方面：1.设计不合理：材料的失效可能是由于设计上的问题引起的。
例如，材料在设计时未能考虑到受力状态、环境因素或负荷变化等情况。
2.质量问题：材料的质量问题也是导致失效的主要因素之一、例如，材料制造过程中存在工艺不合理、材料本身存在缺陷或杂质等问题。
3.介质环境：材料失效可能与工作介质的性质和环境有关。
例如，介质的腐蚀性、温度、湿度等因素可能引发材料的腐蚀或热失效。
4.使用条件：材料的使用条件也是导致失效的一个关键因素。
例如，材料受到过大的负荷、频繁的振动或温度变化等情况可能导致失效。
5.维护不当：材料在使用过程中的维护不当可能导致失效。
例如，材料的拆卸、安装、维修或保养不规范可能造成材料的损伤或失效。
三、失效分析方法对于材料失效的分析，我们可以采用以下的步骤和方法：1.收集失效样品：通过现场调查和样品采集等方式，获得失效的材料样品。
2.失效分析：利用显微镜、扫描电镜等仪器对失效样品进行观察和分析，发现失效的表面形貌、组织结构等信息。
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1 5.1疲劳断裂失效的基本形式和特征 5.2疲劳断口形貌及其特征
5.3疲劳断裂失效类型与鉴别 5.4疲劳断裂失效的原因与预防
第5章疲劳断裂失效分析
2Î按应力循环次数
当Nf＞105时为低应力高周疲劳（通常所指） 当Nf＜10
4时为高应力低周疲劳Î按服役的温度及介质条件
机械疲劳、高温疲劳、低温疲劳 冷热疲劳、腐蚀疲劳Î基本形式
切断疲劳：面心立方在单向压缩、拉伸及扭转条件下多以切断形式破坏
正断疲劳：大多数的金属构件的疲劳失效都是以此形式进行的，特别是体心立方金属
3
Î疲劳断裂的突发性Î疲劳断裂应力很低
Î疲劳断裂是一个损伤积累的过程Î疲劳断裂对材料缺陷的敏感性Î疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
4
典型的疲劳断口一般有三个区,即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。
疲劳断口的宏观特征与静载破坏的脆性断口相似，无明显的宏观塑性变形。
5
Ø疲劳核心是疲劳破坏的起点，它总是位于零件强度最低或应力最高的地方。
Ø零件承受弯曲、扭转疲劳负荷时，最大应力区是在零件的表面。
Ø零件表面的加工刀痕、凹槽、尖角、台肩等处由于应力集中往往成为疲劳源。
Ø如果零件内部存在缺陷，如脆性夹杂物、白点、空洞、化学成分的偏析等，则可能在零件内部产生疲劳源。
1、疲劳核心(或称疲劳源)
6
Ù疲劳源的数目可以不止一个，在名义应力较高或是应力集中较为严重时，在高应力区域就可能产生几个疲劳源。
Ù疲劳源的位置用肉眼或低倍放大镜就能判断，一般在疲劳区中磨得最光亮的地方。
Ù在断口表面同时存在几个疲劳源的情况下，可按疲劳线的密度来确定疲劳源产生的次序，疲劳线的密度越大，表示起源的时间越早。
7
疲劳断口上最重要的特征区域
该区域上常有疲劳断裂独特的宏观标志，如贝纹状、蛤壳状、海滩波纹等。
贝纹线以疲劳源为中心，向四周推进呈弧形线条，垂直于
裂纹扩展方向。
对于光滑试样，疲劳弧线的圆心一般指向疲劳源区。
扩展到一定程度时，也可能出现疲劳弧线的转向现象
当试样表面有尖锐缺口时，疲劳弧线的圆心指向疲劳源区的相反方向。
在低周疲劳断口上一般也不常能观察到贝壳状条纹线。
8
$疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断,它的特征与
静拉伸断口中快速破坏的放射区及剪切唇相同,但有时仅出现剪切唇而无放射区。
$对于非常脆的材料,此区为结晶状断口，即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。
9
10
6与静载拉伸断裂时不同，拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部。
缺口试样由于缺口根部有应力集中故靠近表面裂纹扩展快，结果形成波浪形的疲劳弧线。
高应力导致疲劳稳定扩展区较小，而最终断裂区所占比例较大。
6旋转弯曲的疲劳源区一般出现在表面，但无固定地点，疲劳源可
以为多个。
疲劳源区和最后断裂区相对位置一般总是相对于轴的旋转方向而逆转一个角度。
而高应力集中时，最终撕裂面移向中心，呈现棘轮花样。
交变扭转载荷也出现这种花样
6双向弯曲的疲劳源区可能在零件的两侧表面，最后断裂区在截面内部。
在高名义应力下，光滑的和有缺口的零件瞬断区的面积都大于扩展区，且位于中心部位，形状似腰鼓形。
随着载荷和应力程度的提高，瞬断区的形状逐渐变形成为椭圆形。
在低名义应力下，两个疲劳核心并非同时产生，扩展速度也不一样，所以断口上的疲劳断裂区一般不完全对称，瞬断区偏离中心位置。
11
Ð第一阶段为切向扩展阶段。
在交变应力作用下，使滑移形成的裂纹源扩展形成可观察的裂纹，裂纹尖端将沿着与拉伸轴呈45°角方向的滑移面扩展。
该阶段中裂纹扩展范围较
小，一般在2~5个晶粒之内。
Ð第二阶段为正向扩展阶段。
裂纹从原来与拉伸轴呈45 °的滑移面，发展到与拉伸轴呈90 °，该阶段的断口具有引人注目的独特形态－疲劳辉纹。
Ð第三阶段是由于裂纹扩展到一定长度后，使构件的有效截面减少而造成的一次性快速断裂，断口特征常为韧窝型撕裂。
12疲劳辉纹的一般特点
（1）疲劳裂纹是一系列基本上相平行的条纹，略带弯曲呈波浪形，并与裂纹局部扩展方向相垂直，其凸弧面指向裂纹扩展方向。
（2）在疲劳裂纹稳定扩展阶段，所形成的每一条辉纹相当于一次载荷循环。
辉纹确定了裂纹前沿线在前进时的位置。
（3）疲劳辉纹的间距随应力场强度因子而变化，应力越大，间距越宽；反之应力越小，则间距越窄。
（4）疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不一的小断块组成，每一小断块上的疲劳辉纹连续且平行，而相邻小断块上的疲劳辉纹不一定连续和平行。
（5）断口的两匹配面上的辉纹基本对应。
13
一般来说，面心立方晶格金属如铝合金、奥氏体钢的辉纹较清晰明显，体心立方晶格金属及密排六方晶格金属的辉纹远不如前者明显；如普通钢的疲劳辉纹短而不连
续，轮廓也不明显。
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（1）一般情况下，形成疲劳裂纹的循环周次至少有1000以上，若周次很低，其断口上观察不到辉纹
（2）疲劳裂纹前端必须处于张开型平面应变状态，所以只有当疲劳断口与疲劳载荷张应力相垂直时（即正断型），才能观察到疲劳辉纹。
（3）有时因为疲劳辉纹间距太小，以至于使用扫描电镜观察不到，即使用二级复型技术在透射电镜中也不能分辨这些稠密的细条纹，但实际上是存在的。
据有关研究报导，辉纹的间距可以小到20nm左右。
15（4）材料性质对辉纹的影响很复杂。
成分、显微组织以及机械性能等都将会对辉纹产生很大的影响。
¾韧性材料形成辉纹较容易，脆性材料较难。
对
合金钢来说，材料的K IC （断裂韧度）越高，辉纹越容易形成。
¾晶体结构对辉纹形成有很大影响，面心立方晶格金属比体心立方晶格金属要明显得多，其原因可能是体心立方金属层错能高，易于交叉滑移，
不利于形成辉纹。
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大多数疲劳辉纹是属于韧性辉纹。
脆性辉纹只有在特殊条件下形成，通常在腐蚀性环境中形成的腐蚀疲劳断口，其上的辉纹为脆性辉纹。
疲劳辉纹呈脆性疲劳辉纹，微观形貌好象把解理和疲劳两种特征结合在一起，疲劳辉纹与脆性解理河流花
样相垂直。
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Î低周疲劳断口比高周疲劳断口的研究要少得多。
通常情况
下，低周疲劳断口上的辉纹要粗些，间距要宽些。
Î在许多金属和合金中，特别是超高强度钢和低强度材料中，可能不形成辉纹，而出现准解理或韧窝型断裂，主要是由于低周疲劳断裂所受的应力较大。
Î在低周疲劳断口上还常看到一种称为轮胎压痕的形貌，这种压痕虽不是疲劳辉纹，但它们是疲劳断口的可靠标志。
Î低周疲劳应力较复杂，断口形貌也较复杂。
如HFT60，当疲劳寿命Nf＜90时，断口均为韧窝；当Nf>300时，出现轮胎压
痕；只有Nf＞1000时，才出现疲劳辉纹。
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（1）腐蚀疲劳不需要特定的腐蚀系统
（2）任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳
（3）材料的腐蚀疲劳不存在疲劳极限
（4）由于腐蚀介质的影响，使疲劳曲线明显地向低
值方向推移，即疲劳强度显著降低
（5）温度升高，介质浓度越高，裂纹扩展速率越大21
（1）脆性断裂，断口附近无塑变
（2）微观断口可见疲劳辉纹，但模糊不清
（3）属于多源疲劳，源自表面缺陷或腐蚀坑底部，
裂纹的走向可以是穿晶的，也可能是沿晶型的
（4）断口上的腐蚀产物与环境中的腐蚀介质相致
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（1）典型的表面疲劳裂纹呈龟裂状，根据热应力方向，也形
成近似相互平等的多裂纹状态。
（2）热疲劳断口由于受高温环境的影响，断口表面复盖一层
较厚的氧化层，有时虽然在宏观上已判断为热疲劳断裂，但
微观上却无法看到辉纹，只能看到氧化皮特征。
（3）裂纹走向可以是沿晶，也可以是穿晶的，一般裂纹端较
尖锐，裂纹内有或充满氧化物。
（4）由于热蚀作用，微观断口上的疲劳辉纹粗大，有时尚有
韧窝花样。
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（1）接触疲劳多数情况下发生在高强度钢及超高强
度钢中，如轴承滚道表面的接触疲劳剥落，故难以
形成辉纹，因而在微观断口形貌上也难以找到辉纹
特征，却以准解理特征为主。
（2）典型宏观形貌：接触面上的麻点、凹坑和局部
剥落
（3）影响接触疲劳的主要因素有：应力条件、材料
的成分，组织结构，冶金质量，力学性能等
材料表面在较高的接触应力作用下，经过多次
应力循环，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，导致构件失效
的现象。
主要产生于滚动接触的机器零件，如
滚动轴承、齿轮、车轮等的表面
24。