材料失效分析复习大纲

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。

7、失效的影响因素：材料选用不适、结构设计欠妥、制造质量一般、安装方式不当、检测方法常规、组织性能劣化、维护过程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措施简单、理制度不严（注意：考试时不要求全部列出，写出几种因素即可）
8、失效分析的八个方面：设计、材料、制造、安装、检验、操作、维护、环境。

9、失效分析的主要步骤：
(1)现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对、取样等；
(2)外观检测：断口(缺陷)宏观形态及异物等观察与分析；
(3)微观分析：断口(缺陷)的微观形貌观察与成分测定；
(4)性能检验：材料力学、物理、化学等性能的试验评定；
(5)环境评估：工况介质、异物等测试与评价；
(6)模拟试验：失效现象的再现和验证（按需进行）；
(7)事故结论：分析结果必须快速、正确；
(8)解决对策：治理方案应该简单、有效。

10、失效分析工作者应有的素质：
(1) 品德高于技术：实事求是，客观公正，敬业负责；
(2) 调查重于理论：深入现场，观察迹象，寻找旁证；
(3) 宏微观相结合：宏观是表象,微观是本质,分析要精准；
(4) 综合知识并重：勤学多问，理论与实践相结合；
(5) 团队合作至上：个人知识有限，集体力量无限；
(6) 系统完整严密：前后一致，因果一致，推论可信；
(7) 快速正确有效：分析快速，结论正确，实施有效。

二、金属的断裂
1、脆性断裂特点：①断裂时承受的工作应力很低，一般低于σ0.2；②裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；③T↓，脆断倾向↑；④断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射性花样。

2、断裂路径
①沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程。

多为脆断（氢脆断裂），少数为韧性断裂（高温蠕变断裂）。

②穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程。

可以是韧性的（微孔聚集型断裂），也可以是脆性的（解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂）。

3、解理断裂定义：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面（解理面）而分离。

注意：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。

4、断口三要素及其应用：
三要素：纤维状区、放射状区、剪切唇区。

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。

（1）裂纹源位置确定：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。

（2）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板状样呈现人字纹其反方向为源扩展方向。

5、解理断裂微观特征：扇形花样、解理台阶、河流花样、舌状花样、青鱼骨花样、瓦纳线。

6、影响断裂韧性K
IC
的因素：
（1）内部因素：①化学成分：细化晶粒元素，提高强度和塑性，K
IC
提高；强烈固溶强化的元
素使K
IC 下降；形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，降低K
IC。

②基体相结构和晶粒大
小：面心立方结构，K
IC 高；晶粒小，K
IC
高。

（2）外部因素：①温度：T↓，K
IC ↓；②应变速率：应变速率↑，K
IC
↓；应变速率↑10倍，
K IC ↓10％；当应变速率很大时，绝热状态，局部升温，则K
IC
↑。

7、断裂韧性K
IC 与冲击吸收功A
KV
之间的关系：①由于裂纹缺口、加载速率不同，二者随温度
变化曲线不一样；②由K
IC 确定的韧脆转变温度比A
KV
的高。

8、作业题（重点）：
问题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？答：结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口）。

2、产生的原因是什么？答：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。

3、正火后为什么强度和塑性均有提高？答：正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。

问题2：在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
答：①晶粒过分粗大——细化晶粒处理；②晶界弱化——净化晶界；③环境介质——改善工作环境；④热应力——退火消除。

三、环境断裂
1、环境断裂定义：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象。

2、SCC（应力腐蚀断裂）影响因素及预防措施：
（1）影响因素：①应力：拉应力；②环境介质：材料对介质具有选择性；③成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量；④热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)。

（2）预防措施：降低应力；表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力；改变腐蚀介质；合理选材；电化学保护
3、氢脆断裂：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。

分为内部氢脆和环境氢脆两种类型。

4、过热断口和过烧断口的定义及断口形貌特征：
（1）过热断口：材料在热锻、热轧或热处理加热时长时间停留，由于晶粒粗大而引起的低应力脆断。

断口形貌特征：①宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽；②微观形貌：典型的延性沿晶断口。

（2）过烧断口：材料在超过过热温度下加热，由于晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及魏氏组织而引起的低应力脆断。

断口形貌特征：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗，严重过烧时出现豆腐渣状断口。

铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界熔化成网络状熔化节。

5、高周疲劳、低周疲劳和热疲劳定义：
高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ
0.2）的作用下而寿命较高（N
f
＞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σ
0.2
，在断
裂过程中产生较大塑性变形，是一种短寿命（N
f
＜102—105）的疲劳。

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”。

6、疲劳断裂三个过程：疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展、断裂。

7、疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）区别：
①疲劳辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的；
②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。

8、辉纹线的四要素（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；
③辉纹个数等于负载循环次数；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。

四、断口分析技术
1、主裂纹与二次裂纹的判别（要求会用三种方法：T型法、分叉法、变形法来分析）
（1）T型法：若一个构件上产生两条裂纹或几个碎片合拢起来，其裂纹构成“T”型，通常情况下，横穿裂纹A为首先开裂的，这时可以认为A裂纹阻碍了裂纹B的扩展，A为主裂纹，B 为二次裂纹，裂源位置可能在O或O’处。

如下图所示：
（2）分叉法：一般情况下，裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，其反方向指向裂纹源O点处。

即分叉裂纹为二次裂纹（B、C、D），汇合裂纹为主裂纹A。

如下图所示：
（3）变形法：根据变形量的大小来判别。

变形量大的部位为主裂纹A，其它部位为二次裂纹，裂源在主裂纹所形成的断口上。

如下图所示：
2、裂纹源于裂纹扩展方向的判别（位置判别和判别方法）：
（1）裂源可能位置：材料表面、材料次表面、材料内部（夹渣、气孔等地）、应力集中处（尖角、油孔、凹槽及划痕等）。

（2）裂源的判别方法：利用断口宏观形貌特征来判别
①根据断口三要素，裂源位于纤维区中心、放射线或人字纹收敛处、无剪切唇处；②若为疲劳断口，裂源位于平滑区及疲劳前沿线曲率半径最小处；③若为环境断裂，裂源位于氧化或腐蚀最严重的表面或次表面。

五、复合材料的失效分析
1、复合材料的性能主要取决于什么？（4点）
①弥散组元；②基体的固有性能；③弥散组元的几何因素(尺寸和形状)；④弥散组元与基体之间界面的特性。

2、环境条件对复合材料性能恶化的影响：
温度的和化学的环境条件对复合材料性能的影响很大：（1）温度的影响是三重的：①纤维和树脂不同的膨胀系数导致内应力的产生；②组元(特别是树脂)的性能随温度而变化；③蠕变抗力随温度而剧烈变化。

（2）化学环境的影响：①湿气对树脂性能恶化；②水能从玻璃纤维中浸出可溶性氧化物,从而生成表面凹坑；③在酸性环境中,玻璃纤维复合材料由于氢离子交换过程而产生应力腐蚀，引起玻璃的表层收缩，在表面产生巨大的拉应力，从而降低了玻璃的强度。

3、复合材料的应力-应变曲线分析：
如果纤维所占的体积百分数足以承受载荷(即在纤维
临界体积V以上时)，则基体(以及复合材料)将断裂多次，
使单向纤维增强复合材料的拉伸曲线呈现出左图所示形状。

可以看到，纤维的损坏导致纤维被拉出，从而吸收更
多的能量，使得复合材料具有非灾难性断裂的特征。

六、磨损破坏
1、磨损定义：接触物体作相对运动时, 因机械、物理-化学作用造成表面材料分离，使表面形
状、尺寸、组织及性能发生变化的过程称磨损。