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。
材料失效分析论文
材料的疲劳断裂失效与预防摘要:本文从材料疲劳断裂的研究发展，破坏特点及断口分析材料疲劳断裂的原因，并介绍材料疲劳断裂的预防。
关键词：疲劳断裂断口预防前言作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平，材料失效问题普遍存在于各类材料中，它直接影响着产品的质量，关系到企业的信誉和生存。
材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位，对于材料失效问题的判断和解决能力，代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。
磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式。
材料的疲劳断裂失效的研究和发展材料的疲劳与断裂研究试图寻找材料宏观疲劳断裂行为与微观组织形貌的关系。
试图探求材料疲劳与断裂的微观机制。
金属(非金属)材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。
机械构件由于材料疲劳损伤导致的断裂往往没有明显的征兆，因此经常引起巨大的灾难性事故，造成人民生命财产损失。
因此各个先进的工业化国家都非常重视疲劳与断裂的研究。
材料疲劳与断裂的研究经历了几个阶段。
目前，人们已经认识到在循环载荷作用下，金属多晶材料的许多晶粒内部会出现滑移带。
这些滑移带会在疲劳形变中继续变化，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。
现在，人们可以较好的定量描述裂纹扩展的速率，但是，用材料显微组织的特性可靠的预测其宏观的疲劳断裂性能，还有大量的极具挑战性的工作需要开展，特别是在新材料迅猛发展的时代。
虽然恒定循环应力幅作用下的疲劳破坏是疲劳基本研究的主要内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的含有变幅载荷谱，苛刻环境，低温或高温及多轴应力状态，因此建立能够处理这些复杂服役条件下的可靠寿命预测模型是疲劳研究中最棘手的挑战之一。
材料疲劳与断裂的研究是材料科学与工程研究领域中的一个重要分支。
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
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
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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
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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
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。
材料性能学第五章 材料的疲劳性能
§5.2 疲劳破坏的机理
一、疲劳裂纹的萌生
因变动应力的循环作用，裂纹萌生往往在材料薄弱区或 高应力区，通过不均匀滑移、微裂纹形成及长大而完成。常 将长0.05～0.10mm的裂纹定为疲劳裂纹核，对应的循环周期 为裂纹萌生期,其长短与应力水平有关。疲劳微裂纹由不均 匀滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带开裂；第 二相、夹杂物与基体界面或夹杂物本身开裂；晶界或亚晶界 处开裂，如下图所示。
σ-1p=0.85σ-1
• 铸铁:
σ-1p=0.65σ-1
• 钢及轻合金:
τ-1=0.55σ-1
• 铸铁:
τ-1=0.80σ-1
• 同种材料的疲劳强度σ-1＞σ-1p ＞τ-1。这些经验关系尽
管有误差(10～30%),但用于估计疲劳强度值还有一定的参考
价值。
4.疲劳强度与静强度间关系
材料的抗拉强度愈大,其疲劳强度也愈大。中、低强度钢,
(1)该破坏是一种潜藏的突发性破坏，不论在静载下显 示韧性或脆性破坏的材料，在疲破坏前均不会发生明显的塑 性变形，呈脆性断裂,易引起事故造成经济损失。
(2)疲劳破坏属低应力循环延时断裂，对于疲劳寿命的 预测就显得十分重要和必要。
(3)疲劳对缺陷(缺口,裂纹及组织)十分敏感，即对缺陷 具有高度的选择性。因为缺口或裂纹会引起应力集中，加大 对材料的损伤作用；组织缺陷(夹杂、疏松、白点、脱碳等), 将降低材料的局部强度，二者综合更加速疲劳破坏的起始与 发展。
1.对称循环疲劳强度
对称应力循环时，应力比r=-1，平均应力
σm=0，故将σ-1定义为材料的对称循环疲劳强
度。 常见的对称循环载荷有对称弯曲,对称扭转、
对称拉压等。 对应的疲劳强度分别记为σ-1,τ-1 及σ-1P,其中σ-1是最常用的。
材料的疲劳性能
应力范围△σ越大 ，则裂纹扩展越快 ， Np、ac越小。
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材料旳疲劳裂纹扩展速率与Δσ和a 有关。 将应力范围△σ与a复合定义为应力 强度因子范围△K ：
K Kmax Kmin Ymax a Ymax a Y a
△K：控制裂纹扩展旳复合力学参量
（1）将a-N曲线上各点旳da／dN 值用图 解微分法或递增多项式计算法计算出来; （2）利用应力强度因子幅(ΔKⅠ)公式将 相应各点旳ΔKⅠ值求出， （3）在双对数坐标系上描点连接即得
在变动载荷作用下，随机件尺寸增大使疲劳强度下降旳现象，称为 尺寸效应，可用尺寸效应系数ε来表达
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三、表面强化及残余应力旳影响
机理：提升机件表面塑变抗力，降低表面旳有效拉应力，即可 克制材料表面疲劳裂纹旳萌生和扩展，有效提升承受弯曲与扭 转循环载荷下材料旳疲劳强度
lgda/dN-lgΔKⅠ曲线。
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lg(da/dN)-lgΔKⅠ曲线：
I区是疲劳裂纹旳初始扩展阶段:
da/dN = 10-8～10-6 mm/周次；
从ΔKth开始，ΔKⅠ↑， da/dN迅 速提升，但ΔKⅠ范围较小，裂纹扩 展有限。
Ⅱ区是疲劳裂纹扩展旳主要阶段，占据亚稳扩展旳绝大部分，是决 定疲劳裂纹扩展寿命旳主要构成部分，da/dN = 10-5～10-2 mm/周次，
第五章 材料旳疲劳性能
§5-1疲劳破坏旳一般规律 §5-2疲劳破坏旳机理 §5-3疲劳抗力指标 §5-4影响材料及机件疲劳强度旳原因 §5-5热疲劳
1
机械零件总是处于不断运动状态
曲轴
连杆
2
第一节 疲劳破坏旳一般规律
一、疲劳破坏旳变动应力
疲劳：工件在变动载荷和应变长久作用下，因累积 损伤而引起旳断裂现象。
4.疲劳与疲劳断裂解析
3 疲惫断口形貌及其特征
2
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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
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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
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
材料结构与力学性能知识点总结
仅供参考,自我感觉价值不大一、解释下列名词滞弹性：在外加载荷作用下，应变落后于应力现象。
静力韧度：材料在静拉伸时单位体积材科从变形到断裂所消耗的功。
弹性极限：试样加载后再卸裁，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
比例极限：应力—应变曲线上符合线性关系的最高应力。
二、金属的弹性模量主要取决于什么?为什么说它是一个对结构不敏感的力学姓能?答案：金属的弹性模量主要取决于金属键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。
改变材料的成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影响，但对材料的刚度影响不大。
三、什么是包辛格效应，如何解释，它有什么实际意义?答案：包辛格效应就是指原先经过变形，然后在反向加载时弹性极限或屈服强度降低的现象。
特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。
包辛格效应可以用位错理论解释。
第一，在原先加载变形时，位错源在滑移面上产生的位错遇到障碍，塞积后便产生了背应力，这背应力反作用于位错源，当背应力(取决于塞积时产生的应力集中)足够大时，可使位错源停止开动。
背应力是一种长程(晶粒或位错胞尺寸范围)内应力，是金属基体平均内应力的度量。
因为预变形时位错运动的方向和背应力的方向相反，而当反向加载时位错运动的方向与原来的方向相反了，和背应力方向一致，背应力帮助位错运动，塑性变形容易了，于是，经过预变形再反向加载，其屈服强度就降低了。
这一般被认为是产生包辛格效应的主要原因。
其次，在反向加载时，在滑移面上产生的位错与预变形的位错异号，要引起异号位错消毁，这也会引起材料的软化，屈服强度的降低。
实际意义：在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应。
其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。
另外包辛格效应和材料的疲劳强度也有密切关系，在高周疲劳中，包辛格效应小的疲劳寿命高，而包辛格效应大的，由于疲劳软化也较严重，对高周疲劳寿命不利。
第5章-疲劳断裂失效分析PPT课件
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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
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（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；
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图5-3 疲劳断裂叶片断口
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图5-6 螺栓疲劳断裂断口
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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）；
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• 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。
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• 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
材料的疲劳
由于材料成分和组织不均匀性、试样加工和试验条件等因素波动都对 疲劳试验结果有很大影响，所以疲劳试验结果离散性很大，因而S－N曲线 可靠性较差，只能用于考察普通机件的疲劳强度，或者作为比较复杂试验 的预备性试验。对于重要机件的设计，应当用统计方法进行处理。
▪1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。
2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠 斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明， 飞机的关键支撑构件——桁梁出现了金属疲劳问题。
• 材料设计应用中的问题：
• 如材料力学（抗拉强度）、断裂力学（断 裂韧性）等
5、金属的疲劳按照机件所受应力的大小可分为高周疲劳和低周疲劳。所 受应力较低、断裂时应力循环周次很ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的情况下产生的疲劳断裂称为高周 疲劳。所受应力较高、断裂时应力循环周次较少的情况下产生的疲劳断裂 称为低周疲劳。
5.1.3 疲劳宏观断口
5.1 疲劳现象
疲劳断口有其些独特的特征， 是研究疲劳断裂过程和进行机件 疲劳失效分析的基础。疲劳断口 的宏观结构取决于材料的性质、 加载方式、载荷大小等因素。
5.1 疲劳现象
5.1.2 疲劳断裂的特点
1、疲劳断裂是低应力脆性断裂，一般是在低于屈服应力之下发生的，断 裂是突然的，没有预先征兆，看不到宏观塑性变形，危害性比较大。
2、疲劳对缺口十分敏感。在疲劳断裂过程中，金属材料的内部组织在局 部区域内逐渐发生变化。这种变化使材料受到损伤，并逐渐积累起来，当 其达到一定程度后便发生疲劳断裂。因此疲劳断裂是一个损伤积累过程， 并且损伤是从局部区域开始的。
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。
零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析
零件的脆性断裂(含疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等)失效分析本文旨在介绍零件的脆性断裂失效分析的重要性和目的。
脆性断裂是指在零件受到一定载荷作用下，没有发生明显的塑性变形，而导致突然断裂的现象。
这种失效模式对于工程结构的安全性和可靠性具有重要的影响。
脆性断裂的失效分析是一项关键的任务，旨在确定零件破坏的原因和机制，以及采取相应的措施来预防和控制脆性断裂的发生。
在分析中，我们还会涉及到与脆性断裂相关的其他失效现象，如疲劳断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。
通过对零件脆性断裂失效的深入分析，我们可以更好地了解材料的性能和强度，确定适当的设计和加工参数，以及制定合理的维护和检修计划。
这对于提高工程结构的可靠性，延长零件的使用寿命以及降低维护成本具有重要意义。
本文将通过对脆性断裂失效分析的相关知识进行详细解释和说明，为读者提供系统的理论基础和实践指导，以便能够有效地进行脆性断裂的失效分析工作。
解释脆性断裂是指在应力作用下，当零件发生断裂时没有明显的塑性变形。
详细讨论导致脆性断裂的各种原因，包括疲劳、应力腐蚀、氢脆断裂等。
脆性断裂是指材料在受力作用下发生的突然断裂，常常发生在零件长时间受重复负载或特定环境下受力情况下。
脆性断裂的原因多种多样，下面将对其中的疲劳、应力腐蚀和氢脆断裂进行详细讨论。
疲劳断裂：疲劳断裂是由于零件在长时间受到变化的载荷作用下产生的。
当重复载荷作用于零件时，如果应力超过了材料的疲劳极限，就会发生疲劳断裂。
疲劳断裂是零件的高频失效模式，常见于机械装置和结构中。
应力腐蚀断裂：应力腐蚀断裂是指在特定环境中，材料受到应力和腐蚀介质共同作用时突然断裂。
应力腐蚀断裂的发生是由于腐蚀介质在零件表面引起局部腐蚀，而应力则产生了裂纹的扩展。
应力腐蚀断裂是一个复杂的断裂形式，常见于化工设备和海洋装备等领域。
氢脆断裂：氢脆断裂是由于材料在存在氢的环境中发生的断裂。
氢脆断裂的主要机制是氢的扩散和积聚在材料中，导致材料的力学性能降低，从而引起断裂。
《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。
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（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
脆性辉纹
29
5、疲劳辉纹存在的条件
一般说来，疲劳辉纹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
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
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
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
（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
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
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
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
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：
▴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
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
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
9
§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
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
16Biblioteka §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
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
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
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
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
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
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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
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