复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料失效分析概论课件复习精品材料
材料失效分析
1.2 失效分析的基本概念
● 失效的新定义*
失效 (failure) 是指产品因微观结构或外观形态
发生变化而不能满意地达到规定的功能。
1.2 失效分析的基本概念
■ 失效缺陷 失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。
比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、分层等。
■ 失效机理 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。
■ 失效起因 失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。
1.2 失效分析的基本概念
1.2. 2 失效分析的内容 失效分析是为失效的构件查明原因并采取预防措
施所进行的一切技术活动。它相当于材料诊断学，运 用各种分析仪器和方法，对断口（缺陷）进行综合分 析， 查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发 生，故一般涉及五项内容： 1. 判定失效模式 （failure mode） 2. 界定失效缺陷 （failure defect） 3. 鉴定失效机理 （failure mechanism） 4. 确定失效起因 （failure cause） 5. 提出解决对策 （countermeasure）
1.1.2 主要特点 ห้องสมุดไป่ตู้效分析是一门面向工程实际、面向未来的学科，
它有二个基本特点： 1. 综合性：涉及许多学科和技术门类，学科交叉； 2. 经济性：与国民经济发展紧密相联，应用广泛。
1.1 失效分析概况
1.1.3 基本作用 ● 失效分析是综合运用材料基础知识和其他分析方
材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)ppt课件
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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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应力状态
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第三章 解理断裂
§1、概述 §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
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§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。
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§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
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小刻面
放射条纹
pp人t课件字完整纹
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二、微观形貌特征及形成机理
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瓦纳线
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（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
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台阶形成过程的简化图
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通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
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台阶的性质
复旦大学半导体材料课程复习课件
2. 电子迁移率高，约为Si的5~6倍，适合于制作超高频、超高速器件和电路。 3. 易于制成非掺杂半绝缘单晶，其电阻率可达109Ω⋅cm，是理想的微波传输
介质，在IC加工中不必制作绝缘隔离层，这不仅简化了IC工艺过程，还可 提高集成度。对于本身就具有高速、高频性能的GaAs来说，GaAs IC寄 生电容也由于不必另外制作绝缘隔离层而减小，有利于提高工作速度。 4. 由于带隙较大，所制器件可在较高温度（400~450ºC）下工作 5. GaAs热阻性能优于硅，这对于大规模IC十分有利，如对数字IC，其驱动 电压低、功耗及所产生的热量较小。 6. 利用GaAs的转移电子效应已制备出了根氏器件等新型 半导体材料器件。
晶体结构 晶格常数 (nm)
六角(H) a=0.2504 c=0.6661
闪锌矿(Z) 0.3166 纤锌矿(W) a=0.3110
c=0.4980 闪锌矿(Z) 0.438 纤锌矿(W) a=0.3189
c=0.5182 闪锌矿(Z) 0.452 纤锌矿(W) a=0.3540
c=0.5704 闪锌矿(Z) 0.498
半导体材料的结构
金刚石结构 闪锌矿结构 纤锌矿结构 NaCl结构
砷化镓等大多数III-V族化合物半导体 具有闪锌矿结构。闪锌矿结构晶格 中除每个原子最近邻是不同原子 外，与金刚石结构是相同的。每个 原子和周围四个原子发生键合。
【精品】失效分析期末复习.doc
第一章绪论材料的定义：材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。
失效：产品丧失规定的功能称为失效。
产品失去规定的功能的含义：1.零件在外部坏境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够 工作，但不能完成规定功能；2.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；3. 零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性； 失效分析：定义: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。
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。
与生产现场废品分析的异同点:涉及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方而，有许 多共同Z 处。
在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不同的。
火效分析的对 彖是在使用中发生失效的产品。
分析的主要口的是寻找失效的原因。
漏检和技术标准不合理 都口J 能是失效的原因，如果是后者，则应对技术标准修改。
废品分析的对彖是不符合技术标 准的产品或半成品。
它所讨论的问题是产品及产品为什么不符合技术标准的要求。
至于产品 的技术标准是否正确则不属于废品分析要解决的问题。
第二章 材料结构基础（重点）材料结构的涵义：是影响材料性能的基木因素，随化学组成及外界条件改变。
原子中的电子结构（原子结构）：原子屮电子的分布规律，尺度约为10-13m ；使材料表现出金属、陶瓷和高分子性能，对材 料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重人影响 原子（或分子）排列结构：即原子或分子在空间的排列，尺度约为10-10m ；原子排列结构严重影响材料的力学性能（强 度、塑性、韧性等） 显微组织结构：借助光学显微镜和电了显微镜观察到晶粒或和的集合状态，尺度约为1（）・4〜l （）・8m ；可观察 到材料的线、面、体缺陷及表而缺陷。
宏观组织结构：肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。
电子壳层：在多电子的原子屮，电子的能量也是不连续分布的，它们分布在不同的能级上, 这种按层分布称为电子壳层。
复旦大学精品课程《材料分析》课件,电子器件用纳米材料的生物性、毒理学及安全性课件复习精品材料
将来随着对纳米材料毒理研究的深入和材料各种标准的建立，
纳米产品的安全性也会越来越高。
纳米器件性能可靠性分析案例
ZnS纳米带：约300nm 宽度
器件构筑过程: (1) 方法: 紫外光刻 蚀和电子束沉积 (2) 超净室完成：没 有污染和破坏
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320nm
Current (pA)0600nm Nhomakorabea-1
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不同的观点：血液蛋白吸附降低碳纳米管的细胞毒性
美国科学院院刊 (PNAS) 在 2011 年底发表了我国纳米科学中心赵 宇亮等人在纳米安全性方面的最新研究成果：“血液蛋白吸附降 低碳纳米管的细胞毒性”。该成果同时被PNAS选为该刊的研究亮 点作重点介绍。 他们在研究碳纳米管与血液相互作用过程与其毒理学效应机制时 发现，当碳纳米管进入含有人血液蛋白的溶液中，人血液中的主 要蛋白（如纤维蛋白原,免疫球蛋白、白蛋白、转铁蛋白）会在碳 纳米管的表面进行竞争性吸附，形成不同外形的所谓“王冠”形 状的蛋白-碳管复合物。
世界科技前沿的热点之一。
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肿瘤诊断新型纳米材料的研制
中科院生物物理所研究利用无机纳米材料仿生合成了新型纳米肿 瘤诊断试剂——铁蛋白纳米颗粒。这是一种由氧化铁纳米内核及
铁蛋白外壳两部分组成的双功能纳米小体，蛋白壳能够特异识别
肿瘤细胞，氧化铁纳米内核能够催化底物使肿瘤显色，区分正常 细胞和肿瘤细胞。
研制出肿瘤诊断新型纳米材料
纳米材料可能对人体有害？
石棉纤维、商用碳纳米管和金纳米线都有一个圆形的尖头，直 径在 10 纳米到 100 纳米之间，正处于细胞处理范围。细胞上有一
种受体蛋白质会聚集并弯曲细胞膜壁，使细胞卷曲包住纳米管尖
端，反向调整纳米管角度，使纳米管尖端能以 90 度进入，从而 降低细胞吞噬微粒所需的能量。这一行为叫做“尖端识别”。 当细胞的内吞作用开始，就没办法再退回去。细胞觉得无法整 个吞下纳米管，就会求救。但求救信号反而会引发免疫反应，造 成更多炎症反应。
复旦大学精品课程《材料分析》课件 ,微电子芯片的失效分析课件复习精品材料
2. 芯片的失效机理
2.1 氧化层击穿 2.2 热载流子效应
2.3 薄膜的相互扩散
2.4 静电放电及辐射 2.5 金属互联电迁移
2.1 氧化层击穿
• 在强电场作用下，绝缘体中出现局部的 低阻通道。 • 随着氧化层厚度减小，电场增加，击穿 问题成为研究热点。
介质薄膜的击穿过程
• 一般击穿分成两个过程：
– 电击穿：强场下载流子雪崩，产生大量电子、 空穴，电阻突降。 – 热击穿：局部电流密度增大，温度升高产生 热奔驰，使薄膜熔化或产生其他损坏。
介质薄膜电击穿的分类
• 非本征击穿——其击穿强度较低。 • 本征击穿是指材料自身特性所限制而发生的击 穿——击穿强度较高。
关于氧化层击穿理论的发展
1. 电子贡献的总能量而非单个电子的能量。 2. 热奔驰现象。 3. 电子和原子晶格之间的碰撞而产生的电 子倍增或雪崩现象。 4. 阴极场发射电荷注入。 5. 可动电荷。 6. 介质表面粗糙度引起的电场增大。 7. 由碰撞电离引发的内部电场畸变。 8. 界面态
双极型晶体管原理
电子材料与器件工艺－绪论
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双极型晶体管工艺
双极型晶体管工作原理
E Ie RE Vbe Ib n+ p B Vcb n C Ic RL 放大条件： 1o Wb << Lnb 2o 发射ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ正偏 3o 集电结反偏
MOS场效应晶体管原理（NMOS）
CMOS 工艺流程
器件的不断小型化
沟道热电子(Channel Hot Electron ) 衬底热电子(SHE) 漏极雪崩倍增热载流子(DAHC) 二次产生热电子 ( SGHE) 这些热载流子进入SiO2后 形成栅电流和衬底电流。
复旦大学精品课程《材料分析》课件,材料断裂的失效形式与机理课件复习精品材料
（a）地面升空时刻
（b）升空中爆炸
图2-2“挑战者”号升空时爆炸（1986年1月28日）
● 原因: “挑战者”号的助推器橡胶密封圈O型环因 气温低而失去弹性，导致燃料泄漏而爆炸。
2.1 材料的失效形式
（a）地面升空时刻 （b）机翼上的裂纹 （c）返回时解体爆炸
图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸（2003年2月1日）
stress)时, 材料是安全可靠的，否则是不安全的。
● 强度设计准则: σ＜ [σ]
自的rigidity)的方式主要有：提高弹性模
量E及剪切模量G，增加横截面面积A，改变截面形状和 结构形式。注意：刚度反映构件的宏观变形行为，弹性 模量反映材料的微观变形性质。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
3. 强度准则（strength criterion） 当材料承受的外加应力小于许用应力[σ](allowable
图2-4 外力的作用形式
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.1 力学性能 力学性能是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的
能力，力学性能指标主要有：
图2-5 材料的力学性能指标
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.2 材料的拉伸变形 在拉伸应力应变图中，横坐标和纵坐标分别表示
材料的应变ε (strain)应力和σ (stress) 。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.3 材料的剪切变形 当 材 料 受 到 剪 力 (S) 作 用 时 ， 其 剪 应 力 τ (shear
stress)与剪应变γ(shear strain) 有如下关系： τ = S/A （MPa） τ = G γ （MPa） γ = tanθ＝a/h (2-2) G＝E/2(1+ν) （MPa）
失效分析课件第2讲
断口分析技术
断裂件断口上的痕迹记录了载荷及外部环境对材料中裂纹萌生扩展 的作用及行为，以及裂纹形成过程的各种影响因素。分析之可以找 到断裂的原因及影响因素。
失效评估技术
把个体的失效事件转化成群体的失效概率事件进行分析，通过数理 统计方法分析零件或零件集成系统的失效或安全的可能性概率
如：临界裂纹长度 临界腐蚀速度 最大磨损量…
5.2材料失效的性能退化致因论
内因：材料内部结构的变化 材料性能退化的本质 ——涉及各种物理、化学及工程现象 外因：环境条件 材料性能退化在宏观上不一定表现出累计损伤 需要通过专门的性能测试 有些必须进行破坏性试验 材料性能退化的特征——隐蔽性 或快或慢，总需要一定时间 材料性能退化的同时，常常存在累计损 伤过程，看谁先导致失效
介质环境——整机环境、局部环境、具体环境 失效环境 应力环境——载荷的种类、大小、振动、噪声等 温度环境 其他环境，如湿度、辐射等
(1)对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从
2.防止失效的思路
中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。 (2)运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、 力学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，以 主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系， 提出改进措施。 (3)根据“不同服枝条件要求材料强度和塑性、韧 性的合理配合”这一规律，分析研究失效零部件现行 的选材、用材技术条件是否合理，是否受旧的传统学 术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合 理”的技术条件规定，如果把它当成金科玉律，则会 犯分析上的错误，对防止部件失效不利。
(4)采用局部复合强化，克服零部件上的薄弱环节，
争取达到材料的等强度设计。 (5)在进行失效分析和提出防止失效的措施时，还 应做到几个结合： ①设计、材料、工艺相结合，即对形状、尺寸、材料、
材料失效分析复习大纲.doc
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牛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:实事求是，客观公正，敬业负责； 深入现场，观察迹象，寻找旁证； 宏观是表象，微观是本质，分析要精准; 勤学多问，理论与实践相结合； 个人知识有限，集体力量无限； 前后一致，因果一致，推论可信； 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断裂口寸承受的工作应力很低，一般低于c0. 2；②裂纹源总是从内部的宏 观缺陷处开始；③TI ,脆断倾向仁 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。
《失效分析》(教学课件)
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7.1 铸造加工缺陷与失效
SiO2夹杂物
石英（六方晶系）、磷石英（斜方晶系）、 方石英（属立方晶系，属四方晶系）。非晶 体SiO2 ，大小不同的典型小球 ，明场中呈深灰 色，常随其中所含的杂质不同而具有不同的色 彩，中心有亮点，边缘有亮环；暗场中无色透 明，鲜明地发亮；偏光下透明并有暗十字。
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7.2 锻造加工缺陷与失效
4、流线不顺
锻件流线不沿零件主要轮廓外形分布，严重时会 形成涡流，穿流或紊流流线。
涡流即锻件流线呈旋涡状或树木年轮状。 穿流即在锻件肋条或凸台根部金属流线被穿断， 破坏了金属流线的连续性。 紊流则呈不规则而紊乱的流线。
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7.2 锻造加工缺陷与失效
5、裂纹 锻件内部的裂纹有两种类型：内部纵向裂纹和内 部横向裂纹。
锻件含铜量过高(>0.2%)，并在氧化气氛中加热， 在钢的表面氧化皮下，富集一层熔点低于1100℃的 富铜合金，在锻造加热温度下即熔化，并浸蚀表面层 的晶界，锻造时形成龟裂〔称为铜脆〕。在加热炉中 含有残存的铜杂质时，也会因融熔的铜沿晶界渗入而 引起龟裂。
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7.2 锻造加工缺陷与失效
6、过热与过烧 金属坯加热温度超过始锻温度，或在高温下长时 间保温，致使奥氏体晶粒迅速长大，或终锻温度过 高而剩余变形量(剩余锻造比)又小，这时高温引起的 晶粒长大，不能由剩余变形量对晶粒的破碎作用所 抵消，因而形成粗晶粒组织的现象，称为过热。
内部横向裂纹产生的主要原因是毛坯在加热或锻 造过程中，由于加热不均或工艺参数不当，其表层 金属的变形(如伸长)大于心部金属的变形，而导致 心部受拉应力，当拉应力超过材料自身的抗拉强度 时，心部将出现横向裂纹。
(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。
材料失效分析44页PPT
2、应力吸附机理（氢致脆化机理）
认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。
从Griffith缺口强度理论可知：
σc∝γ1/2
∵ γ↓
∴ σc↓
从而脆化金属，使材料产生早期断裂
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三、SCC断口形貌特征
1、宏观形貌特征 ●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹 ●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚
材料失效分析
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
区别：
●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程 Fe - 2e → Fe +
氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e → [H] 2[H] → H2↑
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●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉
SCC裂纹
氢脆裂纹
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五、影响氢脆的外部因素
1、温度 氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感 的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量
不锈钢螺栓氢脆断口 螺钉氢脆断口
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微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。
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在不同K值下高强钢的断裂形式
氢脆的沿晶断口
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四、SCC与氢脆的关系
联系： ● 广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 ●微观断口形貌也十分相似
《失效分析》课件-3
所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、 Machine（机器设备）、Media（环境介质）和 Management（管理）作为一个统一的系统进行 分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此 种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作
四M方法
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3.1 失效分析的思路及方法 3. “四M”分析思路及方法
技术参量
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3.2 失效分析的程序与步骤
4．深入分析研究 （1）失效产品的直观检查（变形，损伤情况，
裂纹扩展，断裂源）
（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫 描电镜）
（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位 素、X射线、超声波等）
（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱） （5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、 电子探针）
（6）相结构分析（X射线衍射法） （7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核
深入研究
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3.2 失效分析的程序与步骤
5 综合分析归纳，推理判断提出初步结论
根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材
料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳 、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初 步意见和预防措施。
故障树法
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3.1 失效分析的思路及方法
工作程序
确定不希望发生的事件（上端事件）； 对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进
行分析； 采用手工或计算机合成故障树； 求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目
的基本事件的集合； 收集计算时必须的故障率数据； 计算上端事件发生的概率； 对基本事件的重要度作评价； 分析计算结果，提出改进措施。
防止锈蚀，防止手指
--1第一章 材料失效分析概论
失效在英文中叫做“failure”，意指达 不到预期的或需要的功能或不足，按词义可 译为“失灵”、“失事”、“故障”、“不 足”等。在国内有时俗称“损坏”、“事故” 等。 • 上述名词的含义有许多相似之处，常常 混用。为防止混乱，在1980年12月召开的中 国机械工程学会机械产品失效分析会议上， 我国学者正式确定为“失效”。 • 应特别指出，“失效”与“事故”是两 个不同的概念，必须加以区别。 • 事故是指一种后果，它可以是由于“失 效”引起的，也可能是其他原因造成的。 •
•
• •
• •
根据上述分析，该齿轮断齿失效是由于齿根 加工质量不良产生的严重应力集中引起的。 其改进措施应是提高齿根的加工质量，减少 应力集中及防止过载。 实践证明这一分析结论是正确的。按照分析 的观点，如果增加硬化层的深度至1.3～1.5mm， 虽然符合技术要求，但由于渗碳层的脆性进一步 加大，不但解决不了此类断齿问题，而且会增加 此类断齿的危险性。 同样，失效分析所进行的研究工作也不能等 同于某一学科某一问题的实验研究和理论分析。 失效分析研究工作侧重点在于一个零件所发 生的具体失效原因和失效过程，具有很强的工程 针对性和适时性；而一般的实验研究目的带有一 定的普遍性。
• 1.1.2失效分析 • 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。 • 失效分析是一门综合性的质量系统工程， 是一门解决材料、工程结构、系统组元等质 量问题的工程学。它的任务是既要揭示产品 功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和 规律，又要找出纠正和预防失效的措施。
•
失效分析的对象是在使用中发生失效 的产品。这些产品通常是经过出厂检验合 格的，即符合技术标准要求的产品(在个别 情况下也有漏检的废品)。分析的主要目的 是寻找失效的原因。漏检和技术标准不合 理都可能是失效的原因，如果属于后者， 则应对技术标准进行修改。 • 废品分析的对象是不符合技术标准的 产品及半成品。它所讨论的问题是产品及 半成品为什么不符合技术标准的要求。至 于产品的技术标准是否正确则不属于废品 分析要解决的问题。
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的功能时，则称该零件失效失效的三种情况：（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，部分的失去其原有功能，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，不能确保安全可靠性。
2、失效分析 Failure Analysis：通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。
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。
第二章1、失效的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. 高低温下的蠕变（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的承载能力而引起。
环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）由于环境介质、应力共同作用引起的低应力脆断。
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）作用力引起的低应力破坏。
3 表面损伤失效磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤（发生在有相对运动的表面）。
主要有粘着磨损和磨粒磨损。
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：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，磨蚀等。
局部腐蚀和均匀腐蚀。
环境气氛的化学和电化学作用引起。
2、失效的来源：设计问题;材料选择上的缺点;加工制造及装配中存在的问题;不合理的服役条件。
3、残余应力的产生：（1）热处理残余应力（2）焊接残余应力（3）表面化学热处理引起的残余应力（4）电镀引起的残余应力（5）切削加工残余应力（6）铸造残余应力4、残余应力影响：对静强度的影响；对硬度的影响；对疲劳强度的响（一般，当承受交变应力的构件存在压缩残余应力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸残余应力时，构件的疲劳强度下降。
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1.2 失效分析的基本概念
1.2.3 失效分析的相互关系 ● 失效分析是确定构件的失效模式、失效缺陷、失效机 理与失效起因之间的相互关系。 ◆ 失效模式 失效模式是指构件失效后的外观表现形式，即可观 察到的、可测量的失效的宏观特征。比如：脆性断裂、 疲劳开裂 、接触磨损等。 根据构件失效的外观特征，失效模式应有五种： (1) 断裂 (fracture) (2) 腐蚀 (corrosion) (3) 磨损 (wear) (4) 畸变 (distortion) (5) 衰减 (attenuation): 微结构随时间、环境等因素渐变劣化
1.3 失效分析的基本特点
1.3. 4 失效分析的系统性
从结构完整性的考虑，一个构件失效的原因分析， 从技术层面上应该涉及八个方面： (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 设计 材料 制造 安装 检验 操作 维护 环境 (design) (material) (fabrication) (installation) (inspection） (operation) (maintenance) (environment)
它的处女航是在1912年4月10日从英国南安普顿出 发前往纽约的，航速为22节，但4月14日晚11:40分在 北大西洋与一块漂浮的大冰山相撞，由于船体左侧六个 前仓壳体破裂进水，2小时47分后就沉没了。 船上共有2208人，仅705人获救，1503人葬生海 底，这是迄今为止世界上发生的最大的海事事故。
(8)解决对策：治理方案必须简单且有效。
1.4 失效分析学科的发展历程
1.4.1 失效分析的意义 如果说，社会发展史是不断与失败作斗争的历史， 材料发展史则是不断与失效作斗争的历史。
失效分析的意义主要有：
（1）事故责任的法律认定； （2）防止事故的再发生； （3）提高产品的可靠性； （4）促进新材料的研发。 因此，失效分析作为一门综合性学科，不仅对社 会稳定和国民经济发展起保障和促进作用，而且对新材 料的研发和新产品的开发有重要的工程价值和科学意义。
信号灯红变绿
事故现场
图1-5甬温段两辆高铁之间的撞车事故
1.3 失效分析的基本特点
图1-6 甬温段两辆高铁相撞后的事故现场
1.3 失效分析的基本特点
1.3. 3 失效分析的综合性 产品质量管理一般实行五要素”法或“六要素” 法管理 ： “人、机、料、法、环” （4M1E分析法）
“人、机、料、法、环、测”（5M1E分析法）
●
泰坦尼克号沉没过程解析
(a)
航行路线
(b) 出发时 (c) 航行中 图1-1 泰坦尼克号处女航路线图
失事地点
(a) 冰山撞击地点
(b) 船体沉没断裂情景
图1-2 泰坦尼克号沉没过程
图1-3 沉没在北大西洋海底的泰坦尼克号船头
●
泰坦尼克号船板备用件的性能检验
珠光体组织（白色）
铁素体组织（灰色）
材料失效分析
Failure Analysis of Materials
主讲教师： 杨振国
单
位： 材料科学系
办 公 室： 先进材料楼 407室 联系方式： zgyang@ 65642523（O）
复旦大学材料科学系 2015.2
课程基本信息
教学团队：杨振国、方晓生、蒋益明、江素华
1.3 失效分析的基本特点
● 失效分析的鱼骨图
制造 失效原因
检验
维护
设计
材料
安装
操作
环境
● 失效分析是事后分析，最佳方法应是事前分析, 比如, FMEA (Failure Modes and Effect Analysis）、 RBI (Risk-based Inspection), etc.
1.3 失效分析的基本特点
1.4 失效分析学科的发展历程
1.4. 2 美国的失效分析发展概况
美国现有300多家研究所承担失效分析的研究工作。
● 国防、军工、核电、宇航等领域的失效分析，主要由
国家级研究机构承担。比如，橡树岭国立研究所、 NASA 、肯尼迪中心、约翰逊中心、西南研究院等。
1.2 失效分析的基本概念
● 泰坦尼克号的失效模式、机理、缺陷与起因的关系 泰坦尼克号是20世纪初世界上最大的豪华游轮。
它长260m、宽28m、高51m、吨位46328t，可载 客3000多人，总耗资7500万英镑。船体结构的设计采 用了双壳层和十六个相互隔离的水密舱等安全措施，因 而当时被认为是一艘“永不沉没的”巨轮。
1.2 失效分析的基本概念
◆ 失效缺陷 失效缺陷是导致构件损伤或损坏的实际缺陷。 比如：裂纹、腐蚀坑、磨损带、分层等。
◆ 失效机理 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。
◆ 失效起因 失效起因是促使失效机理起作用的主要因素。 比如：超载、疲劳载荷、电极电位差、微动摩擦等。
2
第一章 材料失效分析概论 1.1 失效分析概述 1.2 失效分析的基本概念
1.3 失效分析的基本内容
1.4 失效分析学科的发展历程
1.5 失效分析工作者的应有素质
1.1 失效分析概述
1.1.1 基本状况 失效问题时时刻刻在发生，遍及各行各业。 据估算，各国每年因失效造成的经济损失占该国 GDP的 2~4%。我国2012年、2013年、2014年的 GDP分别为519322亿元、568845亿元， 636463亿 元，以4% 估算，其损失值分别高达 20772亿元 (2012) 、22753 亿元 (2013) 、25451亿元 (2014) 。 因此，失效分析的社会效益重大，经济效益巨大。
施所进行的一切技术活动。它相当于材料诊断学，运 用各种分析仪器和方法，对断口（缺陷）进行综合分
析， 查明失效原因，并采取措施防止同类失效的再发
生，故一般涉及五项内容： (1) (2) (3) (4) (5) 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 （failure mode） （failure defect） （failure mechanism） （failure cause） （countermeasure）
1.3. 5 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)宏观形态及异物等的观察分析；
(3)微观分析：断口(缺陷)的微观形貌观察和成分测定；
(4)性能检验：力学、物理、化学等性能的试验和检测； (5)环境评定：工况介质、周围异物等测试和评定； (6)模拟试验：失效现象再现的实验验证（按需开展）； (7)事故结论：分析结果必须快速又正确；
1.3 失效分析的基本特点
1.3. 1 失效分析的内在关系 从本质上讲， 任何材料的失效过程都会经历从产品 到构件、从构件到损伤的二个不同阶段，即“六品”、 “五件”、“四化”。正确理解它们的本质含义及其相 互关系，对开展有效的失效分析是至关重要的。
● 六品（产品）
制品、成品、半成品、物品、次品、废品。
但产品的失效分析更为复杂，分析人员不仅要有 材料、工艺、结构、力学、控制、检验等专业知识， 还要懂得安装、维护、运行、环境等工程知识，同时 还要熟悉生产中涉及的标准、规范、规程，甚至懂得 包括心理学等在内的一些管理知识。
1.3 失效分析的基本特点
● 失效的影响因素
(1) 材料选用不适 (2) 结构设计欠妥 (3) 制造质量一般 (4) 安装方式不当 (5) 检测方式不妥 (6) 组织性能劣化 (7) 维护过程疏漏 (8) 人员操作有误 (9) 工况介质复杂 (10) 外部环境变化 (11) 失效机理不明 (12) 防护措施简单 (13) 管理制度不严
1.1.2 主要特点 失效分析是一门面向工程实际、面向未来的学科， 它有二个基本特点： (1) 综合性：涉及许多学科和技术门类，学科交叉； (2) 经济性：与国民经济发展紧密相联，应用广泛。
1.1 失效分析概况
1.1.3 基本作用 ● 失效分析是综合运用材料基础知识和其他分析方 法开展事故调查与分析的，因而是一门发展中的交叉 性的综合性学科。它的作用和意义主要有： （1）防止或减少同类事故的再发生，保障社会稳定；
（2）明确事故的责任，维护用户的正当权益；
（3）吸取经验教训，提高产品质量和可靠性； （4）通过逆向工程分析，为经济索赔提供技术依据； （5）促进材料科学的技术进步，为设计开发新材料和 改进已有材料的性能从理论上指明方向。
1.2 失效分析的基本概念
1.2.1 失效的定义 ●《新华词典》的定义* 丧失功效或效力。 *《新华词典》: p757, 1982 ● 国标GB3187-82《可靠性基本名词术语及定义》 的定义 失效 ：产品丧失规定的功能，对可修复产品通 常称为故障。 ● 《材料大辞典》的定义* 失效，又称复合材料的破坏，指复合材料在经 过某些物理、化学过程后（如载荷作用、材料老化、 温度和湿度变化等）发生了尺寸、形状、性能的变化 而丧失了规定的功能。
原子的电子结构 微观
结构 局部腐蚀
原子间相互作用
原子团分布方式 显微组织形貌
外观
形态
局部磨损
变形畸变
表面吸附
* 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年 全国失效分析学术会议专辑（大会特邀报告）, 2013, 49 (S2): 1-3
1.2 失效分析的基本概念
1.2. 2 失效分析的内容 失效分析是为失效的构件查明原因并采取预防措
● 五件（构件）
零件、部件、组件、元件、器件。
● 四化（损伤）
劣化(微观)、退化(细观) 、脆化(宏观) 、老化(外观)。
1.3 失效分析的基本特点
1.3. 2 失效分析的复杂性 一项事故的发生，一般不是仅由一种因素引起的， 常常涉及多种因素的相互作用。例如，2011年7月23 日发生在浙江的甬温线高速动车追尾相撞事故，造成 40人死亡、193人受伤的重大事件，便是一个典型案例。 这是一起由设备故障、操作不当等多种因素交互作用所 造成的事故。