材料的断裂失效形式与机理
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
31
2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
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 裂纹源的确定： 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。
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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（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
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§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
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裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
材料的力学性能第4章 材料的断裂
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
光滑圆柱拉伸试样的宏观韧性断口呈杯锥形，由纤维区、放射区 和剪切唇三个区域组成，这就是断口特征的三要素。
77-10
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.2 断口的宏观特征
韧性断裂的宏观断口同时具有上述三个区域，而脆性断口纤维区 很小，几乎没有剪切唇。
根据裂纹扩展路径进行的一种分类。 穿晶断裂裂纹穿过晶内，沿晶断裂裂纹沿晶界扩展。
77-4
RAL 4.1 断裂分类与宏观断口特征
4.1.1 断裂的分类 ✓ 穿晶断裂与沿晶断裂
从宏观上看，穿晶断裂可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂），也 可以是脆性断裂（低温下的穿晶断裂），而沿晶断裂则多数是脆性断裂。
2 )C0
2
c － 扩展的临界应力 ；
c － 碳化物的表面能 ；
E － 弹性模量；
－ 泊松系数；
C0 － 碳化物厚度
77-32
RAL
4.3 脆性断裂
4.3.2 脆性断裂的微观特征 （1）解理断裂
解理断裂 准解理 沿晶断裂
解理断裂是沿特定界面发生的脆性穿晶断裂，其微观特征应该是 极平坦的镜面。实际的解理断裂断口是由许多大致相当于晶粒大小的解 理面集合而成的，这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。 在解理刻面内部只从一个解理面发生解理破坏实际上是很少的。在多数 情况下，裂纹要跨越若干相互平行的而且位于不同高度的解理面，从而 在同一刻面内部出现解理台阶和河流花样。
脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明 显征兆，因而危害性很大。通常，脆断前也产生微量塑性变形。一般规定 光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，该材料即称为脆性材料； 反之，大于5%者则为韧性材料。
3第三讲 断裂
单向静拉伸实验标定的性能指标
• 弹性模量、比例极限、弹性极限、弹性比 功、屈服强度、抗拉强度、应变硬化指数、 断裂强度、真实断裂强度、断后伸长率、 断面收缩率等。
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走向 沿晶断裂 裂纹沿晶界扩展
断裂 机理
解理断裂 无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
微孔聚集 沿晶界微孔聚合，沿晶断裂 型断裂 在晶内微孔聚合，穿晶断裂
解理型断口
微孔聚合型断口
沿晶断裂
穿晶断裂
a沿晶脆断 b 解理断裂 c 准解理断 d 韧窝断裂
第一章 小结
材料静拉伸条件下的力学响应和失效行为：三个过程
大量韧窝，内 含夹杂物或第 二相，为微孔 萌生处。
• 韧窝的形状取决于应力状态； • 韧窝的大小和深浅取决于第二相的数量分布以及
基体的塑性变形能力。
• 韧窝大而深，塑性好； 大而浅，加工硬化能 力强。
四、非金属材料的断裂
• 陶瓷：几乎或完全不能发生滑移，无塑性。沿大 间距密排结晶面发生解理破坏，断口光滑，无特 征判定裂纹源。
第三讲 材料的断裂
张友法
机件主要失效形式
断裂磨损失效腐蚀断裂实例 生活中影响正常生活， 甚至人身安全。
断裂实例 生产中
影响生产 和安全。
断裂实例 重要产品
灾难！！！
断裂的危害最大！！！
一、断裂类型
1. 韧断与脆断
• 韧断：断前及断时有明显塑变，裂纹扩展耗能。 断口：呈纤维状，灰暗色。断面收缩率>5%。
BCC、HCP滑移系少，位错塞积造成应力集中，使 裂纹成核。 FCC金属滑移系多，不易产生。
4. 正断与切断
正断：裂纹与正应力垂直。 切断：平行。
材料断裂课件 第三章 工程材料的断裂
4.2 裂纹尖端应力场
线弹性断裂力学就是利用弹性力学理论，研究含有裂纹材料应力应变规律及裂纹扩展规律。认为：材料在脆断前基本上是弹性变形、应力应变成线性关系； 但实际上即使高强钢，裂纹尖端也有小范围屈服，可经裂纹长度修正，转变成线弹性问题。
裂纹扩展方式有三种类型，I张开型，II滑开型，III撕开型 张开型，I型是最常见，最危险裂纹扩展方式(一般以张开型为例)
断裂准则 ≥ COD在线弹性与小范围屈服下，与K1c，G1c同样作为断裂判据， 并与其有对应关系： 平面应力 平面应变 即当K1=K1c G1=G1c =
在大范围屈服下 已知 （测出） 已知外载 允许裂纹尺寸a
确定
4.4.2 J积分（从能量角度）
弹塑性下，外力P对试样做功U，形变功U转变为试样弹性应变能 和塑性功，并对裂纹尖端应力应变场产生影响。 形变功差率
根据应力集中，在裂纹缺口附近形成不均匀应力分布，缺口顶端出现应力高峰，且随离裂纹尖端距离增加，应力逐渐降低——定性规律。
1957年Irwin研究受力裂纹体裂纹尖端附近应力应变分布情况，
裂纹长度为2a，无限大平板，得到裂纹尖端附近一点（r,θ） 的应力，位移：
要点：上式具有普遍意义： 1.一个结构中任何裂纹附近的应力分布是相似的，并且只依赖 于r和θ，不同裂纹构件的差别在于K1（应力强度因子）。 2. r很小，裂纹尖端附近才成立 （r→0） 3. K ↑ 至Kc, σ ↑至σc →开裂
③ 平面应变下三向拉伸应力状态对裂纹尖端塑性变形产生 约束，塑性区为平面应力下1/6。
实际塑性区大小要比以上分析要大，主要是由于塑性区应力松驰的结果。
④ 应力松驰使塑性区扩大一倍。 平面应力 平面应变
由于屈服，OG区内超过的应力必须由 邻近的OG区域承担，ABC面积=DBEF 面积。 计算结果和实测结果比较接近 由于裂纹尖端塑性区的存在，实际线弹 性应力场分布从ABC移至EF，如应按线 弹性问题处理，可将塑性区出现看作相 当于裂纹尺寸稍微增加。
材料的断裂课件
12
沿晶断裂原因：晶界上的一薄层连续或断续脆性第二相、夹 杂物，破坏了晶界的连续性；或杂质元素向晶界偏聚等引起。
沿晶断口形貌：当晶粒粗大时呈冰糖状；当晶粒细小时，断 口呈细小颗粒状，断口颜色较纤维状断口明亮，但比纯解理 脆性断口要灰暗些。
13
磨加工后，探伤发现表面出现 裂纹，严重的经敲击即脆断成 碎块。
杯锥状断口形成过程
7
光滑圆试样受拉伸力作用达到最大后，在局部产生缩颈； 试样中心区应力状态由单向变为三向；难于塑性变形；
导致夹杂物或第二相碎裂、或夹杂物 与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大、聚合就形成微裂纹。 显微裂纹连接，扩展，就形成锯齿形
的纤维区。 纤维区所在平面(即裂纹扩展的宏观平
特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
11
（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
一、断裂的类型
3
一、断裂的类型： 断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断。
19
（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
材料力学 论金属的断裂
工程材料力学期中作业班级成型2班姓名陶帅学号20113650论述金属的断裂一、基本介绍概念：金属材料在外力作用下断裂成两部分的现象。
磨损、腐蚀和断裂是机件的三种主要失效形式，其中以断裂的危害最大。
在应力作用下（有时还兼有热及介的共同作用），金属材料被分成两个或几个部分，称为完全断裂；内部存在裂纹，则为不完全断裂。
实践证明，大多数金属材料的断裂过程都包括裂纹形成与扩展两个阶段。
对于不同的断裂类型，这两个阶段的机理与特征并不相同。
二、断裂的基本类型弹性变形→塑性变形→断裂1，根据材料断裂前产生的宏观塑性变形量的大小来确定断裂类型，可分为韧性断裂和脆性断裂。
2，多晶体金属断裂时，按裂纹扩展路径可以分为穿晶断裂和沿晶断裂。
3，根据应力类型可分为纯剪切断裂和微孔聚集型断裂、解理断裂。
三、具体分析1，韧性断裂韧性断裂是金属材料断裂前产生明显宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量。
韧性断裂的断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角。
用肉眼或放大镜观察时，端口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是苏醒变形过程中微裂纹不断扩展和相连造成的，灰暗色则是纤维断口表面对光反射能力很弱所致。
中、低强度钢的光滑圆柱试样在室温下的静拉伸断裂是典型的韧性断裂，其宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。
当光滑圆柱拉伸试样受拉伸力作用，在试验力达到拉伸力-伸长曲线最高点时，便在试样局部区域产生缩颈，同时试样的应力状态也由单向变为三向，且中心轴向应力最大。
在中心三向拉应力作用下，塑性变形难于进行，致使试样中心部分的夹杂物或第二相质点本身碎裂，或使夹杂物质点与基体界面脱离而形成微孔。
微孔不断长大和聚合就形成显微裂纹。
早期形成的显微裂纹，其端部产生较大塑性变形，且集中于极窄的高变形带内。
这些剪切变形带从宏观上看大致与径向呈50º~60º角。
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。
沿晶断裂机理
沿晶断裂的定义及影响因素分析
沿晶断裂是一种金属材料失效的形式，其机理较复杂，主要受金属材料本身性质及环境因素的影响。
一般来说，当金属材料受到压力时，其原本的晶粒结构会发生变形和拉伸，如果压力超过了金属材料的极限，那么金属材料中的晶粒就会发生拉伸和断裂，最终导致材料的失效。
而沿晶断裂主要是由于金属材料中的晶界弱化，容易受到外界应力的作用，从而容易出现裂纹。
沿晶断裂主要受到以下因素的影响：
1. 化学成分: 金属材料的微观结构与化学成分密切相关。
异种原子的存在会破坏晶界结构，从而加速晶界弱化，并加剧沿晶断裂的风险。
2. 拉、压力: 金属材料长时间受到的高强度拉压力或周期性变化的应力都会使晶界变得松散和脆化，并会产生裂纹。
3. 环境因素: 氢、氧、水和化学物质等环境因素会影响到金属材料的断裂特性，尤其是在潮湿或腐蚀环境中，材料的断裂风险会更大。
4. 晶粒界性质: 晶界是金属材料中晶粒之间的界面，其中的杂质、热影响区域和织构改变会影响到晶界的力学性质，使其变脆而易于裂开，从而导致沿晶断裂现象的产生。
总之，沿晶断裂是材料疲劳失效和腐蚀等环境因素影响下的结果，其机理比较复杂。
对于工程师和研究人员来说，了解沿晶断裂的机理对于材料的设计、评估和维护至关重要。
材料的断裂失效形式与机理
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.5 硬度（hardness） ● 材料抵抗表面局部变形的能力叫硬度
材料的硬度与抗拉强度、弹性模量等有一定的关 联性，对材料的加工、磨损都有重要影响。
测试方法常有三种：压痕法、回跳法和刻痕法。
1. 布氏硬度HB（Brinell hardness）
布氏硬度是用一定载荷P，将淬火钢球压头压入被 测材料表面，保持一定时间后卸载，根据压入的直径d 的压痕面积A（图2-12）来获得。计算式为:
洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测 量低硬度和高硬度的金属材料。但洛氏硬度载荷大， 标尺不统一，不适用于测定硬而脆的薄层。薄层材料 一般采用维氏硬度测定。
表 2-1 三种类型的洛氏硬度值及应用
K 0.2 0.26 0.2
第二章 材料的断裂失效形式与机理
3. 维氏硬度HV（Vickers hardness）
3. 断口分析内容 断口分析一般涉及宏观分析和微观分析。
（1）宏观分析 用肉眼、放大镜或体视显微镜对断口进行直接观察，
依据断口的宏观形貌，初步确定失效模式和断裂起裂点， 为深入分析和判明失效原因提供依据。
（2）微观分析 采用多种分析仪器对断口进行观察和分析。一般采
用扫描电镜 (SEM) 和能谱仪（EDS），初步观察断口的 微观形态、确定材料成分，为后续所需的深度分析比如表 面分析如XPS、AES、SIMS等指明方向，厘清失效机理。
显微硬度的压头形状与维氏硬度一样，只是体积 小、载荷小，小到仅有几十克至几百克,。例如，10g、 50g、100g、200g。其压痕长度以微米表示，计算 公式为：
HVP＝1854.4P/d2 其中，P是g，d是μm。
(2-9)
第二章 材料的断裂失效形式与机理
金属材料的断裂和断裂韧性课件
4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
40
金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
41
金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因
第5章材料的断裂ppt课件
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
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（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
3）解理断裂
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2）解理断裂：
向拉应 力状态）下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿 一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
2
一、断裂的类型： 断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
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韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
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（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。
材料断裂模式分析
材料断裂模式分析材料的断裂模式是指在外力作用下材料内部出现破坏时，所呈现的特定形态和规律。
不同的材料在受到外力作用下，其断裂模式也会有所不同，这与材料的性质、结构以及应力状态等因素密切相关。
本文将从金属、塑料和陶瓷等不同类型材料的断裂模式展开分析，以便更深入地了解不同材料的破坏机制。
1. 金属材料的断裂模式分析金属材料在受到外力作用时，其断裂模式主要包括拉伸断裂、剪切断裂和扭转断裂等。
拉伸断裂是最常见的金属破坏形式，通常表现为材料的拉伸断裂韧性较好，会出现明显的颈缩现象。
剪切断裂则是金属在受到横向力作用时发生的一种断裂形式，其破坏表面呈现剪切痕迹。
而扭转断裂则是一种在材料受到扭转力矩作用下发生的破坏形式，通常发生在孔洞、螺纹等局部位置。
2. 塑料材料的断裂模式分析塑料材料的断裂模式主要包括拉伸断裂、冲击断裂和切割断裂等。
塑料材料的拉伸断裂表现为材料的延展性较好，在外力作用下会形成颈缩，随后破裂。
冲击断裂则是塑料在受到冲击载荷时破裂的一种形式，通常表现为材料的脆性破裂。
切割断裂则是在材料受到切割作用下形成的一种断裂形式，破裂面呈现出切割痕迹。
3. 陶瓷材料的断裂模式分析陶瓷材料的断裂模式主要包括脆性断裂、疲劳断裂和热疲劳断裂等。
陶瓷材料属于脆性材料，其在受到外力作用时容易发生脆性断裂，破裂表面呈现出光滑平整的特点。
疲劳断裂是陶瓷材料长期受到循环载荷作用时发生的一种断裂形式，通常表现为疲劳纹和疲劳破裂。
热疲劳断裂则是在高温下陶瓷材料受到热应力影响时发生的一种破坏形式。
通过对金属、塑料和陶瓷等不同类型材料的断裂模式进行分析，可以更加深入地了解不同材料的破坏机制和破裂规律。
这有助于我们在设计和选用材料时更加准确地评估材料的性能和可靠性，从而提高材料在工程实践中的应用效果和安全性。
希望本文能为读者提供有益的参考和启发。
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。
材料力学中的断裂行为
材料力学中的断裂行为材料力学是一门研究材料受力和变形的学科，而断裂行为是其中很重要的一个领域。
断裂行为的研究可以帮助我们更好地理解材料的组成和性能，并且对于工程实践也有着重要的意义。
1. 断裂的本质断裂是指材料在受到一定载荷作用下，出现裂纹并继续扩展，最终导致材料失效的过程。
在微观层面上，裂纹的形成和扩展与材料中的缺陷、晶界、化学成分等因素密切相关。
在宏观层面上，断裂往往与材料的韧性和强度密切相关。
2. 断裂模式材料在不同的载荷形式下，会出现不同的断裂模式。
通常有拉伸断裂、剪切断裂、扭转断裂等多种模式。
其中，拉伸断裂是最为常见的断裂模式之一。
在拉伸试验中，材料会受到拉伸载荷，裂纹会逐渐扩展，最终导致断裂。
3. 断裂韧性断裂韧性是材料在断裂之前所能吸收的能量，也可以说是材料抵抗断裂的能力。
高韧性的材料可以在裂纹出现后继续承受一定的载荷，从而延缓断裂的发生。
材料的断裂韧性与材料中的缺陷以及微观结构有着密切的关系。
4. 断裂机理断裂机理是指材料断裂的原因和过程。
不同材料的断裂机理也不同。
例如，金属材料的断裂通常是由于晶界的开裂和扩展导致的，而聚合物材料的断裂则与分子间作用力的强弱有关。
了解材料的断裂机理可以帮助我们更好地理解材料的性质和特点，并且可以指导工程设计和优化。
5. 断裂预测预测材料在特定载荷下的断裂行为是材料力学中的一个重要问题。
目前，常用的方法包括有限元模拟、强度理论等。
有限元模拟可以根据材料的力学参数和载荷情况预测材料的断裂位置和形态；而强度理论则可以通过数学模型预测材料在不同载荷下的断裂强度和断裂模式。
总之，断裂行为是材料力学中的一个重要领域，对材料的应用和工程实践有着重要的意义。
深入研究材料的断裂机理和断裂规律，预测材料的断裂行为，是未来材料力学研究的重要方向。
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2.1 材料失效形式
（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”号固态火箭助推器O型环橡胶密封圈 因零下气温弹性不足，导致燃料泄漏而爆炸
2.1 材料失效形式
（a）地面升空时刻 （b）机翼上的裂纹 （c）返回时解体爆炸
第二章 材料的断裂失效形式与机理
主 讲 人： 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
2018.2
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.1 材料失效形式 2.2 外力的作用形式 2.3 安全设计准则 2.4 断口分析 2.5 硬度 2.6 冲击韧性 2.7 疲劳应力 2.8 蠕变应力 2.9 断裂韧性 2.10 金属的失效模式与失效机理的关系
第二章 材料的断裂失效形式与机理
刚度准则的变形式是：
δi ＜ [δi ]
θi ＜ [θi]
（2-4）
φi ＜ [φi]
式中，i= x, y, z ；δi, θi , φi分别是构件的挠度、偏转 角和扭转角； [δi ]、[θi]、y [yφ, i]分别是对应变量下除以各
自的安全系数值下所允许的挠度、偏转角和扭转角。
OeA线: 弹。性变形阶段
AC线: 屈服变形阶段
CB线: 塑性变形阶段
Bk线： 失稳断裂阶段
e点： 弹性应力点
A点： 屈服应力最大点
C点： 屈服变形结束点
B点： 最大应力点
k点: 断裂点
图2-7 拉伸-位移曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
通过拉伸试验，可以测得材料的五大基本性能：
弹性模量: E= σ/ ε σ = Eε
断裂（fracture）、腐蚀（corrosion）、磨损 （wear）、畸变（distortion）和衰减 （attenuation）。
● 确定材料失效模式和起因，需要严格区分断裂、畸变、 腐蚀、磨损、衰减等不同的表现形式。
2.1 材料失效形式
● 断裂模式下的重大失效案例 ：
图2-1 大型运输船脆性断裂（1952年12月） ● 原因：船体对接焊缝因水流波动作用而发生开
图2-3“哥伦比亚”号返回时爆炸（2003年2月1日） ● 原因：“哥伦比亚”号升空时，坠落的保温层泡沫塑
料碎片撞击机翼左侧生成两条裂纹，返回地面 进入大气层时因摩擦产生高温，导致铝合金机 翼熔化而断裂
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2 外力的作用形式 材料的变形与外力(F) 作用的方式有关。作用在构
产生过量的弹性变形、甚至发生翘曲，最终导致失去 设计规定的功能。因此，构件的弹性应变必须限制在 设计规定的范围内：
F/AE = ε ＜ [ε]
(2-3)
其中：[ε]是许用弹性应变，它是弹性应变除以安全系 数ns的许可应变（allowable strain）。
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2. 刚度准则（rigidity criterion）
件上的外力共有五种形式： 拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。
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。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
刚度准则要求构件在外力作用下的弹性变形量不 超过允许的规定值，主要指挠曲、扭曲等弹性变形量。
● 畸变（distortion）是材料发生过量弹性变形而失 去结构稳定性的一种失效形式。它既涉及材料内部的弹 性变形，更涉及外部的结构变形。
畸变是在材料强度依然满足的前提下，因弹性变形 过量导致结构失去稳定性，从而不能达到设计规定的要 求。在许多转动件、连接件的结构系统中常会发生这种 特殊现象的失效。
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 ， 剪 应 力 τ (shear
stress)和剪应变γ (shear strain) 有如下的关系： τ = S/A （MPa） τ = G γ （MPa） γ = tanθ＝a/h (2-2) G＝E/2(1+ν) （MPa）
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.1 材料失效形式
材料失效形式（模式）与载荷方式、环境条件有 密切关系。在外力作用下，若构件的应力超过屈服强 度或抗拉强度，就会发生大塑性变形、导致截面分离 而断裂；若构件含有裂纹并发生裂纹快速扩展，则会 发生低应力的断裂。
尽管材料的失效形式多样，但可以分为五种：
● 解决方法 增强构件刚度(rigidity)的方式主要有：增加材料的
弹性模量和刚度、增大构件的横截面面积、改变构件的 截面形状、优化系统的结构形式。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行为。
材料的应变ε (strain)和应力σ (stress) 。
（a）应力应变曲线 （b）拉伸试验装置 图2-6 碳钢材料的拉伸应力-应变曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
● 材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化叫变形。 弹性变形：外力去处后能够恢复的变形； 塑性变形：外力去处后不能恢复的变形。
● 拉伸-位移曲线上的特征点与特征线
（MPa） （应力应变关系）
屈服强度: 。 σ σs= 0.2 = Fs/A0（MPa）
抗拉强度： σb= Fb/A0 （MPa）
(2-1)
延伸率： δ = ∆L/ L0 （∆L=L-L0 ）
断面收缩率：ψ = ∆A/A0 （∆A=A0-A）
其中，L0 、A0分别表示试样变形前标距长度和横截面积； L 、A分别表示试样断裂后标距拉伸长度和断口处的 横截面积。
其中, G为剪切模量，θ为剪切角， h为剪切高度，
ν为材料泊松系数 ν=∆d/∆ L。 图2-8 材料的剪切变形
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.2.4 典型材料的应力应变曲线
图2-9 典型材料的拉伸曲线
第二章 材料的断裂失效形式与机理
2.3 设计安全准则
1. 变形准则（deformation criterion） 构件在外力作用下产生弹性变形。外力过大时则