疲劳断裂案例分析资料
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。
03
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
02
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。
钢结构材料疲劳分析
钢结构材料疲劳分析疲劳是材料在反复应力作用下导致损伤和失效的一种破坏机制。
在工程实践中，钢结构材料的疲劳性能分析至关重要，因为它能帮助我们预测和评估结构在长期使用过程中可能发生的疲劳断裂问题。
本文将介绍钢结构材料疲劳分析的基本原理、方法以及应用案例。
通过对疲劳分析的深入研究，我们可以提高钢结构的可靠性和安全性。
一、疲劳断裂机理钢材在应力作用下的疲劳断裂主要是由于结构内部存在微观缺陷和应力集中的作用导致。
疲劳断裂过程一般可以分为以下几个阶段：1. 起始阶段：在应力作用下，钢材表面的微小缺陷会逐渐扩展形成微裂纹；2. 扩展阶段：微裂纹逐渐扩展并连接形成裂纹，此时的破坏速度加快；3. 稳定阶段：裂纹扩展速度基本保持稳定，并逐渐接近致命裂纹长度；4. 加速阶段：当裂纹长度达到一定程度时，裂纹扩展速度急剧增加；5. 破坏阶段：致命裂纹由裂纹尖端的破坏扩展至整个截面，导致结构失效。
二、钢结构材料的疲劳试验与评估钢结构材料的疲劳试验是疲劳分析的重要手段之一。
通过疲劳试验，我们可以获取钢材的疲劳性能曲线，进而对结构的疲劳寿命进行评估。
1. 疲劳试验方法常见的钢结构材料疲劳试验方法包括拉伸-压缩试验、转动弯曲试验和简支梁弯曲试验等。
这些试验方法可以模拟结构在实际工作状态下的载荷，通过对不同加载谱的试验可以获得钢材的疲劳性能曲线。
2. 疲劳性能评估疲劳性能评估是根据疲劳试验结果对钢材的疲劳寿命进行预测和评估的过程。
常见的评估方法包括S-N曲线法、极限状态法和损伤累积法等。
这些方法可以帮助我们了解结构在特定载荷下的疲劳性能，并进行疲劳寿命预测。
三、钢结构材料疲劳分析的数值模拟除了试验方法外，钢结构材料的疲劳分析还可以通过数值模拟的方式进行。
数值模拟可以通过有限元方法等手段，模拟结构在不同工况下的应力应变状态，进而评估结构的疲劳性能。
1. 有限元分析有限元分析是疲劳分析中常用的数值模拟方法之一。
通过将结构离散为有限数量的单元，可以对结构在不同工况下的应力应变进行精确计算。
疲劳断裂分析
损伤容限分析
总结词
损伤容限分析是通过评估结构中初始缺陷或损伤的扩展速率来预测结构剩余寿 命的方法。
详细描述
损伤容限分析关注结构中存在的初始缺陷或损伤，通过研究其在交变载荷作用 下的扩展行为，评估其对结构安全性的影响。该方法强调对损伤的监控和修复 ，以确保结构的长期可靠性。
有限元分析
总结词
有限元分析是一种数值模拟方法，用于预测结构的疲劳性能和寿命。
快。
解决方法
在设计阶段应考虑温度对结构的影响，选择适合工作环境的材料，并采取相应的热控制 措施，以保持结构的稳定性和耐久性。
加载频率
加载频率
加载频率对疲劳断裂有重要影响。高频 率的循环加载可以加速材料的疲劳损伤 ，降低结构的疲劳寿命；低频率的加载 则相对较慢。
VS
解决方法
根据实际工作需求，合理选择材料的加载 频率，并在设计阶段对不同频率下的疲劳 寿命进行评估，以确保结构的可靠性。
金属材料在循环应力作用下会 发生疲劳断裂，其疲劳极限取 决于应力幅和循环次数。
金属材料的疲劳裂纹通常起源 于表面缺陷，如划痕、缺口或 腐蚀坑。
金属材料的疲劳强度与材料的 纯度、晶粒大小、热处理状态 等密切相关。
高分子材料的疲劳特性
高分子材料在周期性应变作用下会发 生疲劳断裂，其疲劳极限取决于应变 幅和循环次数。
重要意义。
疲劳断裂的类型
高周疲劳
低周疲劳
材料在循环应力水平较高时发生的疲劳断 裂，通常与材料的屈服极限或强度极限有 关。
材料在循环应力水平较低时发生的疲劳断 裂，通常与材料的应变硬化行为有关。
热疲劳
接触疲劳
由于温度变化引起的热应力循环导致的疲 劳断裂，常见于热膨胀系数较大的材料或 高温环境下工作的部件。
疲劳破坏的案例
调查项目：疲劳破坏的案例1.航空发动机高压涡轮盘的裂纹航空发动机高压涡轮盘在使用后进行大修，对涡轮盘进行荧光检查，显示在涡轮盘辐板与封严臂根部转接处存在裂纹。
下图为扫描电镜对裂纹断口的观察理论分析臂根部的转接处，分布约3／4圆周，裂纹不连续，各裂纹各自起源，且裂纹源区粗糙，为典型的大应力起源特征；裂纹断口可见疲劳特征。
对开裂涡轮盘各部位进行外观尺寸检查，各关键尺寸均符合设计要求；裂纹附近亦未见明显的加工缺陷。
对涡轮盘材料进行了化学成分分结果表明，其化学成分符合标准要求；在故障件上取样进行了室温和高温下的力学性能测试，试验结果均满足标准要求。
涡轮盘在飞机飞行状态改变时所承受的离心力最大，此离心力为涡轮盘承受的主要应力。
从应力和寿命计算结果看，由于应力集中系数较大，涡轮盘辐板与后封严臂转接处为应力最大的位置，是涡轮盘最容易萌生裂纹的部位之一根据以上分析可得结论：故障涡轮盘辐板与后封严臂转接处的裂纹性质为低周循环疲劳开裂，该位置的疲劳应力过大是开裂的主要原因。
改进方法涡轮盘辐板与后封严臂转接处发生低周疲劳开裂，主要是应力水平较大，寿命储备低。
因此，一方面应在不影响涡轮盘功能的情况下增大该位置的R值，以降低该位置的应力集中系数，进而降低该位置的应力。
另一方面，在可能的情况下，提高涡轮盘的疲劳性能，增强其抗疲劳能力。
2.柴油机齿轮失效齿轮材料为45号钢，齿轮制造工艺为锻造→正火→粗加工→调质→精加工→滚齿→齿面淬火→磨齿。
齿轮上掉块的断口形貌。
在断口上能观察到贝壳状条纹，裂源区有许多宏观疲劳台阶条纹，裂源产生于齿根处，并有多个疲劳源。
理论分析该柴油机齿轮断裂属多源疲劳断裂。
引起疲劳的主要原因是由于热处理工艺控制不当，齿根及齿侧面未淬硬，因此造成齿根部材料的疲劳强度远低于设计要求，而齿根处所受工作应力较高，故导致在齿根处产生早期疲劳断裂。
这是热处理不良照成的缺陷，属于塑性畸变失效。
3. 汽车变速箱齿轮失效失效齿轮为载重汽车变速箱一挡齿轮，由渗碳钢制造，在进行台架试验时，未达到设计要求就发生断齿现象。
材料疲劳案例分析及设计
A. 减缓应力集中的措施
• 紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力集中。 若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部分，以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善配合面边缘处应力集中的情况
飞机金属疲劳与腐蚀疲劳
• 统计数据表明，飞机结构中有半数以上的破坏形式与 腐蚀或腐蚀疲劳有关。
• 由于具有重量轻、强度好等优越性能的高强度铝合金
已成为航空领域中使用最为广泛的金属材料。然而从
目前对高强度铝合金腐蚀疲劳的研究成果来看，铝合
金对腐蚀引起的破坏是敏感的，腐蚀环境往往会使铝 合金结构的疲劳寿命大大缩短。
材料疲劳破坏案例
报告内容
波音747的疲劳开裂 摩托车发动机连杆断裂原因分析
波音747的主要尺寸
波音747的疲劳开裂
波音747外表皮的成分分析： • 设计师为了减轻飞机自身重量，使得飞机能减少耗油量能 飞得更远，表皮采用的是铝合金。 波音747飞行速度与常识：
• 波音747一经问世，便赢得了全世界乘客的青睐。747集先 进技术于一体，是世界上最先进、燃油效率最高的飞机。 747-400是目前生产的唯一747机型，在气动性能方面有了 许多重要的改进。波音747是目前世界上运用最广泛的客 运飞机，也是最快的亚音速飞机，其速度能达到音速的 85%，即900km/h。
A. 减缓应力集中的措施
• 在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无坡口焊接 改善的多。
B. 增高表层强度
用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形 成预压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲 劳强度。或采用热处理和化学处理 ，如高频淬火、渗碳、氮 化等。
疲劳断裂分析课件
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系
钢的疲劳极限与抗拉强度的关系 疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：疲劳极限经验关系式
疲劳极限σR与抗拉强度σb 的关系：0.35～0.5 之间（R=-1）
旋转弯曲： 1 0.5b
4.2
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/m; B=-1/m.
✓ 最常用的一种拟合形式
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
1. S-N 曲线：数学表达
指数式（半对数曲线）
emS NC
4.3
SABlgN 4.4
式中：m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的 参数，A=lgC/mlge; B=1/mlge.
疲劳断裂分析
4.1 应力疲劳
3. 缺口构件S-N曲线：
① 疲劳缺口系数
定义：Kf＝光滑试样的疲劳强度/缺口试样的疲劳强度
Kf 1q(Kt 1)
4.17
q：缺口敏感系数介于0～1 之间，与材料性质及缺 口几何形状有关
q=1：表示材料对应力集中非常敏感，如塑性差的
结构钢等
塑性好的材料对应力集疲劳中断裂不分析敏感！
由此可得，基本上可承受的最大应力水平为150MPa。
疲劳断裂分析
Miner理论的应用实例：
例4-3：已知构件的S-N曲线满足σ2N=2.5*1010,一年内承
受的载荷谱如表4.2所示，试估算其寿命。 表4.2 典型块谱及其损伤计算
解：分别计算后的损伤如表中第四栏所示，可知一年内
的损伤累计：D1=0.121，则其服役年限可为： N=1/D1=1/0.疲1劳2断1裂=分8析.27年
汽车线束疲劳断裂分析及应对方案设计
汽车线束疲劳断裂分析及应对方案设计今天的TOPIC，是个头疼的问题--线束疲劳断裂，如果没有一定的失效经验积累或者有完备的实验验证方案，问题的突然发生，会让你感到惊讶不已。
什么是线束疲劳断裂？线束的金属导体（铜丝）在交变应力作用下（振动或者运动件产生），应力值虽然始终没有超过材料强度极限，经过长时间的应力反复循环作用以后，导体发生突然脆性断裂。
形象直观的生活案例：如图，手机充电线束尾部在长期使用，由于插拔时接口尾部线束受到扭曲弯转的应力，外护套首先开裂（外护套材质多为TPE），然后继续使用就会出现导体铜丝疲劳断裂。
那么研究充电线的耐折弯性能对改善充电线束的使用寿命变得尤为重要。
下方图片是疲劳断裂的导体断口位置的微观形貌，疲劳端口多发生在硬度差异的结合处，如上图充电线的圆圈位置，汽车线束线束固定卡扣的固定位置，导体会在长期挤压的位置形成凹痕，导体单丝之间会有相互运动产生的摩擦痕迹，一般导体断口位置会有一定的氧化。
线束疲劳断裂的危害手机充电线束的断裂只是影响我们手机充电，再借条充电线不影响我们看公众号、刷抖音，但作为汽车线束就大不相同，汽车线束作为高、低压电气/器部件的连接载体,承载整车的动力、信号传输，主导着整个汽车的安全与性能，汽车的载体是人，安全和客户感受尤为重要,。
线束疲劳断裂是线束的主要失效模式之一，汽车的车门线束、后背箱线束、发动机线束、车速传感器线束、新能源汽车的驱动电机线束（特别是轮边电机）、打气泵线束、空调压缩机线束等，在使用过程中承受弯曲载荷和振动载荷，恶劣环境下还要承受热载荷。
当这些汽车线束被运动或振动部件做周期性运动时，如果设计不合理，电缆耐弯曲性能不足，导体铜丝部分或全部会出现断裂、断股问题，就会影响车辆的正常功能及安全，目前整车对于导体断裂没有较好的检测手段，只有在线束导体完全短路、断路故障才能检测。
如果是新能源汽车高压线束突然发生短路，可能出线拉弧，对线束及电气部件甚至是整车造成不同程度的危害。
《疲劳断裂分析》课件
分析一起因桥梁疲劳断裂导致的事故，并总结教训。
2Hale Waihona Puke 案例二：飞机翼疲劳断裂事故
探讨飞机翼疲劳断裂事故的原因和改进措施。
总结
疲劳断裂的重要性
说明疲劳断裂对工程结构的重 要性和影响。
影响疲劳断裂的因素
列举影响疲劳断裂的常见因素 和变量。
预测与避免疲劳断裂
提供预测和避免疲劳断裂的一 些建议和方法。
《疲劳断裂分析》
本课程将介绍疲劳断裂的基本概念和理论，以及对材料和结构性能的影响。 你将学习疲劳断裂的形成机理、试验方法、预测与分析技术，以及如何防止 疲劳断裂发生。
疲劳断裂简介
什么是疲劳断裂
介绍疲劳断裂的定义和特点。
疲劳断裂对材料性能的影响
说明疲劳断裂对材料强度和可靠性的影响。
疲劳断裂形成机理
循环应力
循环应变
疲劳断裂曲线
解释循环应力如何导致疲劳断裂。 描述循环应变对疲劳断裂的作用。 阐述疲劳断裂曲线的特点和意义。
疲劳断裂试验
1 疲劳试验方法
介绍常用的疲劳试验方法 和标准。
2 疲劳试验数据与分析
讲解如何获取和分析疲劳 试验数据。
3 试验过程中需要注意
的问题
提醒试验中需要注意的关 键问题和技巧。
疲劳断裂的预测与分析
1
疲劳断裂寿命的评定
介绍常见的疲劳寿命评定方法和理论模型。
2
疲劳断裂的预测模型
讲解使用预测模型来预测疲劳断裂寿命。
3
疲劳断裂分析软件
推荐一些常用的疲劳断裂分析软件和工具。
防止疲劳断裂的方法
材料设计与选择 建立可靠的疲劳寿命预测模型 合理的结构设计
疲劳断裂事故案例分析
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案例一：桥梁疲劳断裂事故
关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！
关于疲劳断裂失效分析的干货，都在这里了！1.1 疲劳的定义疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的fatigäre一词，意思是“疲倦”。
人疲劳——身心劳累；材料疲劳——在循环载荷下的损伤和破坏。
定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。
1.2 疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。
W.A.J.Albert——德国矿业工程师，金属疲劳的最初研究者，1829年前后完成。
研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。
第一个金属疲劳研究——1842年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。
1.3 疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环：r=-1 脉冲循环：r=0 静应力：r=11.4 疲劳极限与应力-寿命曲线S-N曲线一般的应力-寿命曲线对称循环下两种类型S-N曲线平均应力对S-N曲线的影响1.5 影响疲劳寿命的因数应力集中的影响——有效应力集中因数理论应力集中因数S n为名义应力表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工2.1 疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例——20世纪50年代世界第一架民用喷气式客机“彗星号”系列事故。
原因：客舱结构疲劳开裂。
2.2 疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。
疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。
在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的60%~80%。
2.3 疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式；找出引起疲劳断裂的确切原因；采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生。
2.4 疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂；疲劳断裂的二级或三级失效模式；疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等；疲劳断裂的原因；疲劳断裂的机理；提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施。
疲劳分析案例
断口分析
微观分析
河流状花样
断口分析
断口分析
断裂叶片断口为典型的疲劳断口。动力涡轮的一次起动相 当于一次载荷大的改变，相应的形成疲劳弧线。而疲劳弧 线间的疲劳条带则是在试车过程中由于振动产生的。 主扩展方向上共有疲劳弧线约150条，由于该动力涡轮的 试验次数为252次。因此，该断裂叶片的扩展寿命占总寿 命的60％，而其萌生寿命仅占总寿命的40％。因此，该 叶片的断裂应是在试车过程中存在振动应力而造成的大应 力低周疲劳断裂。
某动力涡轮叶片断裂分析
——刘超 14125886
事件分析
某动力涡轮在起动机上试车，起动试验转速
由0→64000rpm，起动252次后动力涡轮有一个 叶片发生断裂，另有7片叶片在叶尖的排气边处 发生掉角。
该动力涡轮叶片未达到寿命要求。
动力涡轮为整体精铸件，材料为铸造镍基高温合金，铸造后经过热等
静压、真空热处理。
动力涡轮有一个叶片发生断裂，另有7片叶片在叶尖的排气边处发生 掉角。
断口分
叶片断面粗糙。 疲劳源区位于叶背靠进气边处，可见从源区发出的放射棱 线。 疲劳区从源区开始后分别向进气边、叶盆和排气边方向扩 展。 在疲劳区可见闪闪发光的小刻面，并可见弧形迹线，弧形 迹线的中心指向叶背，疲劳区面积约占整个断面面积的50 ％。
结论
叶片的断裂性质为大应力低周疲劳断裂。 疲劳源区位于叶背靠进气边处，源区未见明显的冶 金缺陷和夹杂。 在试车过程中存在振动而产生的大应力是造成该叶 片低周疲劳断裂的原因。
疲劳断裂机理及对策PPT课件(模板)
优
优
抗疲劳对策--材料选用
适用条件下选用屈服强度低（塑形好）的材料
原因： 屈服强度指标低反应材料晶体缺陷（位错）少，
晶界裂纹少
抗疲劳对策--加工过程
避免加工过程中造成微小裂纹或晶体位错增加
切削加工采用锋利刃具，小进给量，恰当的热量 传递等措施，可减少加工过程的裂纹
位错和晶界缺陷
晶界缺陷
晶体缺陷-位错
疲劳断裂机理-宏观缺陷
1.材料杂质，孔洞，切口等 2.加工过程形成的微小裂纹 3.构件几何特征（尖角，台阶）引起的加工过程造
成的残留内应力集中，释放后形成应变（缺陷） 4.构件存在的台阶断差等在负载下的材料应力突变
裂纹扩展
在交变应力或脉冲应力作用下，裂纹扩展--疲劳断裂定义。 幅度越大，频率越大则扩展速度越快
5，4）作为结构设计参数。
有利于减少加工过程造成的裂纹缺陷
或热变形处理改变晶体组织
避免尖锐形状，适当增大过渡圆弧
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于强度不足造成塑形变形或脆性断裂
表面强化（如喷丸处理）细化材料晶粒 疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹 屈服(Yielding)：开始产生塑性变形的临界状态
断裂力学即以裂纹形成，发展，扩充， 直至断裂过程为研究对象的学科
疲劳断裂过程，图片
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂机理-裂纹
疲劳断裂过程
疲劳断裂机理-缺陷形成
✓ 1 裂尖位错发射和断裂位错 ✓ 2 晶体疲劳和晶界 ✓ 3 脆性材料微小裂纹扩展 ✓ 4 变形和损伤
疲劳断裂机理-材料缺陷和裂纹
疲劳断裂机理-微观缺陷
实际构件应用中只有极少量构件断裂或破损由于 强度：构件抵抗破坏的能力
经典断裂案例
经典断裂案例断裂是指物体在外力作用下发生破裂分离的现象。
在工程领域中，断裂是一个非常重要的研究课题，因为它直接关系到材料的强度和耐久性。
下面我们将介绍一些经典的断裂案例，以便更好地理解断裂现象。
首先，我们来看一起经典的金属断裂案例。
在一次飞机事故中，飞机的机翼发生了断裂，导致了严重的后果。
经过调查发现，机翼的金属材料出现了疲劳断裂。
疲劳断裂是指在外力反复作用下，材料发生了微小裂纹并逐渐扩展最终导致断裂。
这一案例告诉我们，金属材料在长期使用过程中要特别注意疲劳断裂的问题，及时进行检测和维护，以确保安全可靠。
其次，让我们看一下塑料断裂案例。
在一次汽车碰撞事故中，车辆的塑料车身发生了断裂，导致了车辆损坏和人员受伤。
经过事故重现和材料测试，发现车身的塑料材料在受力过大的情况下发生了脆性断裂。
脆性断裂是指材料在受力过大时无法发生塑性变形而直接发生断裂。
这一案例提醒我们，塑料材料在设计和使用过程中要充分考虑其脆性断裂特性，避免在受力过大时发生断裂。
最后，让我们来讨论一下陶瓷断裂案例。
在一次工业设备事故中，陶瓷零部件发生了断裂，导致了设备停机和生产损失。
经过分析发现，陶瓷材料在受到冲击载荷时发生了脆性断裂。
这一案例告诉我们，陶瓷材料在设计和制造过程中要特别注意其脆性断裂特性，采取相应的增强措施，以确保设备的可靠运行。
通过上述经典断裂案例的介绍，我们可以看到不同材料在受力过程中可能发生的断裂现象，以及导致断裂的原因。
这些案例都提醒我们，要充分了解材料的断裂特性，合理设计和使用材料，以确保工程结构和设备的安全可靠。
希望大家在工程实践中能够引以为戒，避免类似的断裂事故的发生。
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
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。
减速机轴断裂原因分析(案例)
减速机轴断裂原因分析某煤矿从国外购进的减速机，安装使用30h余后，齿轮减速机轴发生弯曲，无法正常使用，在对弯曲的减速机轴进行冷校直时，轴突然发生断裂。
查阅减速机轴的有关技术资料，该轴采用17CrNiMo6钢制造，轴整体经调质处理后，表面进行中频处理，使轴表面及退刀槽根部洛氏硬度达到59～62HRC。
1理化检验1.1断轴宏观分析断裂位于减速机轴表面退刀槽根部，见图1。
图1轴断裂位置(mm)宏观断口见图2，断口表面有较明显的贝壳状花样，属于典型的疲劳断裂。
断口由疲劳裂源区、裂纹扩展区和瞬间断裂区三个区域组成。
图2宏观断口形貌仔细观察断口裂纹源区，其表面较平坦，尺寸在距表面5mm范围内(图2A处)。
裂纹扩展区贝纹线比较扁平。
瞬间断裂区在裂源的对面，呈椭圆形，断口形貌为纤维状，表明减速机轴主要受旋转弯曲应力。
断口瞬断区域较小、较圆约占整个断口面积的1/6，说明轴整体受力较小，属典型的高周疲劳断裂。
由疲劳区及贝纹线的形态可知，疲劳裂纹扩展过程中两侧较快，说明退刀槽根部有应力集中现象。
1.2断口微观分析用AMRAY21000B型扫描电镜观察样品断口，断裂起源于轴表面退刀槽根部，该处有机加工刀痕，见图3；裂纹扩展区可见疲劳条纹，见图4；瞬断区为细小韧窝。
图3断裂源形貌200×图4裂纹扩展区疲劳条纹400×1.3化学成分分析化学成分分析试样取自断口附近，分析结果(质量分数)列于表1，化学成分符合技术要求。
1.4洛氏硬度检测在断口附近取样，将横截面磨平，从边缘向心部逐点进行硬度测定，结果均在36～37HRC范围内；沿轴的纵向表面测定硬度，结果在38～39HRC范围内。
从硬度结果看出，轴的表面硬度与心部硬度相近，且均低于设计要求。
1.5金相检验在裂源附近取样进行金相分析，非金属夹杂物为A2，B1，D1e(按GB10561-1989评定)；晶粒度7.5级(按GB6394-1986评定)；疲劳源区及表面与心部显微组织均为回火索氏体，见图5。
疲劳损坏案例与分析
疲劳损坏案例与分析(一)胡讷敏疲劳失效（或称“疲劳损坏”）是承受交变应力构件的一种失效形式。
在机器设备应用中，疲劳失效可以造成小到齿轮、轴承一类的零件损坏，大到整台设备报废，甚至可能发生同时导致其他财产以致人身损害事故发生。
在机器设备向大型、精密、高速、高价值发展的今天，疲劳失效以其破坏性巨大和不容易发现、预防更具风险。
在保险实务中，若非对专业有所研究，一般对机器设备的疲劳损坏只是一种通俗理解，或者说只是一种概念性的了解。
而仅以通俗理解或概念性的的知识分析保险责任、处理赔付案件，其道理自然不免苍白，所以在对疲劳失效导致的设备损坏的保险责任分析上一直是难题。
这里将陆续介绍几个机损险项下疲劳损坏事故处理案例，同时提出个人见解，旨在抛砖引玉，希望引起注意与讨论。
案例一：压缩机曲轴断裂案这是一座中型化肥生产企业曾发生的事故：夜班工作时，正在运转中的氮氢压缩机主轴意外断裂，造成压缩机严重损坏，被保险人要求保险人在机器损坏险保单下予以赔偿。
因本案损失较大和专业性较强，接到报案后，保险人随即委托公估公司查勘处理。
经过查勘与现场了解，本案事故受损设备是一台功率为1300kw的氮氢压缩机，在夜班工作时发生巨响，随即停机，当时看到因巨大的震动使压缩机扭转位移、曲轴箱等部分箱体发生破裂。
拆开检查看到压缩机曲轴断裂，其他零件如连杆、活塞拉杆、轴瓦、瓦座、机体、曲轴箱等一大部分零件断裂或明显变形。
经过对曲轴断口检查分析，确定为疲劳断裂，进而判定该机事故发生原因和过程为，运转中的压缩机曲轴疲劳断裂后，运动的断裂件对相邻零件的撞击以及强大的惯性与震动力导致其它零部件断裂或变形损坏。
在对保险责任的分析判定上，公估人依据技术分析和对保单条款的理解，在确认事故原因是疲劳损坏的基础上，认为疲劳损坏属于机器设备运行必然引起的后果，随后根据保单关于除外责任条款中关于“机器设备运行必然引起的后果，如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应”的约定，认为不属于保险责任，建议保险人对本案事故损失拒赔处理。
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图2
图3
• 2 扫描电镜分析 • 断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图4(a)]；根据弧线 的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图4(d)]右上方拐角处， 局部放大，源区的细微组织大部分已磨损，但能看到放射 棱特征[图4(b)]；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹 [图4(c)]；断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口1是 最先开始断裂的断口，而断口2是二次断口。
图4
• 3、化学成分
• 在连杆身部位取样，进行化学成分(质量分数，%)分析，结 果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化学成分要求 。
• 4、结果分析
• 综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要求。 • 连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠近磨擦 面一端出现的蓝灰色的氧化膜，是黑色氧化铁(Fe3O4)及红色氧 化铁(Fe2O3)的混合体，其形成温度在400℃以上。表明该连杆 与一输出轴之间的磨擦导致该区域温度过热。 • 断口扫描电镜分析表明断口疲劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处， 正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增加，同时高温 提高了蠕变损伤的可能性。另一方面磨擦导致金属表面粗糙，容 易形成表面应力集中，增大疲劳源产生的可能性。
案例分析
广东某摩托车厂一辆摩托车在运行了2000km 后发生机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴 连杆断裂。 • 据悉该连杆材料为20CrMnTi，表面经过渗碳处 理。 • 连杆工作原理见图1， 连杆的往返运动带动两 传动曲轴转动。
20CrMnTi是合金结构钢，含碳量0.2%左 右，含锰1%左右，含钛1%左右。这种 材料一般做轴类零件。要求渗碳。 图1
• 截面尺寸突然改变处（如阶梯轴的轴肩），采用半 径足够大的过渡圆角，以减轻应力集中。
• 因结构上的原因，难以加大过渡圆角的半径时，可 以在直径较大的部分轴上开减薄槽或退刀槽。 • 紧配合的轮毂与轴的配合面边缘处，有明显的应力 集中。 若在轮毂上开减荷槽，并加粗轴的配合部 分，以缩小轮毂与 轴之间的刚度差距，便可改善 配合面边缘处应力集中的情况 • 在角焊缝处，采用坡口焊接，应力集中程度要比无 坡口焊接改善的多。
改善材料疲劳限或疲劳强度的方法
一般难以改变零件的使用条件，需尽量 改善零件设计，如从表面效应着手。只要 防止结构材料与机械零件表面应力集中、 阻碍位错滑移堆积、抑制塑性变形，则疲 劳裂纹不易成核亦难以扩展，将使疲劳限 或疲劳强度增加。 1、减缓应力集中 2、增强表层强度
1、减缓应力集中的措施
• 设计中要避免出现方形或带有尖角的孔和槽。
目录
• 一、疲劳失效知识点回顾
• 二、疲劳断裂案例分析
疲劳断裂的特征
• 一、疲劳与断裂的概念
1、疲劳：金属材料在应力或应变的反复作用下发生的 性能变化称为疲劳； 2、疲劳断裂：材料承受交变循环应力或应变时，引起 的局部结构变化和内部缺陷的不断地发展，使材料的力学 性能下降，最终导致产品或材料的完全断裂，这个过程称 为疲劳断裂。也可简称为金属的疲劳。引起疲劳断裂的应 力一般很低，疲劳断裂的发生，往往具有突发性、高度局 部性及对各种缺陷的敏感性等特点。
• 1 宏观检查
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失效连杆件有两个断 口在连杆断裂端的轴承弧 面可见许多与断口平行的 裂纹[图3(a)]； 断裂端一侧面存在强烈磨 擦痕迹[图3(b)]，磨损深 度达0.5mm； 轴承弧面靠近磨擦侧面一 端可见蓝灰色的高温氧化 痕迹[图3(c)] 。 断口1较为光滑平整，断 口边缘已磨损，中部可见 疲劳弧线[图3(d)]； 断口2未见疲劳弧线。
四、疲劳断裂的特点
• （1）断裂时没有明显的宏观塑性变形，断裂前没 有明显的预兆，往往是突然性的产生，使机械零 件产生的破坏或断裂的现象，危害十分严重。 • （2）引起疲劳断裂的应力很低，往往低于静载时 屈服强度的应力负荷。 • （3）疲劳破坏后，一般能够在断口处能清楚地显 示出裂纹的发生、扩展和最后断裂的三个区域的 组成部劳断裂的特征
宏观：裂纹源—→扩展区—→瞬断区。 • 裂纹源：表面有凹槽、缺陷，或者应力集中的区 域是产生裂纹源的前提条件。 • 疲劳扩展区：断面较平坦，疲劳扩展与应力方向 相垂直，产生明显疲劳弧线，又称为海滩纹或贝 纹线。 • 瞬断区：是疲劳裂纹迅速扩展到瞬间断裂的区域， 断口有金属滑移痕迹，有些产品瞬断区有放射性 条纹并具有剪切唇区。 微观：疲劳断裂典型的特征是出现疲劳辉纹。 • 一些微观试样中还会出现解理与准解理现象（晶 体学上的名称，在微观显象上出现的小平面）， 以及韧窝等微观区域特征。
5、结论
• 曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的原因是在使用 时连杆受到剧烈磨擦，导致局部区域应力集中及温度过高， 降低了材料的疲劳强度。连杆拐角处表面的较大块状碳化 物加速了裂纹的萌发及扩展。
6、改进
• 设计时减少摩擦处的粗糙度，可以减少应力集中，降低零 件的疲劳强度 。同时减少摩擦带来的高温，减少了蠕变 损伤的可能性 。 • 改善渗碳工艺，连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不 当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的， 特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因 此在渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过 高的碳势引起工件表面形成粗大的碳化物。
• 断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受 力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，容易在此 断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存 在较粗大的状碳化物，破坏了基体组织的连续性，加速了 裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，最终导致了疲劳断 裂。 • 连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的 块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工 件尖角处形成，导致零件寿命显著下降。因此在渗碳过程 中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起 工件表面形成粗大的碳化物。
2、增强表层强度
• 用机械法强化表层（如滚压、喷丸等），使构件表面形成预 压应力层，减弱易引起裂纹的表面拉应力，从而提高疲劳强 度。或采用热处理和化学处理 ，如高频淬火、渗碳、氮化等。 • 采用直径0.1-1mm小钢珠 以高速冲击试样表面，以 去除表面锐角、毛边等易 喷 应力集中处，且使表面压 丸 缩至钢珠直径的1/4-1/2深 处 度，使零件表面产生残余 理 应力而抑制疲劳裂纹的扩展。
• 二、疲劳断裂的分类 1、高周疲劳与低周疲劳
如果作用在零件或构件的应力水平较低，破坏 的循环次数高于10万次的疲劳，称为高周疲劳。 例如弹簧、传动轴、紧固件等类产品一般以高周疲 劳见多。
作用在零件构件的应力水平较高，破坏的循环次 数较低，一般低于1万次的疲劳，称为低周疲劳。 例如压力容器，汽轮机零件的疲劳损坏属于低周疲 劳。
2、应力和应变来分
• 应变疲劳——高应力，循环次数较低，称为低周 疲劳； • 应力疲劳——低应力，循环次数较高，称为高周 疲劳。 • 复合疲劳，但在实际中，往往很难区分应力与应 变类型，一般情况下二种类型兼而有之，这样称 为复合疲劳。
3、按照载荷类型分类
• • • • • • 弯曲疲劳 扭转疲劳 拉压疲劳 接触疲劳 振动疲劳 微动疲劳