材料断裂理论与失效分析知识点
作业：（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构
◆材料为镍基高温合金，为什么？
◆服役环境的要素有哪些？
◆有可能发生的失效类型是什么？
◆如何设计实验确定失效的类型？
◆改进的建议和措施
一．涡轮叶片的材料
涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。
涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金。有的镍基高温合金含镍量达到70%左右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有：
1.物理性能。具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。
2.耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛。
3.机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。
4.高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。
5.热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊。
总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。
二.涡轮叶片的服役环境
涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有：
1.不均匀的高温条件下工作。涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720℃～1120℃，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。
2.高转速条件下工作。涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。
3.高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。
4.受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。
三．可能发生的失效类型
根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。
1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。
大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。
2.非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。
总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。
四．设计实验确定失效的类型
1.疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。
2.蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。
另一个特征是高温氧化现象，在端口表面形成一层氧化膜。沿晶断裂截面上可以清楚地看到局部晶间的脱开及空洞现象，端口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。
3.过载断裂。金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征，其宏观端口与拉伸试验端口
极为相似。过载断裂的微观特征为塑性变形痕迹及穿晶断裂特征。
4.实验确定失效类型。
（1）失效产品直观检查。首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观察断口的颜色，是否有其他的金属飞溅物，是否存在氧化膜。观察断口附近是否有明显的塑性变形，是否存在严重的掉快现象。
（2）宏观分析。用扫描电镜观察端口的宏观形貌特征，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂纹的扩展方向；观察断口表面的条纹花样，观察是否存在明显的疲劳源区（通常出现在构件表面）、扩展区（弧线、人字纹）、瞬断区（高塑性为纤维状，脆性为晶粒状或放射状），并确定断裂区于疲劳源区的相对位置；观察外围是否存在剪切唇。大致确定叶片的失效类型。
（3）微观分析。用电子显微镜观察端口的微观形貌特征，寻找是否存在条状花样，尤其是疲劳辉纹即具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状花样。观察是否存在塑性变形痕迹，并确定断裂为穿晶断裂还是沿晶断裂。
（4）相结构分析。用X-射线衍射XRD分析断口附近的相组成，并与叶片原材料镍基合金中的相结构进行对比，根据新生相或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂时或断裂前发生的变化。从而更加准确的推断断裂失效类型。
（5）应力分析。用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂时的应力状态，从而更好地区分过载断裂与疲劳断裂和蠕变断裂，并可以用于区分为疲劳断裂的哪一种类型。
（6）热损伤分析。用硬度仪对叶片断口及附近进行硬度测量，并结合前面测出的断口附近的相组织，对叶片的超高温状态进行评价，分析叶片是否存在超高温过热迹象。
通过对以上几步的结果进行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型。
五.改进的建议与措施
1.涡轮叶片材料。目前航空发动机涡轮叶片使用的材料主要是以镍、钴、铁为基的合金，其熔点在1800K左右。但为了为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、重量轻的情况下获得高性能，主要的措施是采用更高的燃气温度，这就使得涡轮叶片的工作环境更为苛刻。为了更好的使涡轮叶片适应更高的要求，可以加快研发采用耐热性更高的铌或钼基合金。并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护。
2.结构优化设计。（1）对涡轮盘和涡轮叶片的形状进行优化，减少涡轮旋转的摩擦与阻力，降低涡轮工作
时的应力应变脉动。（2）采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的降低涡轮质量从而达到不需要太大提高燃气
温度而提高发动机性能的目的。（3）优化涡轮盘及涡轮叶片，改变其固有频率，使固有频率与涡轮工作时的振
动频率相差较远，降低振动对涡轮的影响。（4）采用更有效的冷却系统，这可以有效的降低涡轮叶片的工作温度，延长涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的进口温度，增加涡轮发动机的性能。
3.工艺优化设计。采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极大的提高涡轮的工作性能。（1）采用先进的制备工艺：先进的铸锻变形工艺——提高了坯件的质量与塑性；粉
末冶金工艺——提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力学性能；喷射成形工艺——获得整体致密、成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料坯件。（2）采用先进的成形技术：等温超塑性锻造
成形——加工余量小，表面完整，组织均匀；接近等温变形条件的涡轮盘锻造——提高高温塑性；直接热等静压成形——以最小的加工余量成形接近零件最终形状的半成品。
零件失效分析方案设计
实验原理
1．材料常见的失效形式及其判断方法；
2．材料典型断裂失效断口的形貌及其特征；
3. 断口分析技术；
4．裂源及裂纹扩展方向的判别；
5. 力学性能测试技术。
失效分析
⑴选择失效零部件，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。
⑵调查零部件的服役条件和失效过程。
⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。
３.５：收集资料：该零件在相同＼不同工作条件下的实效形式，观察断口情况，统计相关信息；对本零件的实效可能性做出几种假设，在以后实验中留意相关证据，验证假设是否正确。（ＰＳ：有点类似人工智能的推理模式）
⑷试验研究
实验方法与步骤
1、对整个零件进行检查，包括
（1）断裂形式、部位及塑性变形情况，并注意裂纹源区；
（2）有无腐蚀痕迹；
（3）有无磨损迹象；
（4）表面状况（有无机械损伤，颜色变化，氧化及脱碳现象）；
（5）原材料质量，加工缺陷等。
（６）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我们最后要得出的。
2、断口宏观分析
用放大镜观察断口表面，主要内容有
（1）裂纹源与终止点；
（2）断裂面、裂纹扩展方向；
（3）断口附近的塑性变形情况；
（4）断口是否清洁光亮；
（5）断口结构特点、贝纹特征及终端区大小，
（6）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我们最后要得出的。并拍照留据。
3、断口硬度检测
在断口附近取若干个样本检测点，用洛氏硬度计进行硬度检测并与标准硬度值进行比较。
4. 金相检测
在断裂件上截取金相试样，经镶嵌、打磨和抛光，再用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在金相显微镜下进行显微组织观察。
5. 下结论：通过以上实验得出一个结论：
对预防该类零件的实效提出建议：
对本实验做一个总结：缺点和优点，值得改进与发扬的地方。
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。
一、失效的基本概念
所谓失效——主要指机械构件使用过程中由于尺寸、形状或材料的组织或性能发生变化而引起的机械构件不能完好完成指定功能或丧失原来设计功能的现象。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。
二、失效的形式
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。
三、失效分析目的
1.防止同类失效现象重复发生
2.失效分析是改进机械产品设计及制造工艺的依据
3.消除隐患，确保机械产品安全可靠
4.失效分析可以提高机械产品的信誉
另外，失效分析还能为产品的仲裁、索赔，制定指令性文件等提供重要依据。失效分析对质量控制、材料的发展及规划、仪器设备的正确维护和使用等也可提供合理化意见。
四、失效分析方法
1.原始资料的收集
原始资料指工件服役前的全部经历、构件的服役历史和断裂时的现场情况等。
（1）构件服役前的经历
首先要了解构件设计依据，其次是了解构件的制造和加工工艺，然后了解构件的物理性质、力学性能和化学成分分析的检验报告，最后了解构件的安装及试车情况等。
（2）构件的服役历史
实际上很难知道构件的全部服役历史，这就必须从零星的使用情况综合工件服役时的负载变化，尽量从使用条件中得到一些分析依据。
（3）现场记录及残骸的收集
断裂失效发生后，要求分析人员亲临现场，深入了解发生时的各种条件和事故过程。对于散落的碎片，均应观察其所处位置、环境、取向，经详细记录或摄影方可移动。同时还应注意损坏构件与其他构件之间的关系，并且记录。
收集碎片应尽可能齐全，尤其是首先断裂的部分。除沾着的腐蚀性介质应即时洗去，对端口上的其他物质，一般不处理，待进行详细断口观察后再处理。
2.断口分析
断口分析是断裂失效分析的最重要的分析过程。
断口观察包括宏观和微观观察。
（1）断口的宏观观察
断口的宏观观察是指用肉眼、放大镜、光学显微镜及扫描电镜的低倍观察。
首先用肉眼或放大镜观察断裂构件的外貌，应特别注意构件碎片的表面观察，看看有无加工缺陷，是否存在应力集中地薄弱环节以及表面损伤。
接着，根据断口的宏观特征来确定裂纹源及裂纹的扩展方向。
（2）断口的微观观察
断口的微观观察通常应用电子显微镜。通过对断口的微观观察可以进一步澄清断裂的路径、断裂的性质、环境对断裂的影响等因素外，还将找出断裂的原因及断裂机理。
应用扫描电镜可直接观察实物断口表面，可连续放大。电子图像立体感强，是分析断裂失效最有力的工具。
3．化学分析
在失效分析中，为了查明材料是否符合规定要求，必须进行化学成分分析。
4.金相检验
金相检验在断裂失效分析中也是经常应用的一种重要手段，有些损坏构件往往只需做金相检验就可以查明损坏的原因。
金相检验主要内容有晶粒大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的变化，以及夹杂物、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。
5.模拟实验
所谓模拟实验，是指把已知条件下断裂的断口形貌与未知条件下断裂者进行比较，从而初步判断分析是否正确，也称为对比实验。
实际情况中，要对实际失效进行全部模拟是很难做到的，但是对其中一个或者两个参数或参量进行模拟，还是可以办到的。
6.综合分析
失效分析进行到一定阶段，需要对各种检查和实验所得结果和基本实验数据进行全面的分析研究。
一般而言，可以从各种检测结果、实验数据和记录的综合分析中，得出失效分析的一种或几种主要原因，并且提出改进措施。
最后，应做出全面详细的失效分析报告：
（1）失效构件的描述
（2）失效时服役条件
（3）失效前服役条件
（4）构件制造及热处理过程
（5）失效构件材料冶金质量评定
（6）各种物理、化学、力学实验
（7）失效主要原因及其影响因素
（8）预防措施及其改进意见等
三、实验内容与步骤
㈠实验内容
1.失效分析的目的
⑴防止同类失效现象重复发生
⑵失效分析是机械产品设计、制造的依据
⑶消除隐患，确保产品安全可靠
⑷失效分析可以提高产品的信誉
2.失效的形式及其类型
失效的分类比较复杂，按其失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。
⑴断裂失效
断裂是指金属或合金材料或机械产品在力的作用下分成若干部分的现象。它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。
断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。
断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
⑵变形失效
所谓变形通常是机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。
变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时变形量。一般情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效将使机械构件表面不留任何损伤痕迹，仅是金属材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。
⑶磨损失效
磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。
磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。
磨损失效的类型有：①粘着磨损失效；②磨粒磨损失效；③腐蚀磨损失效；④变形磨损失效；⑤表面疲劳磨损失效；
⑥冲击磨损失效；⑦微振磨损失效等。
⑷腐蚀失效
腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济上所造成的损失是相当严重的。
由于腐蚀作用是机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。
腐蚀失效的类型有：①直接化学腐蚀失效；②电化学腐蚀失效；③点腐蚀失效；④局部腐蚀失效；⑤沿晶腐蚀失效；
⑥选择性腐蚀失效；⑦缝隙腐蚀失效；⑧生物腐蚀失效；⑨磨损腐蚀失效；⑩氢损伤失效；o11应力腐蚀失效等。
3.失效分析方法
进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。因为机械构件多数是在运行过程中发生断裂失效的，每当一个零部件断裂损坏时，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有着十分密切的关系。查找原因时要从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，并根据损坏的原因、机理、类型和阶段，进行分析判断，制定出改进措施。
断裂过程是个动态过程，对断裂直接进行观察分析是比较难的；而断口是断裂的静态反应，如果对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等。因为断口如实地反映了机械构件断裂的全过程，及机械构件裂纹的萌生与扩展
过程，断口分析是机械构件断裂失效分析的一个重要手段。
为了取得更好的分析效果，对这一分析手段还必须辅以一系列其他的检验方法，如无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、X 射线分析、断裂韧性试验、电子能谱分析、模拟试验等。最后将上述分析和试验的结果与数据进行综合分析，并提出改进措施，写出失效分析报告。
⑴原始资料的收集
原始资料是指构件服役前的全部经历、服役历史和断裂时的现场情况等。此外，还要从散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。
⑵碎片（或断片）的选择与保存
①主裂纹的判别
进行断口分析时，首先要选择最先开裂的构件断口。有时一个构件在断裂过程中形成几个断片时（如高压容器或锅炉爆炸事故等），也要选择最先断裂的断口，即主裂纹所形成的断口。
经常使用的主裂纹的判别方法有：T 型法，分枝法，变形法和氧化法等四种方法。四种判别方法如图所示。 T 型法 将散落的断片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T 型。
分枝法 将散落的断片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝型。在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向通常为裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。
变形法 将散落的断片按相匹配断口合并，构成原来机械构件的几何形状，测量其几何形状的变化情况，其变形量较大的部位为主裂纹，其它部位为二次裂纹。
氧化法 在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验断口各个部位的氧化程度，其中氧化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。
断裂失效分析过程中，主裂纹所形成的断口损伤很严重而不能提供断裂形貌特征时，则要分析研究二次裂纹所形成的断口。
二次裂纹的判别方法如上所述。二次裂纹的类型有：分枝的二次裂纹；横向取向的二次裂纹。利用二次裂纹选取断口试样主要是下面几种情况：
1）主裂纹化学腐蚀严重。如环境断裂条件下，主裂纹不能提供断口形貌特征时；
2）擦伤严重的主裂纹断口不能反映断裂形貌特征；
3）高温条件下的主裂纹断口，往往有一层较厚的氧化膜；
4）分析研究断裂机理、断口精细形貌特征时，要详细地观察形貌特征。
③断口的保存
在分析损坏现象时，材料断裂的发生及传播过程与断口形貌的对应关系是很重要的。根据材料断裂的条件和断口形貌特征可分析出材料的断裂原因。因此，对断口表面必须保护得非常完整，不能碰伤，严防用手抚摸断口表面，以保持断裂时的原有状态。特别是在机械构件断裂失效后，往往会使构件断面擦伤和锈蚀，所以在分析过程中要十分注意对断口的保存。
为了全面地进行失效分析，除了断口分析所需的试样之外，其它分析检验项目还需要各种试样，如机械性能试样、化学分析样品、电子探针试样、金相试样、表面分析试样、断裂韧性试样和模拟试验用的试样等。这些试样均要在选择断片时考虑进去，要从构件有代表性的部位上截取。在截取之前都应在构件上画好截取的部位，用草图和照相记录，标明是哪种试样，以免弄混而导致错误的分析结论。
截取试样时要小心保护断口或裂纹，使截取下的试样不受损伤，不改变断口形貌及微观组织形态，不受高温的影响或者其它的化学腐蚀，使断片或断口保持干燥。无论用什么方法截取试样时，都要远离断口表面，要避免断口受到损伤，尤其是裂源更要加强保护。如果将裂源损伤，则将很难进行断口分析。
4. 断口分析方法
断口分析是断裂失效分析的最重要的分析手段。在断口分析技术中，最关键的两项工作是：⑴断口的选择；⑵断口的
观察。
断口观察包括宏观观察和微观观察。断口宏观观察主要是确定裂源位置及裂纹的扩展方向；断口微观观察是在宏观观察基础上，对裂源区、裂纹扩展区及最终断裂区进行检验。通常是应用电子显微镜、电子探针、离子探针及俄歇谱仪等工具来观察或检验微观形貌特征，微量或痕量元素对断裂的影响等，进一步判断和证实断裂的性质及方式。在断口分析中必须注意这二者的结合并用。
在失效分析中，为更好地获得分析结果，除了进行断口分析之外，还必须进行化学、力学、物理等试验分析，包括化学分析、金相检验、结构分析、断裂力学分析、模拟试验、综合分析等。
㈡实验步骤
1.对实验样品进行初步分析。
2.利用金相显微镜和体式显微镜对断口进行观察分析。
3.寻找失效原因。
四、实验结果与数据处理
观察到的裂纹如下
工程结构材料的失效形式通常为断裂、腐蚀、磨损，其中断裂是常见的失效形式之一。材料的断裂按照断裂路径可划分为正断和韧断。正断是在正应力作用下材料原子面间的结合力被破坏，断裂无明显的宏观变形，微观断口具有结晶学特征；韧断是在切应力作用下材料内位错的滑移导致滑移面分离而断裂，断裂具有明显的宏观变形，断裂特征为滑移蛇形花样，工程结构材料的实际断裂往往是二者的结合。
五、分析与讨论
1.解理断裂与韧窝断裂失效有何差异？
答：裂纹沿解理面形核、扩展而导致的脆性断裂，韧窝在晶粒内时属于穿晶断裂，韧窝在晶界上时属于沿晶断裂，如高温蠕变断裂。
2.韧性断裂与脆性断裂有何差异？
答：韧性断裂是断裂前发生了较明显的塑性变形，断裂前未发生较明显的塑性变形。
3.穿晶断裂与沿晶断裂有何差异？
答：沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。穿晶断裂时裂纹穿过晶粒内部扩展。穿晶断裂可以是宏观塑性断裂，也可以是宏观脆性断裂。如低碳钢试样在室温下进行拉伸试验时的断裂，即穿晶断裂。
4.韧性断裂断口的特征三要素是什么？
答：是剪切唇，放射区，纤维区。
金属--断裂与失效分析报告 刘尚慈
金属断裂与失效分析（尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC / Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界开位移） J积分判据：对一定材料在大围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。开型裂纹不断裂的判据为：
J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。 五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如： ①铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，
PCB失效分析技术及部分案例
PCB失效分析技术及部分案例 作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题。 对于这种失效问题，我们需要用到一些常用的失效分析技术，来使得PCB在制造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证，本文总结了十大失效分析技术，供参考借鉴。 1.外观检查 外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB 的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。另外，有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。 2.X射线透视检查 对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X 射线透视系统来检查。X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。目前的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维（5D）的设备用于封装的检查，但是这种5D的X光透视系统非常贵重，很少在工业界有实际的应用。 3.切片分析 切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB
各类材料失效分析方法
各类材料失效分析方法 Via 常州精密钢管博客 失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。 失效分析流程 图1 失效分析流程 各种材料失效分析检测方法 1 PCB/PCBA失效分析 PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
图2 PCB/PCBA 失效模爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。 常用手段· 无损检测： 外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，C-SAM检测，红外热成像表面元素分析： 扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS) 显微红外分析(FTIR) 俄歇电子能谱分析(AES) X射线光电子能谱分析(X PS) 二次离子质谱分析(TOF-SIMS)· 热分析：· 差示扫描量热法(DSC) 热机械分析(TMA) 热重分析(TGA) 动态热机械分析(DMA) 导热系数(稳态热流法、激光散射法) 电性能测试： · 击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移· 破坏性能测试： 染色及渗透检测
2 电子元器件失效分析 电子元器件技术的快速发展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基础，元器件可靠性工作的根本任务是提高元器件的可靠性。 图3 电子元器件 失效模式 开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等 常用手段· 电测：连接性测试电参数测试功能测试 无损检测： 开封技术(机械开封、化学开封、激光开封) 去钝化层技术(化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层) 微区分析技术(FIB、CP) 制样技术： 开封技术(机械开封、化学开封、激光开封) 去钝化层技术(化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层) 微区分析技术(FIB、CP) 显微形貌分析： 光学显微分析技术 扫描电子显微镜二次电子像技术 表面元素分析： 扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS) 俄歇电子能谱分析(AES)
金属力学性能与失效分析
五，金属的断裂韧性 传统的机械设计是建立在一个基本假设的基础上，即认为材料是连续的、均匀的、各项同性的可变形体。设计构件时不仅要满足强度、刚度和稳定性这三点要求，同时还要满足成本低、重量轻、耗能小、容量大的要求。而原来的传统设计方法已不能合理的解决以上问题，断裂力学则是为适应这一要求而发展起来的学科，是现代强度学科的重要组成部分。 断裂力学是从实际材料中存在缺陷和裂纹出发，把构建看成是连续和间断的统一体。研究带裂纹材料中裂纹拓展的规律，分析裂纹尖端应力、应变分布，并建立断裂判据，用以解决工程构建中的低应力脆性断裂问题。这一整套计算方法和设计原则，使工程中低应力脆断得到合理的说明和解决，使灾难性事故减少发生。宏观断裂理论包括线弹性断裂理论和弹塑性断裂理论。线弹性断裂理论主要研究脆性断裂。而脆性断裂主要以格里菲斯（Griffith）理论为基础。格里菲斯关系式是根据弹性材料和非常尖锐裂纹的应力分布推导出来的。平面应力下的格里菲斯公式为： σ= （5-1） 平面应变下的格里菲斯公式： σ= 5-2） 式中σ—工作应力； E—弹性模量； a—裂纹半长； r s ——比表面能； 图5-1 裂纹扩展三种类型 a-张开型；b-滑开型；c-撕开型 5.1.1应力强度因子 5.1.1.1 裂纹扩展方式 根据裂纹面的位移方式，将裂纹分为三种类型：Ⅰ型或张开型（拉伸型）；Ⅱ型
或滑开型（面内剪切型）；Ⅲ型或撕开型（面外剪切型）；如图5-1所示。 5.1.1.2裂纹尖端的应力场和位移场 （1）Ⅰ型裂纹尖端的应力分量，如图5-2所示。 ) 23 s i n 2s i n 1(2c o s 2y θ θθπσ+=r K I 23c o s 2s i n 2c o s 2θ θθπτr K I xy = 图5-2 双向拉伸作用下的格里菲斯裂纹 图5-3 Ⅱ型Griffithlith 裂纹 Ⅰ型裂纹中y σ是引起断裂的关键性的应力。当0=θ时，则 r K I y πσ2= ) 23sin 2sin 1(2cos 2x θ θθπσ-= r K I
材料断裂理论与失效分析知识点
作业：（8）航空发动机涡轮盘-叶片结构 ◆材料为镍基高温合金，为什么？ ◆服役环境的要素有哪些？ ◆有可能发生的失效类型是什么？ ◆如何设计实验确定失效的类型？ ◆改进的建议和措施 一．涡轮叶片的材料 涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。 涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍为基础的合金。有的镍基高温合金含镍量达到70%左右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有： 1.物理性能。具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。 2.耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气氛。 3.机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。 4.高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。 5.热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工电弧焊。 总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。 二.涡轮叶片的服役环境 涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有： 1.不均匀的高温条件下工作。涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720℃～1120℃，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。 2.高转速条件下工作。涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。 3.高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。 4.受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。 三．可能发生的失效类型 根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。 1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效，但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。 大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。 2.非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为，主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。 总的来说，涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。 四．设计实验确定失效的类型 1.疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。 2.蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加，最后发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征，在端口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。
《材料失效分析》实验教案2014上.
课程教案 课程名称：材料失效分析实验 任课教师：刘先兰 所属院（部）：机械工程学院 教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期 湖南工学院
《材料失效分析》实验 实验课程编码： 学时：6 适用专业：金属材料工程 先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等 考核方式： 一、实验课程的性质与任务 帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。 二、实验项目 实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时） 实验二零件失效的宏观分析法（2学时） 实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时） 三、实验报告要求 每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。 四、其它要求 实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。 五、教材和参考资料 1教材： 《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社. 2．参考资料： [1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社.. [2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社. [3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社. [4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社. [5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.
失效分析
失效分析 第三章失效分析的基本方法 1.按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法：（1）审查设计（2）材料分析（3）加工制 造缺陷分析（4）使用及维护情况分析 2.系统工程的分析思路方法：（1）失效系统工程分析法的类型（2）故障树分析法（3）模糊故 障树分析及应用 3.失效分析的程序：调查失效时间的现场；收集背景材料，深入研究分析，综合归纳所有信息 并提出初步结论；重现性试验或证明试验，确定失效原因并提出建议措施；最后写出分析报告等内容。 4.失效分析的步骤：（1）现场调查①保护现场②查明事故发生的时间、地点及失效过程③收集 残骸碎片，标出相对位置，保护好断口④选取进一步分析的试样，并注明位置及取样方法⑤询问目击者及相关有关人员，了解有关情况⑥写出现场调查报告（2）收集背景材料①设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设计参数及功能要求等②设备的运行记录，要特别注意载荷及其波动，温度变化，腐蚀介质等③设备的维修历史情况④设备的失效历史情况⑤设计图样及说明书、装配程序说明书、使用维护说明书等⑥材料选择及其依据⑦设备主要零部件的生产流程⑧设备服役前的经历，包括装配、包装、运输、储存、安装和调试等阶段⑨质量检验报告及有关的规范和标准。（3）技术参量复验①材料的化学成分②材料的金相组织和硬度及其分布③常规力学性能④主要零部件的几何参量及装配间隙（4）深入分析研究（5）综合分析归纳，推理判断提出初步结论（6）重现性试验或证明试验 5.断口的处理：①在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干燥器内或真空室内保存，以防 止锈蚀，并应注意防止手指污染断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零件尤其是断口，应采取有效的保护，防止零件或断口的二次污染或锈蚀，尽可能地将断裂件移到安全的地方，必要时可采取油脂封涂的办法保护断口。②对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。③在潮湿大气中锈蚀的断口，可先用稀盐酸水溶液去除锈蚀氧化物，然后用清水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干。④在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往是非常重要的，因而不能轻易地将其去掉。 6.断口分析的具体任务：①确定断裂的宏观性质，是延性断裂还是脆性断裂或疲劳断裂等。② 确定断口的宏观形貌，是纤维状断口还是结晶状断口，有无放射线花样及有无剪切唇等。③查找裂纹源区的位置及数量，裂纹源的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源是单个还是多个，在存在多个裂纹源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等。④确定断口的形成过程，裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如何等。⑤确定断裂的微观机理，是解理型、准解理型还是微孔型，是沿晶型还是穿晶型等。⑥确定断口表面产物的性质，断口上有无腐蚀产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。 7.断口的宏观分析（1）最初断裂件的宏观判断①整机残骸的失效分析；②多个同类零件损坏的 失效分析；③同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析。（2）主断面（主裂纹）的宏观判断①利用碎片拼凑法确定主断面；②按照“T”形汇合法确定主断面或主裂纹；③按照裂纹
材料失效分析
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1σ（周期载荷中的最大应力 max σ）远比静载荷下材料的抗拉强度 b σ低，甚至比屈服强度s σ也低得多。 2、不管是脆性材料或延性材料，其疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂，故疲劳断裂一般表现为低应力脆断。 3、疲劳破断是损伤的积累，积累到一定程度，即裂纹扩展到一定程度后才突然断裂。 断裂前要经过较长时间的应力循环次数N （＝104；105；106……）才断裂，所以疲劳断 裂是与时间有关的断裂。在恒应力或恒应变下，疲劳将由三个过程组成：裂纹的形成（形核）；裂纹扩展到临界尺寸；余下断面的不稳定断裂。在宏观上可清楚看到后二个过程。 4、材料抵抗疲劳载荷的抗力比一般静载荷要敏感得多。疲劳抗力不仅决定于材料本 身，而且敏感地决定于构件的形状，尺寸、表面状态、服役条件和所处环境等。
金属材料及零部件的失效分析
金属材料及零部件失效分析 随着科学技术和工业生产的迅速发展，人们对机械零部件的质量要求也越来越高。材料质量和零部件的精密度虽然得到很大的提高，但各行业中使用的机械零部件的早期失效仍时有发生。通过失效分析，找出失效原因，提出有效改进措施以防止类似失效事故的重复发生，从而保证工程的安全运行是必不可少的。 相关行业 汽车零部件、精密零部件、模具制造、铸锻焊、热处理、表面防护等金属相关行业。 常见失效模式 断裂：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、液态金属脆化、氢脆 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀 磨损：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损、变形磨损 其他：功能性失效、物理性能降级等等 金属失效分析的意义
1. 减少和预防产品同类失效现象重复发生，减少经济损失，提高产品质量； 2. 为裁决事故责任，制定产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。 失效分析常用手段 （1）断口分析： 分析断裂源、断口特征形貌，并分析这些特征与失效过程的相互关系。 解理断裂沿晶断裂 （2）金相组织分析 评估组织级别、工艺匹配程度、缺陷等级等等。
（3）成分分析： SEM/EDS； ICP-OES； XRF； 火花直读光谱。 （4）痕迹分析： 分析失效件与成型、使用、环境交互影响留下的细微痕迹。
（5）热学分析：评判材料在热环境使用的合理性。 （6）机械性能分析：评估力学强度、硬度、热性能等指标是否符合使用要求。（7）微区分析：分析表面形貌及微区成分，为失效机理推断提供定性定量依据。（8）极表面分析：对极表面腐蚀产物、微量异物进行定性定量分析。
工程力学中断裂理论在材料中的应用
工程力学中断裂理论在材料中的应用 11级粉体（2）张子龙 1103012022 摘要：介绍了工程力学中的断裂力学发展史及它的主要内容，线弹性和弹塑性断裂力学。它被广泛的应用于现代材料研究中。它的发展解决了许多工程中灾难性的低应力脆断问题，已成为失效分析的重要研究方法之一。 关键词：断裂材料应用 断裂是材料或构件最危险的失效形式，在很多情况下可能造成灾难性的后果。材料的断裂是一个很复杂的过程，受很多因素影响，如材料本身的性质、环境因素、工作应力状态、构件形状及材料的尺寸、结构及缺陷等控制，所以断裂一般是多种因素综合作用的结果。这使得对断裂过程的分析增加了更多的不确定因素，增加了对断裂控制的难度。特别是二次世界大战以来,随着高强材料和大型结构的广泛应用，一些按传统强度理论和常规设计方法、制造的产品，先后发生了不少灾难性断裂事故，特别是国防尖端产品的脆断，引起了人们的震惊和警觉。因为事故往往发生在断裂应力远远Sn 的情况δ／］＝甚至低于许用应力［δ低于材料的屈服应力Sδ下。从大量的断裂事故分析中发现，断裂皆与结构中存在缺陷或裂纹有关。传统的设计思想把材料视为无缺陷的理想连续体，而现今工程实际中的构件或材料都不可避免地存在着缺陷和裂纹，因而实际构件的真实强度大大低于理想模型的强度。断裂力学则是从构件或材料内部存在的缺陷或裂纹发了传
统设计思想的严重不足。断裂． 力学是以变形体力学为基础，研究含缺陷（或裂纹）材料和结构的抗裂纹性能，以及在各种工作条件下裂纹的平衡、扩展、失稳及止裂规律的一门学科［1］。断裂力学的发展解决了许多工程中灾难性的低应力脆断问题，已成为失效分析的重要研究方法之一。 1 断裂力学的发展历史 断裂力学理论最早是在1920 年提出。当时Griffith为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因，提出了在固体材料中或在材料的运行过程中存在或产生裂纹的设想，计算了当裂纹存在时，板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的结C a Ca 为裂纹半长常数其中，δ是裂纹扩展的临界应力；果：δ= 度。他成功的解释了玻璃等脆性材料的开裂现象但是应用于金属材料时却并不成功。1949 年Orowan在分析了金属构件的断裂现象后对Griffith 的公式提出了修正，他认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能，也应转化为裂纹前沿的塑性应变功，而且由于塑性应变功比表面能大得多以至于可以不考虑表面能的影响，其提出的公式为 C a EU／λ）1／δ2 ＝（2＝常数该公式虽然有所进步，但仍U是Griffith 公式范围，而且同表面能一样，应变功未超出经典的难以测量的，因而该公式仍难以应用在工程中。断裂力学的重大突破应归功于Irwin 应力场强度因子概念的提出，以及以后断裂韧性概念的形成。1957 年，Irwin 应用Westergaard·H·M在1939年提出的解
材料断裂理论与失效分析知识点
?材料为镍基高温合金，为什么？ ?服役环境的要素有哪些？ ?有可能发生的失效类型是什么？ ?如何设计实验确定失效的类型？ ?改进的建议和措施 一．涡轮叶片的材料涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高的要求。 涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁 等金属，做成以镍为基础的合金。有的镍基高温合金含镍量达到70殊右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有： 1. 物理性能。具有较高的熔点和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。 2. 耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr,在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于Ni含量高，在还原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气 氛。 3. 机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。 4. 高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。 5. 热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用TIG焊接、MIG旱接以及手工电弧焊。 总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。 二. 涡轮叶片的服役环境涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有： 1. 不均匀的高温条件下工作。涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大约在720°C- 1120C，其在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。 2. 高转速条件下工作。涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出，装化为机械能，为航天器提供动力。 3. 高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。 4. 受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的Na, V, S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。 三．可能发生的失效类型根据涡轮叶片的服役环境,可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。 1. 正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中,内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如丫/相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化,脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效,但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。 大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式,即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。 2. 非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为,主要表现为高周疲劳、超温服役引起的过热甚至过烧等失效形式。 总的来说,涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。四．设计实验确定失效的类型 1. 疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引起疲劳断裂的应力一般很低,端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的疲劳端口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。 2. 蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加,最后发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征, 在端口附近产生许多裂纹, 使断裂件的表面呈现龟裂现象。
金属构件失效分析精简版
第一章 1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效 3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当 4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。 5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断 第二章 1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。细小的缩孔称为疏松。b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。c内裂纹d气泡和白点 2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层 3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物 4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂 5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。 6、焊接裂纹的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂 7、氧化膜应满足以下条件才具有保护性：a除致密和完整以外，金属氧化物本身稳定、难溶、不挥发、不易与介质发生作用而被破坏；b氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用二玻璃脱落；c氧化膜有足够的强度和塑性，足以经受一定的应力、应变作用，具有足够强度和抗变形能力。 8、金属氧化膜的生长规律：直线规律、抛物线规律、对数规律、立方规律、反对数规律 9、腐蚀原电池的模型：锌在硫酸溶液中的溶解，同时有氢气自锌表面析出。阳极（氧化）阴极（还原）析氢、吸氧。 阳极：Zn---Zn2+ +2e阴极：2H+ +2e----H2 10、在除氧气的稀硫酸溶液中锌板遭受腐蚀而铜板不受腐蚀的原因：铜的标准电极电位为0.3419V，在除氧的稀硫酸溶液中，H+不能成为铜的氧化剂，铜不发生腐蚀；但当稀硫酸含氧时，铜电极的某些部位发生O2+4H++4e→2H2O，O2消耗电子，还原成H2O，这是O2为氧化剂，铜板受腐蚀。 11裂纹焊接的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂 12、为什么高强材料、大型装备及焊接工艺问世后，低应力脆断事故会不断地出现？传统
金属断裂与失效分析刘尚慈
金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC / Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为：
J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。 五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如： ①铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，周围有严重的氧化和脱碳。
材料失效分析
材料失效分析
关于散装无铅焊料的脆性到塑形断裂的 转变温度的研究 姓名：肖升宇专业：材料科学与工程学号：0926000333 摘要 断裂韧性的散装锡，锡铜无铅焊料，锡银和测量功能温度通过一个摆锤冲击试验（冲击试验）。韧脆断裂转变他们发现，即急剧变化，断裂韧性，相比没有转变为共晶锡铅。过渡温度高纯锡，Sn-0.5%铜和Sn-0.5%铜（镍）合金在- 125℃含有Aｇ的焊料显示过渡在较高温度：在范围78到45–°–°C最高转变温度45℃–°测定锡- 5%银，这是球以上的只有30–°角的增加的银内容变化的相变温度较高的值，这可能与高SnAg3颗粒体积分数的焊料的量。这些结果被认为是非常重要的选择最好的无铅焊料组合物。 简介 由2006年七月份。铅的使用电子在欧洲将被禁止，以及无铅焊料应取代锡铅焊料，常用于微电子领域超过50年。许多以Sn为基体的焊料针对于过去几年进行深入研究，如锡银，铜，Sn-Ag-Cu等等，特别是关于其可靠性，工作是远远没有完成。自从这个“软”铅被从焊料中提取出来之后，导致无铅焊料不容易变行和增长了当地积累的应力水平，这也增加了裂缝成核的概率。这显着影响着主要焊点的失效模式，即焊料疲劳。这是众所周知的一些金属松动的低温延性，并表现出脆性断裂模式。因此，韧性到脆性转变温度是一个重要参数。
至于我们的知识，只有现有无铅合金的数据，见迈耶[1]，显示出锡5％银的转变温度为-25°，相比没有过渡锡，铅-1.5Ag93.5％。这其实是相当令人失望，因为许多标准热 循环试验开始温度低至-40甚至-60℃，这会影响故障模式。此外，这个温度范围也有一些应用程序，例如航天。“本文的目的是研究几大部分含铅量焊料的脆性到韧性骨折转变温度。 实验 众所周知的一个摆锤冲击试验，“摆锤试验”，用以确定在断裂消耗的能源量，这是一个断裂韧性的措施材料，如温度的功能。“实验装置如图1所示。 对７种合金材料做了测试，结果如下： ·99.99wt.%Sn ·Sn-0.7wt.%Cu, ·Sn-0.7wt.%Cu (0.1wt.%Ni) ·Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu, ·Sn-4wt%Ag-0.5wt%Cu ·Sn-5wt%Ag ·Sn-37wt.%Pb,作为参考 根据所进行的测试ASTM E23标准的V型缺口样品大小为 10x10x55mm。对于某些样本大小为5x5x55mm的合金被使用，由于只有有限的物质可用。锤能量为50J和冲击速度为3.8米/秒。能源锤358J被用于多次测量时吸收能量大于50J。结果是由截面样品表面正
工大金属材料失效分析(DOC)
3.刚的晶内偏析不可以通过热处理方法予以消除·······（×） 4.钢中氢含量偏高容易导致钢中出现气孔和白点·······（√） 5.魏氏组织会降低刚的强度，但是可以提高钢的韧性···（×） 6.钢中夹杂物会降低钢的塑性、韧性和疲劳强度·······（√） 7.钢的脱碳会降低钢的疲劳程度·····················（√） 8.焊缝延迟裂纹一般与焊缝中的含氢量有关···········（√） 9.焊缝淬火裂纹一般与焊缝中的马氏体有关···········（√） 10.磨损失效是金属构件失效的主要方式··············（×） 11.河流花样和舌状花样是脆性断口和典型微观形貌特征（√） 12.应力腐蚀开裂是应力和腐蚀共同作用的结果·······（√） 13.能谱成分分析技术可以用于钢中碳含量分析·······（×） 14.扫描电镜分析技术是建立在可见光反射原理基础之上的（×） 15.就金属断裂而言，正断可能是韧性的，而切断总是韧性的（√） 1、钢的晶内偏析可以通过何种热处理方法予以消除？ 扩散退火钢加热到上临界点(Ac3或Accm)以上的较高温度（一般为1050～1250℃），经过较长时间的充分保温，然后缓冷的热处理叫扩散退火，也叫均匀化退火。这种退火的目的是，借原子在高温下可以较快的扩散，减少或消除各种合金元素及非合金元素在钢中的显微偏析，使化学成分趋于均匀化，以达到改善钢的组织，提高钢的力学性能的目的。 2、钢中S、P杂质元素容易造成哪些性能缺陷？ S以Fes形态存在于钢中，Fes和Fe形成低共熔化合物，引起热脆。
P虽然可以提高钢的强度和硬度，但会引起塑性和冲击韧性的下降，使韧脆转变温度上升，引起冷脆。 3、钢中H元素容易造成哪些性能缺陷？ 钢中溶解的氢会导致氢脆，白点和氢致延迟断裂等缺陷 一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，突然断裂。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷，即白点，白点使钢材的冲击韧性降低得很多。在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。 4、魏氏组织对钢有哪些危害作用？ （1）.在最终热处理会有增大变形的倾向；（2）.使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面,使金属的韧性急剧下降,屈服强度当然也会降低。 5、钢中夹杂物会降低钢的哪些性能？ 钢中夹杂物包括C、Si、Mn、S、P、N、H、O等 C：随着钢中碳含量的增加，碳钢硬度上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内随着碳含量增加，抗拉强度不断提高。超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。 Si：硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。 Mn：锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。 S:产生热脆
金属--断裂与失效分析 刘尚慈
.. 金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC / Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应. . . 资
力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为： J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。 五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低