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。
②锻造、轧制网状裂纹：由过烧、渗铜、含硫量高等引起。
锻件加热温度过高、时间过长，引起晶粒粗化，脆性增加。如过烧晶界氧化使晶界强度降低，锻造时沿晶界开裂出现网状裂纹。当钢中含铜量过高（＞％）时，在热锻过程中，表面发生选择性氧化（铁先氧化），使铜的含量相对增加，从而使晶界形成富铜相的网络，富铜相熔点低于基体引起开裂。同样，锻造时如铜附着在表面，借高温沿晶界渗入导致铜脆。在显微镜下可看到游离的铜沿晶界分布。当硫量较高时，低熔点的FeS或FeS与Fe的共晶体存在于晶界，高温锻造时，晶界结合强度低，使塑性变形能力下降，导致锻造开裂。
③热处理表面裂纹：淬火加热温度过高，奥氏体晶粒显著长大，淬火冷却中热应力和组织应力共同作用引起裂纹；如发生过烧现象就更容易引起龟裂。表面脱碳使工件表里不同含碳量奥氏体的马氏体开始转变温度（M S）不同，冷却先后有差异，扩大了组织转变的不同时性和体积转变的不均匀性。使得淬火组织应力增
加，使表面产生大的多向应力，产生网状裂纹。
④电弧焊起弧电流过大时，局部热量过高，形成“火字形裂纹”。
⑤淬火后或渗碳后的部件在机加工过程中，表面应力可导致表面裂纹；耐热钢受表面热应力作用产生腐蚀性疲劳裂纹；不锈钢发生晶界腐蚀裂纹。
（2）直线型裂纹：常由发纹或其他非金属夹杂物在后续工序中扩展而形成，沿材料纵向分布。裂纹两侧和金属基体上，一般有氧化夹杂物和其他非金属夹杂物。细长零件在淬火中，在表面冷却比较均匀一致，心部淬透时，淬火应力（组织应力和热应力）超过材料抗拉强度极限，产生纵向直裂纹。由于心部淬透的细长工件的表层切向应力总是大于轴向应力，因此淬火裂纹总是纵向直线型。
高温高压的蒸汽管道弯管中产生的蠕变裂纹是一些平行的直线性裂纹。
（3）树枝型裂纹：零件中应力腐蚀裂纹；应力集中的焊接结构产生的热裂纹有时也呈树枝型。
（4）其他裂纹：
圆周裂纹：部件变径处由于热应力和组织应力引起的裂纹。
辐射状裂纹：有内孔的零件，淬火时，内孔处冷速慢，使内孔表面常处于拉应力状态，产生辐射状裂纹。锅炉铆钉孔处产生的碱脆裂纹，也是辐射状。
二、按微观形态分为：
（1）沿晶裂纹：晶界腐蚀裂纹、苛性脆化裂纹、氢脆裂纹、蠕变裂纹、回火脆性开裂、磨削裂纹、焊接热裂纹、铸造裂纹、过烧引起的锻造裂纹、热处理裂纹和热脆裂纹等，热疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹有时也是沿晶裂纹。
（2）穿晶裂纹：疲劳裂纹、解理断裂裂纹、韧性断裂裂纹、淬火冷裂纹、焊接冷裂纹等。热疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹等有时也是穿晶的。
（3）混合裂纹：有沿晶的，也有穿晶的，如淬火裂纹。
三、按形成原因分：
（1）工艺裂纹：铸造、锻造、热处理、磨削、焊接裂纹等。
（2）使用裂纹：机械冷应力裂纹、疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹等。
四、按断裂力学的观点分：
（1）稳定性裂纹：零件在服役中裂纹的扩展速率非常缓慢。
（2）过渡性裂纹（亚临界扩展裂纹）：裂纹产生后，开始发
展缓慢，到一定尺寸，发展加速，造成零件断裂失效。
过渡性裂纹和零件的受力条件、裂纹的形状及裂纹处的受力状态有关，其尺寸满足裂纹的强度因子K＜K IC。对于张开型裂纹有：
K I＝σα1/2Y（α/W）＜K IC
上述σ是特征应力，α是特征裂纹长度，W是特征尺寸，Y （α/W）物体K I的标定函数。
（3）危险性裂纹：临界扩展前夕的裂纹。这类裂纹发展甚为迅速，在很短的时间内导致零件失效。
定量：裂纹应力强度因子K接近材料的断裂韧性K C；或裂纹扩展速度dα/dt超过一定数值。
§3—2 裂纹的起源位置
裂纹的起源位置取决于应力集中值的大小及材料强度值的高低。
一、应力集中与破断起源的关系
按位错理论：对于延性或半脆性材料，形变和破断两个过程的必要条件是使金属发生屈服。当金属发生屈服后，大量的位错在其运动过程中由于受到障碍物作用而堆积起来，就造成了应力
集中。应力集中被变形松弛，破断过程则被抑制；反之，若裂纹的发生与发展使应力松弛，则材料会发生破断。
服役的零件，形状和材料急剧改变的地方，会产生局部的高应力，其附近的应力状态（分布）也不均匀。这种局部应力高于平均应力的现象就是应力集中。
应力集中系数K=σmax/σcp (应力集中处的最大应力和平均应力或公称名义应力之比)
应力集中发生在缺口的尾端。应力集中程度（K）与缺口深度t、缺口尖端半径r H有关。单边缺口部件应力集中系数：
K＝1+（t/r H）1/2≈（t/r H）1/2
多缺口（缺口间距b）部件：
K＝{(t/r H)?[(b/лt)coth(b/лt)]}1/2
材料的强度愈高、塑性愈低，应力集中系数也愈大。
缺口顶端还会由于形变约束而引起三向应力。在平面应变条件下，在缺口前端一段距离处，出现最大三向拉应力区。
二、材料缺陷所引起的裂纹
疲劳裂纹起始于驻留滑移带，而材料表面和内部的缺陷常是引起驻留滑移带的原因，因此，有缺陷的金属材料，往往疲劳极
限比较低。
三、零件的形状因素引起的裂纹
零件的尖锐的凹角，凸边或缺口部位在制造和使用过程中，产生较大应力集中或开裂。
§3—3 裂纹的扩展方向
一、裂纹的走向（由应力原则或强度原则确定）
①应力原则：在金属脆断、疲劳脆断和应力腐蚀断裂情况下，裂纹的扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向；而当韧性金属承受扭转载荷或金属在平面应力的作用下，其裂纹的扩展方向一般平行于剪切应力的方向。上述两种情况可以说明裂纹走向由零件的最大应力确定。
②强度原则：裂纹总是要沿着最小阻力路线—即材料的薄弱环节或缺陷处—扩展。缺陷是薄弱点，常引起裂纹的转折扩展。材质符合要求的条件下，应力原则起主导作用；材质不符合要求时，强度原则起主导作用。
二、裂纹源与裂纹方向的判定
裂纹通常起源于零件的应力集中处；材料缺陷处形成应力集中常引起裂纹。
有时在扩展中裂纹常常会出现分支，称为支裂纹或次生裂纹。
支裂纹源区一定在主裂纹中，且裂纹源的方向通常与支裂纹扩展方向相反，也就是说分叉或分支裂纹，汇合为主裂纹。
随着裂纹的扩展，零件的有效截面不断减少，即有效载荷也随之不断加大。因此，韧性材料随着裂纹的扩展，破断侧面残留的范性变形也有所增加。
主裂纹产生最早，扩展速度最大。主裂纹产生后，在裂纹附近，应力得到松弛，因此，二次裂纹扩展速度小，尺寸总小于主裂纹的尺寸。
二次裂纹并不是“主”裂纹的分支，而是产生于“主”裂纹后期，扩展至“主”裂纹后受到其阻止，二者相遇角度近900。§3—4 裂纹周围及裂纹前端情况
金属表面或内部缺陷为裂纹源的，一般能找到作为裂纹源的缺陷；裂纹转折处一般能找到引起转折的缺陷。高温下产生的裂纹或室温下产生又随加工工序加热至高温的裂纹，其周围将存在氧化和碳化的现象。
碳钢和低合金钢在＜250℃（低温回火的范围）时，裂纹周围的氧化层很薄，从金相上难以看到。＜650℃时，可看到裂纹内填充着浅灰色的氧化铁，而两侧无显著的氧化脱碳现象。650℃～A C1时，除裂纹中被氧化物所填充外（氧化物的颜色随加热的介质不
同而不同），裂纹两侧还发生脱碳现象，加热以前热处理状态不同，加热后脱碳层中的铁素体状态也不同。如加热前是淬火状态，脱碳层中的铁素体仍保持原马氏体的针状方向；如加热前是退火或其他状态，则脱碳层中铁素体成多边形或块状。
裂纹前端的情况：一般机械冷应力裂纹、淬火裂纹、铸造冷应力裂纹、锻后冷却不当裂纹等前端是尖锐的。使用裂纹的疲劳、应力腐蚀裂纹前端是尖锐的。各种热裂纹的前端是圆钝的。蠕变裂纹、热疲劳裂纹等的前端也是圆钝的。尖锐的裂纹经过高温加热（如回火），其前端也是圆钝的。
第四章金属的断口分析技术
§4—1 金属断口的基本类型
按断裂微观形貌分类：①沿晶脆性断裂，②解理断裂，③准解理断裂，④疲劳断裂，⑤应力腐蚀断裂，⑥氢脆断裂，⑦韧窝断裂，⑧滑移面分离，⑨蠕变断裂。
断口的形貌是由断裂机理所决定的。不同的断裂机理，断口的微观形貌也不同。
按断口微观形态分类中，韧窝断裂、滑移面分离和蠕变断裂属于延性断裂，其余属于脆性断裂。
§4—2 断口试样的制备和保存
铁、钢、合金钢清洗断口可用的溶剂：丙酮、氯仿、1％碱溶液等。
断口保存，可在表面涂一层保护材料，如醋酸纤维（10％的醋酸纤维丙酮或醋酸甲脂），也可放在真空干燥器里。
§4—3 断口的宏观分析试样的制备和保存
×1～×100
§4—4 断裂源区宏观位置的确定
光滑圆柱试样的拉伸断口由纤维区、放射区、剪切唇三个区域组成。在通常情况下，金属材料的断口均出现断口三要素形貌特征，只是它们的区域大小、分部位置、出现的形状不同而已；但有时在断口上只出现一种或二种要素。
一、纤维状区域中心处为裂源
如果断口的三要素齐全，裂源一定位于纤维区域中心处。如果纤维状区域的形状是圆形或椭圆形时，则它们的圆心为裂源部位。如果纤维状区的形状是半圆（例如冲击断口）或弧形条带（如缺口圆柱拉伸试样断口）时，裂源在试样表面处萌生。
二、放射条纹或人字条纹的收敛处为裂源。（无缺口件）
放射条纹或人字条纹是裂纹在平面应变条件下，发生低能量快速断裂时形成的。
如果试样上原来开始缺口，则由于裂纹首先在缺口处形成，且由于应力集中的原因，裂纹沿缺口处的扩展速度较快，而中心较慢，故形成的人字条纹收敛方向与无缺口时相反。
三、裂源位于零件表面的无剪切唇部位：一些机械构件如厚板、容器、轴类等。
四、裂源位于断口的平坦区域
断裂件的宏观断口形貌，通常呈现平坦区和凹凸区两部分，后者通常是裂纹失稳扩展的形貌特征。平坦区是裂纹亚稳态缓慢扩展区。裂源也位于平坦区内。
五、疲劳前沿线曲率半径最小处为裂源
当断口上具有明显的疲劳断裂宏观形貌特征，即贝壳状条纹时，则疲劳源位于疲劳前沿曲率半径最小处，如断口上有与贝壳条纹相垂直的放射状条纹，则疲劳源在放射状条纹的汇集处。
六、环境断裂件腐蚀或氧化最明显处为裂源
由于环境因素引起的断裂有：腐蚀疲劳、热疲劳、氢脆、蠕变断裂等。其断裂源部位受环境介质、温度等条件的影响最大。因此这类断口的裂源区被腐蚀或氧化也最明显。
七、断裂源处往往有缺陷
断裂源往往在零件的自由表面（铸件例外）。断裂萌生的部位
有产生应力集中作用的缺陷（材料缺陷和加工缺陷）和结构因素。§4—5光学显微镜断口分析技术
光学显微镜的有效放大倍数低，焦点深度浅（物镜的垂直鉴别率—景深），不适于作断口观察。
一、直接观察
二、断口剖面观察
§4—6 电子显微镜断口分析技术
透射电镜（TEM）
扫描电镜（SEM）
§4—7 断口腐蚀坑技术
金属材料的腐蚀坑，通常可分为位错腐蚀坑与位向腐蚀坑，失效分析中的腐蚀坑技术就是利用不同的晶体在一定的浸蚀介质下产生的位向腐蚀坑来分析和判断断裂的晶体取向。
金属材料在一定的腐蚀介质作用下，晶体会发生溶解，这种溶解一般是不均匀的，有些晶面的溶解速度大，这些易溶晶面一般为晶体的低晶面指数面。同时，腐蚀溶解不是各向同性，而是各向异性。如是各向同性，蚀坑将呈现一个圆锥体；如是各向异性，蚀坑将呈现一个角锥体。这个角锥体是多面体几何形状的一部分。蚀坑在特定的晶面上产生，具有特定的形状。利用蚀坑的
几何参数与晶面指数之间的关系，十分析研究断裂面晶体取向的一种简单的测试技术。
一、多面体蚀坑
二、多边形腐蚀坑：是在不同的晶面上（失效分析时被研究的断面）浸蚀低晶面指数晶面得到的腐蚀坑。
§4—8 断口定量分析
定量分析主要是断口的特征花样的定量分析。
第五章金属的延性和脆性破坏断口特征
§5—1 延性破坏的断口特征
一、延性破坏的断口宏观特征
延性断裂的表现形式：一种是切变断裂。对于单晶体，某一滑移面在做大量滑移后断裂，断裂是沿滑移面发生，断裂面就是滑移面。
另一种是试样经塑性变形后产生缩颈，其断面收缩率为100％。一般金属断裂断面收缩率达不到100％。断裂过程中在缩颈区中心部位形成大量空洞且不断长大和联结，最后发生断裂，断裂的断口由纤维区、放射区和剪切唇组成。
一般情况，延性断口宏观形态的基本特征是：断口有明显的纤维区，断口颜色灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有明显的塑性变形。
另一种延性断口的宏观特征是：切断韧性断口（又称倾斜断口），断口平面与拉伸轴线成450角，附近有明显的宏观塑性变形。形成这种断口，是当材料（如镁合金、变形铝合金、冷加工钢、材料在高温下）抗剪强度极限较低或断口分离过程是在平面应力状态作用下发生的，是由切应力引起的延性断裂。
利用断口的剪切唇估计K IC：平面应变条件下，小范围屈服的断裂，断裂的剪切唇宽（S）与断裂韧性（K IC）的关系
S＝f(n)( K IC/σs)2
σs—屈服强度
f(n)—与硬化指数n有关的函数，20Cr2MoV为，30Cr2MoV为，试件厚度B应满足B≥KS（对中强度钢K＝5，高强度钢K＝6）。
二、延性破坏断口的微观特征
延性破坏断口的纤维状区和剪切唇区的电镜相貌上，有大量韧窝。大多数材料，韧窝内有夹杂物或第二相粒子。由于工程金属材料中存在大量的夹杂物和第二相粒子，因此只能发生不完全延性断裂。断裂过程中，在第二相粒子周围产生空洞，这个过程
在缩颈开始形成后更加明显，通过空洞长大，联接，发生韧窝断裂。
韧窝的存在，说明材料至少在局部微小区域内曾发生过强烈的塑性变形。但宏观是否出现很大的延性还不能确定。如宏观判断是延性破坏，其微观形貌一定有韧窝。此时材料是在普遍屈服的情况下发生断裂的。如果材料满足平面应变条件作快速的不稳定低能量扩展，就整个构件来说，宏观塑性变形不大，破坏是脆性的，材料未曾发生过普遍屈服，但在断口两侧的微观区域内，仍然发生过很大的剪切变形，其断裂是微孔型的的能量撕裂（假定此时不发生解理），断口也是韧窝花样。所以，韧窝花样只说明断裂过程是按微孔聚集型的方式进行的，而不一定说明是延性的。
韧窝不仅在晶内，而且在晶界也能形成。晶界韧窝，不一定以第二相粒子为核心。
耐热钢高温低应力蠕变断裂是微孔聚集型的沿晶断裂。沿晶型的韧窝断裂，无明显的宏观塑性变形，属脆性断口。蠕变断裂一般是延性的？
韧窝的形态受应力状态的影响较大。韧窝密度与第二相质点近似为线性关系；韧窝大小也与第二相质点的间距有关。韧窝的深浅可以判断材料的塑性变形能力。
三、蛇形滑移花样
一般纯金属或韧性较好的合金或材料缺口的底部，都在较大的塑性变形后以滑移面分离形式断裂。金属的完全延性断裂也是一种沿滑移面不断滑移造成的断裂。大多数工程材料滑移不是在单一的滑移面上进行；但由于晶粒位向不同，相互约束牵制，不能只沿一个滑移面滑移而分离，而形成起伏弯曲的条纹形貌，一般称之为蛇形滑移花样。一些高延性金属，滑移可不断进行下去形成涟波状花样，或拉伸痕迹区，或者无特征的平滑区域。（无特征区宽度与K IC有关）
§5—2 解理断裂的断口特征
解理断裂是脆性的穿晶断裂，通常发生在非面心立方晶格中，沿特定的低晶面指数的原子面进行，发生原子尺度范围的拉伸分离，几乎不发生塑性变形。
一、解理断口的宏观特征
解理断口通常呈脆性断口特征，没有明显塑性变形；断口与正应力垂直，断口表面平齐，断口的颜色比较光亮。其最突出的宏观特征是有小刻画面放射状条纹（或人字条纹）。小刻画面在强光下转动时可以看到很亮的反光小平面。小刻面即为解理刻面，许多小刻面组成解理断口。
二、解理断口的微观特征
解理断裂的微观特征：有解理台阶与河流花样，解理舌，解理扇以及鱼骨装花样等。最常见的微观特征是河流花样。河流花样通过晶界时，形貌发生变化。解理舌是其典型特征之一。
§5—3 准解理断裂的断口特征
一、准解理断裂断口的宏观特征
准解理断口是一种脆性断口，其宏观特征与解理断口类似，也具有小刻面与放射装花样等特征。
二、准解理断裂的微观特征
准解理断裂是一种穿晶断裂，断口有解理断裂的形貌，又伴随很多的局部塑性变形痕迹。其小断面尺度相当于淬火前原奥氏体晶粒度大小，不像解理断口那么平整并稍有凹陷；河流起源于晶内，形状短而弯曲，支流少，形成大量高密度撕裂棱；有时也有舌状花样；常发生在回火马市体或贝氏体组织中。准解理小断面位向与铁素体基本的解理面{100}并不严格对应。
§5—4 沿晶断裂的断口特征（主要讨论沿晶脆性断裂）
一、沿晶断裂通常是脆性断口蠕变是吗
沿晶断裂通常是脆性断口，断裂前无明显塑变；断口一般与正应力垂直；断口表面平齐，断口边缘往往没有剪切唇；表面呈
颗粒状，通常呈现出晶粒的外形；断口的颜色有时比较光亮，有时却比较灰暗；有时也有放射装花纹或人字花条纹。
暗灰色的脆性断口大多是钢的热脆、回火脆性、时效脆性、过热、应力腐蚀、热疲劳断裂、焊接热裂、蠕变断裂等沿晶脆断断口。氢脆断裂的断口颜色比较光亮。
二、沿晶断裂断口的微观特征
晶粒是多面体，沿晶断裂的微观形貌反映出这种多面体的特征。
沿晶断裂的原因通常有三种情况：①晶界上存在脆性沉淀相，②晶间弱化，③晶界受环境因素作用。
沿晶断裂按断裂的性质可分为：①沿晶脆性断裂，②沿晶延性断裂（沿晶蠕变断裂），③沿晶疲劳断裂（高温疲劳断裂）。
1．晶界沉淀相引起的沿晶脆断
一类是沉淀相连续，当晶界上的沉淀相粒子覆盖率为100％，形成脆性网状薄膜时，以脆性薄膜分裂发生断裂。奥氏体Cr—Ni 钢中碳化物沿晶界呈网状分布，就引起沿晶脆断。
另一类是沉淀相不连续，但有相当的晶界覆盖率。当外力作用于沉淀相位置时，围绕晶界沉淀相首先形成显微孔洞，这些空洞长大，最后连续起来，引起沿晶裂纹，导致沿晶断裂。
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，
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
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。
HT200试棒脆性断裂失效分析 过程装备与控制工程２０１３－２刘凯（２２）李阔（１６） 摘要：在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大，往往造成严重的后果及巨大的经济损失。试棒脆性断裂失效分析从断口的宏观外观、微观组织、受力状态等方面综合分析，解释断裂失效的原因。 关键字：ＨＴ２００试棒脆性断裂失效分析 断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象，是金属构件常见的失效形式之一，特别是脆性断裂，它是危害性甚大的失效形式。脆性断裂前构件的变形量很小，没有明显可以觉察出来的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通过对ＨＴ２００拉力试棒断裂失效分析包括力学性能、化学成分、金相组织、其他相关性能；断口分析、表面分析，包括金相组织、电镜分析各种分析；失效现象及原因分析等综合学习掌握关于脆性断裂的相关知识 一、试样收集与观察 ＨＨＴ２００拉力试棒 图示拉力试棒为液压万能试验机拉断后的试棒，其原始尺寸如下图。 ＨＴ２００拉力试棒尺寸图 试棒装在液压万能试验机后，开动试验机缓慢加载。在拉伸过程中，没有肉眼可见的颈缩、屈服现象，，随着“砰”一声，试棒被拉断。拉断前的应变很小，伸长率也很小，十分典型的脆性断裂过程。 二、化学成分 脆性断裂实验所用拉力试棒为ＨＴ２００材料，具体含义为灰口铸铁抗拉强度为２００ＭＰａ，硬度范围为１６３～２５５ＨＢ，抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。其具体化学成分如下表。
试验过程中观察不到拉力试棒明显的应变过程及颈缩现象，在较小的拉应力作用下就被拉断了，没有屈服和颈缩现象，拉断前的应变很小，伸长率也很小。其拉伸时的应力－应变关系是一段微弯的曲线，没有明显的直线部分，也没有明显的屈服阶段。 铸铁在拉断时的最大应力即为其强度极限。因为没有屈服现象，强度极限σ ｂ是衡量强度的唯一指标。σ ｂ ＝Ｆｂ Ａｏ 。 灰口铸铁σ－ε图 四、断裂试棒断口宏观形貌及其微观金相组织观察 脆性断裂是从金属构件内部原本存在的微小裂纹为裂纹源而开始的。因此，脆性断裂往往是突然发生的，断裂前基本没有肉眼可见的变形量。脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理，解理是金属在正应力作用下沿解理面发生的一种低能断裂。由于解理是通过破坏原子间的键合来实现的，而密排面之间的原子间隙最大，键合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。但也有一些脆性材料断裂是沿晶断裂，如晶界上有脆性物或有晶间腐蚀是，就有可能产生沿晶断裂。该拉力试棒为沿解理面断裂，故其断口的宏观形貌具有两个明显特征。一、其断口表面是明亮结晶状的，表面存在小刻面。一个多晶体金属材料的解理断口，由于其每个晶体的取向不同，所以其解理面与断裂面所取的位向也就不同，若把断口放在手中旋转时，将闪闪发亮，像存在许多分镜面。二、存在“山形”条纹。脆性材料在断裂时会从断裂源点形成“山形”裂纹。随着裂纹的发展，条纹会变粗，因此，根据断口“山形”裂纹的图形可以判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。综上并观察试棒断口分析可知ＨＴ２００拉力试棒为典型的脆性断裂。 脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。由于金属是多晶体，取向又是无序的，解理在某一晶粒内进行时以及穿过一个晶粒向相邻晶粒传播时，均会造成解理裂缝在不同的结晶面上断开，这些解理裂缝相交处即会形成台阶。在电子显微镜中这些解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌，故名河流状花样。沿着解理断裂的方向河流可以合并为“主流”。解理穿越晶界时，不仅河流花样的“流向”要发生变化，而且有可能加粗或部分消失由于实际晶体内部存在许多缺陷（位错、析出物、夹杂物等），所以在一个晶粒内的解理并不
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
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
M10-45H 内六角紧定螺钉 断裂分析 据客户反映，由本公司供应的M10-45H 紧定螺钉，安装过程中发生故障。 现状：M10-45H 内六角紧定螺钉，在密封锁紧螺母安装过程中发生断裂； 安装过程：在部件上指定部位使用43~48N.m 扭矩旋入紧定螺钉（作为限位螺钉使用），然后，在紧定螺钉露出端使用43~48N.m 的终拧扭矩旋入密封锁紧螺母并拧紧，防止螺钉与基体之间的间隙造成介质渗漏。 一，失效件检测分析： 1，断口形貌宏观观察： 断面基本与轴线垂直，颜色灰色，颗粒细小均匀；放大10倍进行观测，未见目测可见原始裂纹。 2，机械性能检测： 3，金相检测分析： 沿轴线使用线切割方式制样，检测了纵向剖面的金相组织。如下图图1和图2。 图1 芯部金相x500 芯部金相组织：回火马氏体+回火屈氏体 图2 螺纹金相x200 螺纹部位金相：无脱碳层或渗碳层 4，化学成分分析： 合金钢SCM435: 0.35%C, 0.21%Si, 0.70%Mn, 0.013%P, 0.007%S, 1.04%Cr, 0.185%Mo 符合GB3098.3对45H 级螺钉的材质要求。 失效件检测分析表明，该产品机械性能和使用材料完全符合GB3098.3标准要求 二，断裂原因分析： 对失效件的机械性能检测、金相组织检测、化学成分检测结果表明，产品完全符合标准规范。 对照标准GB/T 3098.3-2000，在标准条文内第一章，标准范围，对该产品的描述，第一段有明确：本标 准 规 定了由碳钢或合金钢制造的、在环境温度为10-35℃条件下进行试验时，螺纹公称直径为1.6- 24m m 的紧定螺钉及类似的不受拉应力的紧固件机械性能。如下截图：
?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。
填空： 1.常见的断裂分类有： 1）根据断裂时变形量的大小，将断裂失效分为两大类，即脆性断裂和延性断裂。 2）按裂纹走向与金相组织的关系，将断裂失效分为穿晶断裂和沿晶断裂。 3）按断裂机制与形貌将断裂失效分为：1）按断裂机制进行分类，分为微孔型断裂、解理型（准解理型）断裂、沿晶断裂及疲劳型断裂等。2）按断口的宏观形貌分类，分为纤维状、结晶状、细瓷状、贝壳状及木纹状，人字形、杯锥状等。3）按断口的微观形貌分类，分为微孔状、冰糖状、河流花样、台阶、舌状、扇形花样、蛇形花样、龟板状、泥瓦状及辉纹等。4）按加工工艺或产品类别对断裂进行分类：1）按加工下艺分类，有铸件断裂、锻件断裂、磨削裂纹、焊接裂纹及淬火裂纹等。2）按产品类别分类，有轴们断裂齿轮断裂、连接件断裂压力容器断裂和弹簧断裂等。 2.失效分析可分为：事前分析、事中分析和事后分析。 3.腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。 4.解理断裂的微观形貌特征主要是：河流花样及解理台阶，除此之外尚有舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样等以及珠光体解理。 5.典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。 二、判断 1.缩孔：由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。 2.点腐蚀：只有在特定的介质中才能发生点腐蚀。当介质中的氯离子和氧化剂（如溶解氧）同时存在时，容易发生点腐蚀、大部分设备发生的点腐蚀失效都是氯化物和氯离子引起的。 3.晶间腐蚀：某种材料是否发生晶间腐蚀取决于材料／介质体系的特征。在这种体系中，材料的晶界区域比晶粒本体的溶解速度大，所发生的腐蚀即为晶间腐蚀。 只有那些能使不锈钢的晶界呈现活化状态，而晶粒呈现钝化状态的介质环境，才会发生晶间腐蚀。 金属发生晶间腐蚀后，在宏观上几乎看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著降低。 4.在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。 5.微孔型断裂的宏观表现：宏观塑性的微孔断裂（提高材料的塑变抗力防止）、宏观脆性的微孔断裂（提高材料的断裂韧度）。 6.冷脆金属低温脆断断口的宏观特征：结晶状，并有明显的镜面反光现象。冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征：河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。 7.准解理断裂：从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。为了防止此类断裂，最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力，即降低钢材的脆性转折温度。 三、名词解释
.. 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
金属材料的断裂 金属在外加载荷的作用下，当应力达到材料的断裂强度时，发生断裂。断裂是裂纹发生和发展的过程。 1. 断裂的类型 根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，可分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂：断裂前产生较大的塑性变形，断口呈暗灰色的纤维状。脆性断裂：断裂前没有明显的塑性变形，断口平齐，呈光亮的结晶状。韧性断裂与脆性断裂过程的显著区别是裂纹扩散的情况不同。 韧性断裂和脆性断裂只是相对的概念，在实际载荷下，不同的材料都有可能发生脆性断裂；同一种材料又由于温度、应力、环境等条件的不同，会出现不同的断裂。 2. 断裂的方式 根据断裂面的取向可分为正断和切断。正断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向垂直，一般为脆断，也可能韧断。切断：断口的宏观断裂面与最大正应力方向呈45°，为韧断。 3. 断裂的形式 裂纹扩散的途径可分为穿晶断裂和晶间断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部，韧断也可为脆断。晶间断裂：裂纹穿越晶粒本身，脆断。 4. 断口分析 断口分析是金属材料断裂失效分析的重要方法。记录了断裂产生原因，扩散的途径，扩散过程及影响裂纹扩散的各内外因素。所以通过断口分析可以找出断裂的原因及其影响因素，为改进构件设计、提高材料性能、改善制作工艺提供依据。断口分析可分为宏观断口分析和微观断口分析。 （1）宏观断口分析 断口三要素：纤维区，放射区，剪切唇。纤维区：呈暗灰色，无金属光泽，表面粗糙，呈纤维状，位于断口中心，是裂纹源。放射区：宏观特征是表面呈结晶状，有金属光泽，并具有放射状纹路，纹路的放射方向与裂纹扩散方向平行，而且这些纹路逆指向裂源。剪切唇：宏观特征是表面光滑，断面与外力呈45°，位于试样断口的边缘部位。 （2）微观断口分析（需要深入研究） 5. 脆性破坏事故分析 脆性断裂有以下特征： （1）脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限。（2）一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃。（3）脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3。（4）发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。
实验一脆性断裂和韧性断裂断口失效分析 一、实验目的 了解模具脆性断裂和韧性断裂断口失效分析步骤以及模具脆性断裂和韧性断裂断口的宏观和微观特征。 二、实验内容及步骤 1、模具脆性断裂和韧性断裂宏观断口的观察 （1）操作前的准备工作 a.选定失效模具的待分析部位； b.选定并切割试样、清洗并擦拭干净。 （2）操作步骤 a.用放大镜或低倍显微镜观察脆性断裂和韧性断裂断口； b.记录上述所观察到的脆性断裂和韧性断裂宏观断口形貌。 2、模具脆性断裂和韧性断裂微观断口的观察 （1）操作前的准备工作 a.选定失效模具的待分析部位； b.选定并切割试样、将试样严格清洗干净； （2）操作步骤 a.将试样放入扫描电子显微镜工作室并将扫描电子显微镜调整到 工作状态； b.用扫描电子显微镜观察脆性断裂和韧性断裂断口 c.记录上述所观察到的脆性断裂和韧性断裂微观断口形貌。 三、实验设备器材 1、放大镜、低倍显微镜、扫描电子显微镜、试样切割机、无水酒精、丙酮 2、脆断失效模具和韧性断裂失效模具各一副。 四、实验注意事项 1、实验前，试样表面要严格请洗； 2、使用显微镜时要细心操作，以免损坏机件。 3、遇故障及时报告指导教师。
实验二模具表面磨损失效分析 一、实验目的 了解模具磨损失效分析步骤以及模具磨损表面的宏观和微观特征。 二、实验内容及步骤 1、模具磨损表面宏观形貌的观察 i.操作前的准备工作 1.选定失效模具的待分析部位； 2.清洗并擦拭干净。 ii.操作步骤 1.用放大镜或低倍显微镜观察模具磨损表面形貌； 2.记录上述所观察到的磨损表面形貌。 2、模具磨损表面微观形貌的观察 i.操作前的准备工作 1.选定失效模具的待分析部位； 2.将试样严格清洗干净； ii.操作步骤 1.将试样放入扫描电子显微镜工作室并将扫描电子显微镜调整到 工作状态； 2.用扫描电子显微镜观察模具（或40Cr）磨损表面微观形貌; 3.记录上述所观察到的模具（或40Cr）磨损表面微观形貌。 3、磨损失效机理分析 ⅰ根据模具表面磨损失效的宏观断口分析结果，初步判定模具磨损失效的类型和失效机理。 ⅱ根据模具表面磨损失效的微观断口分析结果，准确判定模具磨损失效的类型和失效机理。 三、实验设备器材 1、放大镜、低倍显微镜、扫描电子显微镜、高纯氩气、无水酒精、丙酮 2、磨损失效模具一副或40Cr经表面强化试样。 四、实验注意事项 1、实验前，试样表面要严格请洗； 2、使用显微镜时要细心操作，以免损坏机件。 3、遇故障及时报告指导教师。
端子断裂失效分析 美信检测失效分析实验室 1. 案例背景 失效样品为某汽车接地线束的固定端子，生产流程为：原料铜管→裁剪→冲压成型→表面镀锡→装配→振动试验（19万次）→断裂；其可靠性测试中6个成品经振动试验19万次后其中一个断裂，委托方要求分析该断裂失效端子的失效机理，并给出改进建议。 2. 分析方法简述 外观检查中可观察到失效样品断裂的2部分能无缝对接，断裂位置在冲压形成的台阶折线处。 断裂位置 正常样品失效样品将失效样品断口用超声波清洗干净，然后在SEM下放大观察断口形貌，高倍下发现断口存在明显的疲劳条带；低倍下观察到断口两侧低中间高，为两侧先开裂再向中间扩展形成的中间凸起断口形貌，结合据委托方提供的样品振动19万次后断裂信息，判断样品为双向高周疲劳断裂模式。 中间凸起失效样品先去镀层，再进行化学成分分析，结果表明失效样品材质为纯铜，材料不存在异常。
失效样品和正常样品分别镶样，进行金相分析，失效样品腐蚀前金相观察未发现明显缺陷，腐蚀后可观察到大变形区域的纤维状α相，小变形量区域为α相组织，伴有较多孪晶；正常样品腐蚀前金相观察发现样品表面的折弯处存在微裂纹，裂纹填充满锡，推断裂纹为冷加工成型造成的，腐蚀后可观察到金相组织为α相组织，伴有较多孪晶。 纤维状α相 铜管内壁裂纹 从断口分析可知，样品断口形貌主要为高周期疲劳断裂特征，根据客户提供的震动试验资料，样品试验过程是振幅为12mm左右的周期振动，19万次后断裂，符合低应力高疲劳周期的双向高周疲劳断裂特征，两侧裂纹无锡填充，说明为镀锡后开裂，为冷机加工造成应力折叠形成的开裂。 从化学成分可知失效样品的铜含量在99.99%，材质为纯铜，材料不存在异常。 从金相图片可知，失效样品与正常样品的金相组织都为α相组织，伴有较多孪晶，为冷机加工残留内应力较大的特征；正常样品可观察到填充锡的微裂纹，为冷机加工缺陷，这些表面微裂纹可能会成为开裂源。 4. 结论
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：