材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)
材料失效分析
零件的结构形状不合理；表面状态不良；材料及其组织状态；装配与联接效应；使用环境;载荷频谱。
4、腐蚀失效的基本类型有哪些。
点腐蚀失效；缝隙腐蚀失效；晶间腐蚀失效；接触腐蚀失效；空泡腐蚀失效；磨耗腐蚀失效。
5、什么叫液态金属脆断？液态金属脆断的失效机制是什么？
液态金属脆断是指固态金属在受应力状态下与另一液态金属接触，导致液态金属渗入固态金属内部而产生脆裂。失效机制有两种截然不同的理论，分别呈现出沿晶与穿品破断特征。
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
答：正火发牛可使晶粒细化，改善锻件质量。
5、应力腐蚀开裂是在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏。（）
6、只有在特定的介质屮才能发生点腐蚀。（）
7、金属发生晶间腐蚀后，在宏观上儿乎看不到任何变化，儿何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著增大。（）
8、当应力较大、腐蚀介质较强吋，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。（）
9、铸造、锻造、热冷轧、挤压都属于加工工艺缺陷。（）
材料失效分析答案
一、判断题：本大题10小题，每小题2分，共10分。
√×××√ √×√—
三、名词解释：本大题共5小题，每小题4分，共20分。
6、失效机理
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。
7、断口三要素
纤维状区、放射状区、剪切唇区。
8、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。
材料失效分析试卷
一、判断题：本大题10小题，每小题2分，共20分。
1、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。（）
2、表面异物不属于材料失效的外观形态。（）
3、缩孔是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正锥形。（）
材料断口分析(第2-4章)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素 1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂 2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
4、加载速度 V↑，易发生解理断裂
§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物 Al-Li合金中的δ（AlLi）相 ※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大 ！
小刻面
放射条纹
人字纹
二、微观形貌特征及形成机理
特征： 扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern） 青鱼骨花样（spine pattern） 瓦纳线（wallner line）
失效分析知识点
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：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。
材料失效分析(第二至四章解理断裂和沿晶断裂)
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂
2、显微组织 F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度 T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性 T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
存在确定的位向关系
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
Al-Li合金中的δ（AlLi）相
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
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瓦纳线
（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
台阶形成过程的简化图
通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系
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。
工程材料力学性能各章节复习知识点
工程材料力学性能各个章节主要复习知识点第一章弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。
应力、应变；真应力，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断口形貌特征？①韧性断裂：断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。
其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：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。
板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。
人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆拉伸断口三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺口试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪几种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越大，形变强化增强效果越大退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。
在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提高。
第二章应力状态软性系数：材料某一应力状态，τmax和σmax的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，比为α，α=τmaxσmax缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示缺口敏感度，即为NSR=σbnσb第三章低温脆性：在实验温度低于某一温度t2时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显降低，断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
材料失效分析方法综述
材料失效分析方法综述材料失效是指材料在使用过程中，无法满足其设计要求或者正常使用寿命结束的情况。
对于工程领域而言，材料失效可能导致设备或结构的损坏、事故的发生甚至人身安全的威胁。
因此，准确判断材料失效的原因和机制，对于提高材料的可靠性和寿命至关重要。
在这篇文章中，我们将综述几种常用的材料失效分析方法，包括金相分析、红外光谱分析、热分析、X射线衍射分析和扫描电子显微镜分析等。
金相分析是一种常见的材料失效分析方法。
它通过观察材料的组织结构，来确定可能的失效机制。
通过光学显微镜观察材料的显微组织，可以发现一些常见的失效问题，如晶体缺陷、夹杂物、晶粒长大不良等。
金相分析可以提供宝贵的信息，帮助确定疲劳、腐蚀、断裂等失效机制，并指导进一步的材料改进和工艺优化。
红外光谱分析是一种利用材料对红外光的吸收和散射来识别和分析材料的方法。
材料中不同的化学成分和它们之间的结合方式会导致不同的红外光谱特征。
通过对材料的红外光谱进行分析，可以确定材料中存在的化学成分和它们的状态，从而判断失效的原因。
例如，红外光谱分析可以用来检测材料的老化程度、化学变化、污染物等。
热分析是通过对材料在不同温度下的性质变化进行监测和分析的方法。
常用的热分析技术包括差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和热膨胀测量等。
这些技术通过测量样品在升温和降温过程中的热力学性质变化，如热流、质量损失和尺寸变化等，来推断材料的热稳定性、热老化、热膨胀系数等信息。
热分析可以帮助确定材料失效是由于热老化、热应力或温度变化导致的。
X射线衍射分析是一种材料结构和相变分析的重要技术。
它利用X射线与材料相互作用的规律，通过观测和分析材料衍射的特征，可以确定材料的晶体结构、晶体缺陷和相变等信息。
X射线衍射分析可以帮助研究人员了解材料的结晶状态、晶格畸变和应力状态等。
对于失效材料的分析，X射线衍射可以确定材料中是否存在晶体缺陷或相变，从而推断失效机制。
扫描电子显微镜（SEM）是一种通过扫描材料表面，并利用电子束与材料相互作用产生的各种信号来观察和分析材料表面形貌和微观结构的方法。
材料失效分析讲义
材料失效分析讲义失效分析是人们认识事物本质和发展规律的逆向思维和探索，是变失效为安全的基本环节和关键，是人们深化对客观事物的认识源头和途径。
基本内容在失效分析中，通常首先将失效分类。
从技术角度可按失效机制、失效零件类型、引起失效的工艺环节等分类。
从质量管理和可靠性工程角度可按产品使用过程分类。
失效率曲线通常称浴盆曲线，它描述了失效率与使用时间的关系。
早期失效率高的原因是产品中存在不合格的部件；晚期失效率高的原因是产品部件经长期使用后进入失效期。
机械产品中的磨合、电子元器件的老化筛选等就是根据这种失效规律而制定的保证可靠性的措施。
失效按其工程含义分为暂失效和永久失效、突然失效和渐变失效，按经济观点分为正常损耗失效、本质缺陷失效、误用失效和超负荷失效。
产品的种类和状态繁多，失效的形式也千差万别。
因此对失效分析难以规定统一的模式。
失效分析可分为整机失效分析和零部件残骸失效分析，也可按产品发展阶段、失效场合、分析目的进行失效分析。
失效分析的工作程序通常分为明确要求，调查研究，分析失效机制和提出对策等阶段。
失效分析的核心是失效机制的分析和揭示。
失效机制是导致零件、元器件和材料失效的物理或化学过程。
此过程的诱发因素有内部的和外部的。
在研究失效机制时，通常先从外部诱发因素和失效表现形式入手，进而再研究较隐蔽的内在因素。
在研究批量性失效规律时，常用数理统计方法，构成表示失效机制、失效方式或失效部位与失效频度、失效百分比或失效经济损失之间关系的排列图或帕雷托图，以找出必须首先解决的主要失效机制、方位和部位。
任一产品或系统的构成都是有层次的，失效原因也具有层次性，如系统－单机－部件（组件）－零件（元件）－材料。
上一层次的失效原因即是下一层次的失效现象。
越是低层次的失效现象，就越是本质的失效原因。
故障树分析法自60年代以来迅速发展的系统可靠性分析方法,这种方法用树状图对系统进行演绎分析,从所定义的“不希望事件”开始,在给定的边界条件下,按系统失效的规律，分析到系统的硬件故障、人为差错、环境影响等。
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例2
晶粒过分粗大—细化晶粒处理
晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
第二章
§1、概述
韧 性 断 裂
§2、韧性断裂的断口形貌特征 §3、韧窝形成机理 §4、影响韧窝形貌的因素
§1、概述
1、特点：料断裂前发生明显的塑性变形。也可 以说塑性变形是韧断的前奏，而韧断是大量塑 性变形的结果。 2、过程：显微空洞形成、扩展、连接、断裂
3、类型：
微孔聚集型
纯剪切型
§2、韧性断裂的断口形貌特征
！
4、断口形貌特征
宏观断口：结晶状形貌
冰糖块状（晶粒粗大）
灰色的石状
结晶状断口
石状断口
微观断口：多边形图象（晶粒外形轮廓） 冰糖状形貌
例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？
H＝b N 1/2
2、河流花样
定义：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组合的 条纹。其形状类似地图上的河流。 形成机理：河流花样实际上就是解理台阶的一种标志。当 裂纹扩展时，同号台阶汇合成较大的台阶，而
较大的台阶又汇合成更大的台阶，其结果就形
成河流花样。
影响因素：
小角度晶界：倾斜晶界——影响不大，延伸至相邻晶粒
扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
大角度晶界，扇形花样
3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
T＞Tc，晶体先发生塑变，后产生解理，即断裂时伴随一定的塑性变形
4、加载速度
V↑，易发生解理断裂
§4、准解理断裂
与解理相比，准解理断裂的特征： ①准解理裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源在解理面 边界（晶界）形成 ②准解理裂纹扩展路径比解理裂纹要不连续得多，常在局部地方形成 并局部扩展 ③准解理包含更多的撕裂 ④准解理面的位向并不如铁素体基体的解理面｛100｝严格对应，不 存在确定的位向关系
青鱼骨花样、瓦纳线
§3、影响解理断裂的因素 1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂
2、显微组织
F—断口较光滑，微观呈河流条纹或舌状花样 P—断口呈不连续片层状 M—断口呈锯齿状，出现小刻面
3、温度
T↓，易导致解理断裂
T＜Tc，晶体在塑性变形前产生解理裂纹，断口呈现脆性
一、宏观形貌特征
纤维区、剪切唇
二、微观形貌特征 韧窝花样（断面上覆盖着大量微坑） 韧窝类型：等轴韧窝 抛物线韧窝
卵形韧窝
等 轴 韧 窝
抛物线韧窝
卵型韧窝
§3、韧窝形成机理
§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
2、产生的原因是什么？
3、正火后为什么强度和塑性均有提高？
例2：
在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
例1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、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，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再
结晶充分进行并发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均造成沿晶断裂裂纹所致。 3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
§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
小刻面
放射条纹
人字纹
二、微观形貌特征及形成机理
特征：
扇形花样 解理台阶（cleavage step） 河流花样（river pattern） 舌状花样（tongue pattern）
准解理裂纹形成机理示意图
准解理断口形貌
准解理断口形貌
第四章
发生的断裂。
沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面）
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
Al-Li合金中的δ（AlLi）相
※晶界弱化：杂质Na、S、P等的晶界偏析 合金钢中的高温回火脆性 ※环境：SCC、氢脆、蠕变 ※热应力：焊接材料的HAZ ※晶粒粗大
青鱼骨花样（spine pattern）
瓦纳线（wallner line）
扇形花样
河流花样
舌状花样
（模型） 1、解理台阶
解理裂纹与螺位错交截形成台阶
台阶形成过程的简化图
通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
台阶的性质
台阶在扩展过程中会发生合并或消失（台阶高度减小） 相同方向的台阶合并后高度增加 相反方向的台阶合并后高度减小或消失 台阶高度与柏氏矢量大小、位错密度之间存在一定关系
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
应力状态
第三章
§1、概述
解理断裂
§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
§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。