材料科学中的材料失效与损伤分析
金属材料失效分析案例PPT
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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。
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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
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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。
复旦大学材料失效分析ppt
材料失效分析Failure Analysis of Materials 主讲教师：杨振国主讲教师单位：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2013.9课程基本信息课程代码：MATE130025.01课程内容：理论(18学时) + 应用(18学时)课程网址：/s/348/t/710/平时成绩+ 读书报告+ PPT介绍成绩评定：平时成绩(30％) (30％) （40%）2第一章材料失效分析概论1.1 失效分析概况111.2 失效分析的基本概念121.3 失效分析的基本内容131.4 失效分析学科的发展历程14151.5 失效分析工作者的应有素质各国每年因失效造成的经济损失约占该国GDP的2~4%。
我国2011年、2012年的GDP分别471564 2~4%我国2011年2012年的亿元、519322亿元，以4% 估算，损失值分别高达20772亿元(2012)损失巨18862亿元(2011)、20772亿元(2012) ，损失巨大。
1.1.2失效分析的特点(1) 综合性：()综合性(2) 经济性：●因而是一门发展中的、交叉性的综合性学科基础材料的性能从理论上指明方向。
新华词典》》的定义的定义**●《●《新华词典新华词典》》: p757, 1982.*《新华词典国标GB3187可靠性基本名词术语及定义》》GB3187--8282《《可靠性基本名词术语及定义●国标GB3187的定义●《材料大辞典》的定义**师昌绪主编. 材料大辞典. 化学工业出版社, 1994, p851.●《美国金属学会手册》的定义*ASM International, 2002.●失效的新定义*失效(failure)是指产品(构件)因(failure) 是指产品(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。
根据其严重性失效也可称为事件(i id t)根据其严重性，失效也可称为事件(incident)、事故(accident) 或故障(fault)。
第6章 磨损与腐蚀失效分析汇总
金属表面 发生局部 塑性变形
磨粒嵌入金属 表面，切割金 属表面
表面被 划伤
特点 • 普遍存在于机件中； • 磨损速度较大，0.5～5 μm/h 防止措施 • 提高表面硬度（从选材方面）； • 减少磨粒数量（从工作状况方面）。
（3）疲劳磨损的特征及判断。 它会引起表面金属小片状脱落，在金属表 面形成一个个麻坑，麻坑的深度多在几微 米到几十微米之间。 特点 产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状 或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损， 亦称疲劳磨损。 接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。
• 在化工、石油化工、轻工、能源、交通等 行业中，约60％的失效与腐蚀有关。化工与 石油化工行业腐蚀失效所占比例更高一些。 如近年来(1995 ～ 2000年)国内先后四次对石 化企业的压力容器使用情况进行调查，其中 对失效原因调查统计认为，在使用中因腐蚀 产生严重缺陷及材质劣化，是近年来引起容 器报废的主要原因。
6.2 腐蚀失效分析
6.2.1 腐蚀及腐蚀失效 1. 腐蚀的概念
腐 蚀 介 质
耐 蚀 金 属
（1）腐蚀的定义。 • 金属与环境介质发生化学或电化学作用，导致金 属的损坏或变质。OR在一定环境中，金属表面或界 面上进行的化学或电化学多相反应，结果使金属转 入氧化或离子状态。 （2）腐蚀介质。 • 通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空 气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀 作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强 的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。
• 腐蚀不仅损耗了地球的资源，而且因腐蚀而造成 的生产停顿、产品质量下降，甚至人身事故等损 失，更是无法估量。分析、材料腐蚀及控制的研究 给予了前所未有的关注。 （2）腐蚀介质。 • 通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空 气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀 作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强 的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。
金属材料的失效分析
实验序号：7 实验项目名称：金属材料的失效分析一、实验目的及要求1.了解失效分析的意义、目的2..熟悉失效分析的类型及分析思路3.利用显微镜对失效试样进行断口失效分析二、实验设备（环境）及要求金相显微镜、体式显微镜、抛光机、实验样品。
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。
材料的高温力学性能与热损伤
材料的高温力学性能与热损伤在高温环境中，材料的性能和行为会发生显著变化。
高温下材料的力学性能是一个重要的研究领域，它对于许多工业应用和科学研究具有关键的意义。
同时，高温也会引起材料的热损伤，进一步影响其力学行为和性能。
首先，让我们来探讨材料在高温环境中的力学性能。
在高温下，材料的硬度、强度和延展性往往会发生变化。
这是由于高温会导致材料晶格结构的扩散和重排，从而改变了其原子间的力学键。
此外，高温还可能引发材料的相变和组织的演变。
所有这些因素都会改变材料的力学性能。
一种常见的高温力学性能参数是材料的热膨胀系数。
在高温条件下，材料会受热膨胀的影响，使其尺寸发生变化。
材料的热膨胀系数可以用来描述材料随温度变化时的尺寸变化率。
对于许多应用来说，了解材料在高温下的热膨胀行为是至关重要的，因为它可以帮助我们预测和控制材料的尺寸变化。
另一个与高温力学性能相关的重要参数是材料的屈服强度和抗拉强度。
高温情况下，材料的形变和断裂行为可能会发生改变。
一些材料在高温下会表现出处理硬化行为，即随着应变增加，材料的抗拉强度也会增加。
而其他材料可能会在高温下变得更加脆化，抗拉强度和延展性会降低。
因此，了解和预测材料在高温下的变形和断裂行为对于确保结构的安全和可靠性至关重要。
然而，高温还可能导致材料的热损伤。
当材料暴露在高温环境中时，热能会被吸收并引起材料的变形、蠕变和烧蚀。
蠕变是一种在长时间作用下，材料在高温和恶劣环境下逐渐变形的现象。
这种现象可能会导致结构件的塑性失效和疲劳损伤。
烧蚀是指材料表面由于高温导致的化学反应和物质损失。
这种现象通常发生在航空航天领域，尤其是在太空飞行器再入大气层时。
因此，研究材料在高温下的热损伤行为对于设计和制造高温结构和设备至关重要。
为了有效地应对材料在高温环境中的力学性能和热损伤问题，科学家和工程师进行了大量的研究和实验。
他们使用各种实验技术和数学模型来分析和预测材料在高温下的行为。
例如，通过使用高温拉伸试验、热膨胀试验和差热分析等实验技术，可以获得材料在高温下的力学性能参数。
如何认识失效和分析失效
如何认识失效和分析失效1.失效概述1.1失效定义一个机械系统由若干零件、若干部件或构件以及附属装置构成，系统、机器、部件或零件丧失规定功能的现象就称为失效。
失效会导致设备发生故障，使系统丧失功能，严重的会造成人员伤亡或其他损失的重大事故。
1.2失效分类失效按程度可分为轻微失效、中度失效和严重事故三类，轻微失效包括变形、磨损、轻微腐蚀等，中度失效包括断裂、应力腐蚀开裂、氢脆等，严重事故则包括设备失控和爆炸等。
每年因失效引起的事故在世界范围内非常多，具有频发性。
1.3失效机理导致失效的物理、化学、热力学或其他变化过程称为失效机理，微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早要表现出一系列的宏观（外在）性能、性质的变化，如强度、疲劳、腐蚀、蠕变和磨损等。
造成失效的外部因素包括载荷、介质、温度、环境等，载荷可分为静载荷、动载荷、偶然载荷、交变载荷等，介质则包括腐蚀和应力腐蚀，环境包括辐射、大气、海洋等。
它们通过系统、子系统（机器、部件）、元素（零件）而发挥作用，使机械系统失效。
1.4失效形式失效的形式主要包括变形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效，变形失效又包括弹性变形失效和塑性变形失效，断裂失效包括韧性断裂失效、脆性断裂失效和疲劳断裂失效，腐蚀失效则包括均匀腐蚀失效和局部腐蚀失效。
1.5失效原因失效发生在某种特定原因下，不管它们是否可预见，大多数是与用户的特定操作相关的。
失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、材料缺陷、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。
1.6失效危害系统、零部件的失效会带来人员伤亡和直接巨大的经济损失。
同时失效也会造成惊人的间接经济损失。
所谓间接的经济损失，主要包括由于失效迫使企业停产或减产所造成的损失；引起其他企业停产或减产的损失；影响企业的信誉和市场竞争力所造成的损失等。
由于设备失效引起企业及与其相关的其他企业停产而造成的损失，往往难于精确计算，实际的损失可能比估算的数字还要大。
金属零件失效分析及实例 (DEMO)
金属零件失效分析及实例一、轴的失效分析1．1 轴的失效类型轴是用来支承旋转，并传递动力和运动的部件。
轴可以承受各种类型的载荷，如拉伸、压缩、弯曲或扭转及各种复合载荷。
有时还承受振动应力。
在这些载荷作用下，使轴失效的最常见的类型是轴的疲劳断裂。
疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。
轴的疲劳通常可分为3种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。
弯曲疲劳可由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。
在单向弯曲时，任一点的应力都是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。
在交变弯曲和旋转弯曲时，任意一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间循环变化。
扭转疲劳常因施加变动或交变的扭转力矩产生。
轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸—压缩载荷的结果。
承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断裂。
机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽、刻痕及紧配合处。
冶金影响因素包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。
疲劳破坏占失效轴的50％以上。
在低温环境中或是在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。
脆性断裂的特征是裂纹以极高的扩展速度(大约1800m/s或更大)发生突然断裂，而在断裂源处只有小的变形迹象。
这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字形花样的标志，人字形的顶点指向断裂源。
一些表面处理能使氢溶解入高强度钢中，使轴脆化而断裂，例如，电镀金属会引起高强度钢的失效。
轴的韧性断裂(显微空穴聚合的结果)在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似在普通拉伸试验或扭转试验试样中所观察到的情况。
对拉伸断裂的轴这种变形，用目视检验是容易见到的，但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。
在正常工作条件下轴很少发生韧性断裂。
但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。
损伤跨尺度演化致结构失效过程的模拟和分析方法
传统静力学分析是一种基于静力平衡方程的分析方法，用于计算结构在给定载 荷作用下的响应。通过静力学分析，我们可以确定结构的应力、应变和位移分 布，从而评估其强度和稳定性。然而，传统静力学分析往往无法考虑材料的非 线性行为和损伤演化过程，因此需要结合其他方法进行分析。
谱分析
谱分析是一种基于振动理论和有限元方法的分析方法，用于计算结构的固有频 率和模态。通过谱分析，我们可以确定结构在振动过程中的稳定性，并识别出 可能出现的共振和失稳模式。谱分析还可以用于评估结构在不同载荷和环境条 件下的响应，为结构的优化设计和可靠性评估提供依据。
模拟方法
基于分子动力学的模拟技术
分子动力学是一种通过计算机模拟分子和材料的行为的方法。通过分子动力学 模拟，我们可以研究材料在微观尺度上的力学性能、损伤演变和扩散过程。这 种方法可以用来模拟材料的弹性和非弹性行为，研究微裂纹的萌生、扩展和相 互作用，从而预测结构在微观尺度上的失效过程。
元胞自动机模型
实验与模拟的结合
为了提高模拟结果的准确性和可靠性，我们需要将实验与模拟相结合。通过实 验，我们可以获得真实材料和结构的各种性能参数，如弹性模量、泊松比、强 度等。这些参数被用于模拟中，以建立更精确的模型。同时，模拟结果也可以 指导实验设计，以更好地表征材料的损伤和失效行为。
分析方法
传统静力学分析
例：桥梁结构的损伤跨尺度演化致失效过程分析
某大型桥梁在经过长时间使用后出现结构性损伤，需要进行评估和修复。我们 采用本次演示介绍的模拟和分析方法对该桥梁的损伤跨尺度演化致失效过程进 行分析。
首先，我们使用分子动力学模拟方法对桥梁材料的微观结构和性能进行模拟。 通过模拟，我们发现材料的微观结构和化学成分对材料的力学性能有显著影响。 这一信息被用于优化材料的选材和配比方案。
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材料科学中的材料失效与损伤分析引言
材料失效与损伤分析是材料科学领域中的重要研究方向之一。
随着现代科技的
不断进步，对材料性能的要求越来越高，材料失效与损伤的问题也变得日益突出。
本文将从材料失效与损伤的定义、分类、分析方法以及预防与修复等方面进行探讨，以期帮助学生更好地理解和应用相关知识。
一、材料失效与损伤的定义与分类
材料失效是指材料在使用过程中无法满足设计或使用要求的状态，通常表现为
性能下降、功能丧失或完全破坏。
而材料损伤则是指材料在受到外界作用或内部因素影响下出现的局部性或整体性的变化，包括裂纹、疲劳、腐蚀等。
根据失效的性质和机理，材料失效可分为静态失效和动态失效。
静态失效主要
是指材料在长时间受力或环境作用下出现的破坏，如断裂、塑性变形等。
动态失效则是指材料在瞬态或短时间内受到外界作用后出现的失效，如冲击、爆炸等。
材料损伤则可以分为可逆性损伤和不可逆性损伤。
可逆性损伤主要是指材料在
受力后能够恢复到原始状态的损伤，如弹性变形。
而不可逆性损伤则是指材料在受力后无法完全恢复的损伤，如塑性变形、断裂等。
二、材料失效与损伤分析方法
1. 失效与损伤预测
失效与损伤的预测是材料科学中的一项重要任务。
通过对材料的力学性能、热
学性能、化学性能等进行测试和分析，可以预测材料在不同环境和应力下的失效与损伤情况。
常用的预测方法包括有限元分析、统计学方法、实验测试等。
2. 失效与损伤分析
失效与损伤分析是对已经失效或受损材料进行研究和分析，以找出失效或损伤的原因和机理。
失效与损伤分析的方法多种多样，包括断口分析、金相分析、电子显微镜观察等。
通过对失效与损伤样品的分析，可以了解材料的破坏机制，为材料的改进和优化提供依据。
三、材料失效与损伤的预防与修复
1. 失效与损伤的预防
为了避免材料的失效与损伤，可以采取一系列的预防措施。
首先，要进行材料的合理设计，选择适当的材料和加工工艺，以提高材料的强度和耐久性。
其次，要进行材料的表面处理和防护，以提高材料的抗腐蚀和耐磨性能。
此外，还可以通过改变材料的结构和组织，提高材料的抗疲劳和抗冲击性能。
2. 失效与损伤的修复
当材料出现失效或受损时，可以采取一些修复措施来恢复其功能。
常见的修复方法包括焊接、粘接、涂覆等。
修复过程中需要考虑材料的性能匹配、接头强度、修复后的耐久性等因素，以确保修复后的材料能够满足使用要求。
结论
材料失效与损伤分析是材料科学中的重要研究方向，对于提高材料的性能和延长材料的寿命具有重要意义。
通过对材料失效与损伤的定义、分类、分析方法以及预防与修复等方面的探讨，可以帮助学生更好地理解和应用相关知识，为材料科学的发展做出贡献。