《材料失效分析》实验教案2014上

第一篇：《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.实验一

材料失效中的金相分析法实验（2学时）

金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，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。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。

【2】实验内容或原理

在失效件上切片，制备相关金相试样。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

一、材料失效分析方法分类

一）相关性分析的思路及方法

一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。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 如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。

（2）材料分析 材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。

（3）加工制造缺陷分析 铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。

（4）使用及维护情况分析 超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。

2.根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法

这是较为常用的分析方法。一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。3.“四M”分析思路及方法

所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。

（1）操作人员情况的分析 如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。

（2）环境情况的分析 主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。

（3）设备情况的分析 主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。

（4）管理情况的分析 如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。二）系统工程的分析思路及方法

失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。

失效系统工程分析法主要类型：（1）故障树分析法（简称FTA法）（2）特征—因素图分析法

（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）（4）故障率预测法

（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）（6）模糊数学分析法 三）数理统计分析思路及方法

相关性：

二、失效分析的一般程序

机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。一般说来，大体上包括：

1）调查失效事件的现场，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）综合归纳所有信息并提出初步结论，5）重现性试验或证明试验，6）确定失效原因并提出建议措施，7）写出分析报告等内容。

三、失效分析的步骤 l、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。

（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。（6）写出现场调查报告。

2、收集背景材料（1）设备的自然情况（2）设备的运行记录（3）设备的维修历史情况（4）设备的失效历史情况

（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书（6）材料选择及其依据（7）设备主要零部件的生产流程（8）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）材料的金相组织及硬度（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

（1）失效产品的直观检查（变形。损伤情况，裂纹扩展，断裂源）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）

（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）

（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X射线衍射法）

（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核

5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论

根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。

6．重现性试验或证明试验 重大事件： 7．撰写失效分析报告

失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。

机械产品的失效分析报告通常应包括的内容

（1）概述 首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。

（2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。

（3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。

（4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。

（5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。

四、国际上比较公认的分析程序

材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下：

（一）失效情况的描述

以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。

（二）裸眼观察

失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。

（三）机械设计分析（应力分析）

当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。

（四）化学成分设计分析

据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。

（五）制造过程及其各工艺环节分析

错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。

（六）宏观断口形貌检查

在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。（实验二）

（七）微观断口分析

包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。（实验三）

（八）金相检验

金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。（实验一）

（九）性能检验

性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。（实验三）

（十）失效分析

模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。

五、金相分析技术的应用

1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷

2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因

六、金相分析用设备

1、光学显微镜观察

在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为15×15×15mm。将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4％HNO3＋C2H5OH溶液（此为镁合金，不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。

2、扫描电子显微镜观察

铸态、固溶态、挤压态合金的第二相的形态及其在基体中的分布通过Sirion 200场发射扫描电镜上进行观察，对合金相的组成进行能谱(EDX)分析，并观察拉伸试样的断口形貌。

3、透射电镜观察

用水磨砂纸和金相砂纸对铸态、固溶态、挤压态合金的透射电镜试样进行机械减薄到70μm左右，再分别冲裁成直径为Φ3mm的圆片用于离子减薄，离子减薄在Gantan691型离子减薄仪上进行，其减薄时的工作条件为：轰击电压为4~5kV，电流为0.3-0.4mA，入射角为6°-8°。在TECNAI G220型透射电镜上进行观察分析，加速电压为200kV。通过透射电镜主要观察合金晶粒形态、晶内及晶界处位错组态、亚晶、亚晶内位错、位错密度，合金第二相形态及其分布等等。

七、案例分析

1、钢铁合金 1）相图

1538 1495 1394 Fe

2）灰铸铁缸体断裂失效分析

3）灰铸铁轮毂的失效分析

2、铝合金

1）相图

2）低压铸造铝合金轮毂内部缺陷探讨 3）高强度高耐磨性铝硅合金的实验研究

3、镁合金

1）相图 2）金相图片分析

思考题：

1、说明金相分析法在材料失效分析中的意义。

2、分析低碳钢（20）、中碳钢（45）、高碳钢（T10）的平衡组织结构，分析其对合金性能的影响。

3、以铝硅合金为例，从成分、组织和性能的关系出发，分析如何提高铝合金的强度？

实验二

零件失效的宏观分析法（2学时）

宏观分析主要用于分析断口形貌。断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过宏观分析法，让学生了解宏观分析法在材料失效分析中的重要作用。了解各种失效产品在进行分析时其宏观特征。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固各种材料如钢、铁、铝、镁等合金的制备工艺特点的基础上，结合具体失效产品，分析其宏观特征。

【2】实验内容或原理

轴、齿轮的失效分析。腐蚀构件的失效分析。磨损件的失效分析。可用于实例分析的构件有：柴油机曲轴断裂分析、扭力轴断裂分析、工、模具断裂分析、旋转弯曲曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、铝合金/镁合金零件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。

一、分析方法

材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下：

（一）失效情况的描述

以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。

（二）裸眼观察

失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。

（三）机械设计分析（应力分析）

当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。

（四）化学成分设计分析 据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。

（五）制造过程及其各工艺环节分析

错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。

（六）宏观断口形貌检查

在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。

（七）微观断口分析

包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。

（八）金相检验

金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

（九）性能检验

性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。

（十）失效分析

模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。

二、宏观分析方法

根据《机械工程材料测试手册》，按国家标准《钢材断口检验方法》和《碳素钢和低合金钢断口检验方法》规定,已经纳入上述标准的断口有:(1)纤维状断口,(2)瓷状断口,(3)结晶状断口,(4)台状断口...一）断口处理及断口分析的任务

断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。

断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。

在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。断裂的基本分类 1）延性断裂与脆性断裂

断裂前如有宏观塑性变形——延性断裂 断裂前如无宏观塑性变形——脆性断裂 2）穿晶断裂与沿晶断裂

裂纹扩展是穿过晶粒内部的——穿晶断裂 裂纹扩展是沿着晶粒晶界的——沿晶断裂 穿晶断裂可分： 脆性断裂——穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑性变形

延性断裂——穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形

1、断口的处理

（1）在干燥大气中断裂的新鲜断口 防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；

（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。

（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非常重要。

腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。

2、断口分析的任务

（l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。

（2）确定断口的宏观形貌。纤维状断口/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。裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存在多个裂草源区的情况下，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）确定断裂的微观机制。解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/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或其他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。二）断口的宏观分析方法

断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应力）间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。生产中的产品检验的目的主要是：

1）利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺； 2）用断口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳件的出炉时间；

3）用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确定合理的感应器设计及淬火工艺； 4）用断口法确定高速钢的淬火质量；

5）用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。

1、最初断裂件的判断

分析对象是一个复杂的大型机组或是一组同类零件中的多个发生断裂。（1）整机残骸的失效分析

整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到单个零件，进而对最初断裂件的断口作具体分析。（2）多个同类零件损坏的失效分析

一组同类零件的几个或全部发生损坏时，要判明事故原因需确定哪一个件先坏，这类分析也应采用顺序分析法。在对多个同类零件的损坏情况下，要根据损坏件的变形及损伤的严重程度来确定最初破断件。

（3）同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析

在同一个零件上，在其几何结构及受力情况完全相同的几个部位均出现损坏的情况。必须首先搞清楚是哪个部位首先损坏。

2、主断面（主裂纹）的宏观判断

最初断裂件找到后，紧接着的任务就是确定该断裂件的主断面或主裂纹。所谓主断面就是最先开裂的断裂面。主断面上的变形程度、形貌特点，特别是断裂源区的分析，是整个断裂事故分析中最重要的环节。1）利用碎片拼凑法确定主断面

2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹 3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹

碎片拼凑法确定主断面 “T”型汇合法确定主断面或主裂纹 裂纹的河流花样确定主裂纹

3、断裂（裂纹）源区的宏观判断

主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的基础。

1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区

2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区 3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区

4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区

5）将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源 6）根据断口上的色彩程度确定裂纹源区 氧化色

4、宏观断口的表观现象与致断原因初判 1）断裂源区和零件几何结构间的关系

断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。

对于塑性材料的光滑试件（零件），在单向拉伸状态下，断裂源在截面的中心部位属于正常情况。为防止零件出现此种断裂，应提高材料的强度水平或加大零件的几何尺寸。

表面硬化件发生断裂时，断裂源可能发生在次表层，为防止此类零件的断裂，应加大硬化层的深度或提高零件的心部硬度。

除上述两种情况外，断裂源区一般发生在零件的表面。零件的尖角、凸台、缺口、刮伤及较深的加工刀痕等应力集中处。为防止此类破坏显然应从减小应力集中方面入手。2）断裂源区与零件最大应力截面位置的关系

断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。如果不一致则表明零件的几何结构存在某种缺陷或工作载荷发生了变化，但更为常见的情况是材料的组织状态不正常（如材料的各向异性现象严重）或存在着较严重的缺陷（如铸造缺陷、焊接裂纹、锻造折迭）等情况。

例如，承受单向扭转工作载荷的轴件，其断口的宏观形貌，按其与最大应力之关系可能有以下几种情况：

（a）断口表面与最大正应力所在平面相对应，即断口与轴线呈45螺旋状。此种类型的断裂为宏观脆性断裂，通常是由材料的脆性过大或韧塑性不足引起的。通过改变零件的热处理工艺，适当提高回火温度则有助于减少零件的此类断裂。

（b）断口的表面与最大切应力所在平面相对应，即断口平面与轴线垂直或平行。此种类型的断裂为宏观韧性的断裂，通常是由材料的强度或硬度不足引起的。适当降低零件的回火温度，则有助于零件使用性能的改善。

上述两种情况均表示材料的组织均匀性未出现太大问题。在此种情况下，如果调整热处理工艺难以避免上述两种断裂，则应提高材料的强韧性级别或者适当加大零件的几何尺寸。

（c）断口表面与轴线的夹角远小于45，即断口表面既不和最大正应力所在平面相对应也不和最大切应力所在平面相对应。换句话说，该断裂面是在较小的应力条件下形成的。由此可以推知，材料的各向异性现象比较严重，横向性能比较差。通常是由材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。

3）断裂是从一个部位产生的还是从几个部位产生的，是从局部部位产生的还是从很大范围内产生的。

通常的情况是，应力数值较小或应力状态较柔时易从一处产生，应力数值较大或应力状态较硬时易从多处产生；由材料中的缺陷及局部应力集中引起的断裂，裂纹多从局部产生；存在大尺寸的几何结构缺陷引起的应力集中时，裂纹易从大范围内产生。

承受旋转弯曲的轴件可能产生以下几种类型的断裂：

（a）裂纹源于表面一处或两处（基本对称，但稍有偏转）这是最为常见的断裂形式。其产生原因是由于表面拉应力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在无明显缺陷存在的情况下，正常的断裂（由材料性质及轴件的几何尺寸和载荷性质来决定）也呈此种断裂形式；

（b）裂纹源于次表面某处。次表面的拉应力小于表面，其所以成为起裂点，必然存在有较大的缺陷；

（c）裂纹源于整个表面向内扩展导致的断裂。其断裂原因一般是由于轴件存在有变截面且其应力集中现象严重所致，如此处为直角过渡的情况。4）断口表面的粗糙度

断口表面的粗糙度在很大程度上可以反映断裂的微观机制并有助于断裂性质及致断原因的判断。

如粗糙的纤维状多为微孔聚集型的断裂机制，且孔坑粗大，塑变现象严重；瓷状断口多为准解理或脆性的微孔断裂，塑变现象极小，孔坑小、浅、数量极多；粗、细晶粒状为沿晶断裂；镜面反光现象明显的结晶状断口为解理断裂；表面较平整多为穿晶断裂，凹凸不平多为沿晶断裂等。5）断口的边缘情况

观察断口的边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和宏观塑性变形等，将有助于分析裂纹源区的位置、裂纹扩展方向及断裂的性质等问题。因为随着裂纹的扩展，零件的有效面积不断减小，使实际载荷不断增加。对于塑性材料来说，随着裂纹的扩展，裂纹两侧的塑性变形不断加大，依此即可确定裂纹的扩展方向。例如，一裂纹顺着一排铆钉孔扩展，最先扩展的裂纹孔基本不变形是圆形的，而后的裂纹孔将依次加大变形成为非圆形的孔，裂纹的扩展方向则是由圆孔指向非圆孔。在断口的表面没有其它特殊花样存在的情况下，利用断口边缘的情况往往是判断裂纹源区及裂纹扩展方向的唯一的和可靠的方法。6）断口上的冶金缺陷

注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、缩孔等缺陷。有时依此可以直接确定断裂原因。

三、宏观断口实例分析

1、铸铁件 1）HT250

2）20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂

3）30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂

30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂

2、铸铝件（ZL105）

思考题：

1、描述HT250合金铸件的的宏观特征，分析其失效原因。

2、描述20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂的宏观特征，分析其失效原因。

3、描述30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂的宏观特征，分析其失效原因。

4、描述汽车叶轮铸铝件（ZL105）的宏观特征，分析其失效原因。

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）

通过断口分析，可以判断断裂失效的裂纹起源与裂纹扩张的途径，判断断裂的性质，反反推断裂载荷的类型和大小、材料的性质、大致的环境，推断失效的原因是：设计的原因；材质的原因；工艺的原因和环境的原因等。通过实例来说明断口分析的应用，以体现不同的断裂类型具有不同有形貌特征。

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过断口分析法，让学生了解静载荷作用下的金属材料断裂时韧性断口和脆性断口的特征。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固韧性和脆性材料的应力-应变特点，熟悉相关检测设备的工作原理，通过实验，判断失效零件的宏观和微观特征。

【2】实验内容或原理

拉伸断口形貌观察。三要素；断口宏/微观形貌及其特征；裂源及裂纹扩展方向。通过实际失效件及其断口的宏观分析，掌握最初断裂件的判断、主裂纹（主断面）的判断方法。

一、基本理论

一）断口三要素的内容与特点

光滑园柱形试样的拉伸变形过程：均匀变形——缩颈——断裂（杯锥状断口）三要素：

纤维状区（fibrous zone）;放射状区（radial zone）;剪切唇区（shear lip）纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样；

暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状；

其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区 放射区：具有放射花样特征（脆断特征）

放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向

纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定

扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45°

切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状

二）断口三要素的分布类型

①F、R、S②F、S——160℃光滑园柱拉伸试样断口③R、S——低合金钢在－160℃条件拉伸或冲击断口④S——纯剪切型断口或薄板拉伸断口 三）影响因素

1、试验温度 T ↓，F↓ S↓ R↑

2、试样尺寸 t↑，F↓ S↓ R↑

3、试样形状 四）断口三要素的应用

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裂纹源的确定：

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。

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（chevron pattern）其反方向为 源扩展方向 五）断裂过程

裂纹形成

裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）

失稳扩展 裂纹扩展两阶段：

亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展

裂纹总是沿需要消耗扩展功最小的路径，条

件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速；

扩展功小，消耗的能量小；

危害性大，总是脆断

二、材料的拉伸实验

拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本试验。金属的力学性能可用强度极限σb、屈服极限σs、延伸率δ、断面收缩率Ψ和冲击韧度αk五个指标来表示。它是机构设计的主要依据。在机构制造和建筑工程等许多领域，有许多机械零件或建筑构件是处于受拉状态，为了保证构件能够正常工作，必须使材料具有足够的抗泣强度，这就需要测定材料的性能指标是否符台要求，其测定方法就是对材料进行拉伸试验，因此，金属材料的拉伸试验及测得的性能指标，是研究金属材料各种使用条件下，确定其工作可靠性的主要工具之一，是发展新金属材料不可缺少的重要手段，所以拉伸试验是测定材料力学性能的一个基本试验。

1）观察碳钢、铸铁在拉抻过程中的各种现象，绘制拉伸图(P—ΔL图)由此了解试件变形过程中变形随荷载变化规律，以及有关的一些物理现象。2）观察断口，比较低碳锕和铸铁两种材料的拉伸性能。

1、试验设备仪器及量具

2、试件

金属材料拉伸试验常用圆形试件。为了使实验测得数据可以互相比较，试件形状尺寸必须按国家桶准的规定制造成标准试件。如因材料尺寸限制等特殊情况下能做成标

准试件时，应按规定做成比例试件。圆形截面标准试件和比例试件的国标规定。对于板材可制成矩形截面。园形试件标距L。和直径之比，长试件为Lo／do＝10，材料的机械性能指标σs、σb、δ、Ψ是由拉伸破坏实验来确定的，实验时万能材料试验机自动给出载荷与变形关系的拉伸图(P—ΔL图)如图2所示，观察试样和拉伸图可以看到下列变形过程。

1、弹性阶段— OA

2、屈服阶段— BC

3、强化阶段— CD

4、颈缩阶段— DE 由实验可知弹性阶段卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此吁可记录下屈服点Ps。当屈服到一定程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降。至到断裂，这一阶段叫颈缩阶段。

实验中可测得： Ps一屈服荷重。Pb —最大荷重。L1 一断后标距部分长度。A1 一断后最细部分截面积。由此可计算 屈服极限：APSs=δ 强度极限：APbb=δ 延伸率：%1001×−=LLLδ 截面收缩率：%1001×−=AAAψ 其中A、L均为拉伸前试件的截面面积及标距。

3、碳钢的拉伸步骤

1）试件的准备，试件中段取标距L=50mm，在标距两端刻线（或冲眼）做为标志。用游标卡尺在试件标距范围内，测量中间和两端三处直径d0。取最小值作为计算截面面积用。

2）试验机的准备（液压万能试验机构造原理参看附录一）：首先学习试验机操作规程。估计低碳钢σb，计算打断试件所需的最大荷载。根据最大荷载选定试验机测力表盘和锤锤A、B、C、并调节缓冲手柄到相应的位置。按需要放大倍数调节好自动绘图器，装上绘图纸，以备画出P—ΔL曲线。装好试件，调整指针对准零点。

3）检查试车：由教师检查以上准备情况，开动试验机，加少量荷载（勿使超过比例极限）检查试验机，绘图机构工作是否正常。然后卸载（可保留少量荷载），视情况指针调零。

4）进行试验：慢速加载。使试验机指针缓慢均匀的转动。自动绘图装置可绘出试件受力和变形的关系图，如图1。观察测力盘指针转动情况，当指针不动或摆动，倒退时，说明材料发生流动（屈服）测力指针倒退的最小值。即为流动荷载Ps，如图BC段，试验者应记录下此值，以备计算屈服点应力值δs 流动阶段结束，试件可以继续承受更大的外力和发生变形，称为强化阶段如图C至D段。D段所对应的荷载即试件能承担的最大荷载Pb，试验者记录好Pb，值以备计算。当荷载达到Pb之后，试件开始颈缩，测力指针开始回转，表明试件承载能力减少，到E点断裂。

5）试验结束关闭试验机，取下试件和图纸，打开试验机回油阀，使试验机回到原位。6）测量试件：将断裂试件紧对在一起，测量端口处直径d1,在断口两个互相垂直方1/3处区段内。可直接量取；若不在此区，按国家标准采用断口移中办法，计算L1的长度。

4、铸铁拉伸试验步骤

1）试件的准备：测量试件中间和两端之处直径d，取最小值计算截面积。

2）试验机准备：估计铸铁σb值，估算拉断试件最大荷载。试验机调整与低碳钢拉伸试验相同。

3）检查及试车：与碳钢拉伸试验相同。

4）进行试验：开动好试验机。用慢速加载直到试件断裂，记录最大荷载Pb值。观察自动绘图器上的曲线。

5）试验结束：关闭试验机，取下试件，使试验机回原位。6）测量试件：测量断裂后试件的直径和长度。7）计算铸铁拉伸强度极限：

5、结束工作

1）清理并复原试验机、工具和现场。

2）描下拉伸曲线，按要求填写试验报告，整理数据，写出结论。

6、思考题：

1）碳钢拉伸图大致可分几个阶段?每个阶段力和变形有什么关系? 2）碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性)

第二篇：金属材料失效分析

金属材料失效分析

★★★★★微谱检测：中国权威检测机构★★★★★

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上海微谱化工检测技术有限公司，是一家专业从事材料分析检测技术服务的机构，面向社会各业提供各类材料样品剖析、配方分析、化工品检验检测、单晶硅纯度检测及相关油品测试服务。

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7、纺织、皮革助剂分析：柔软剂、匀染剂、整理剂等

8、油墨分析：墨水、感光油墨、UV油墨等

9、化妆品：洗发、护发用品、护肤用品、美容用品、口腔卫生制品等 10 水处理剂分析：缓蚀剂、混凝剂和絮凝剂、阻垢剂，沉淀剂等洗涤剂分析：民用和工业用清洗剂高分子材料的性能检测，失效分析工业故障分析诊断，提供解决方案，工艺失效模式分析药物的结构确认化工品中有毒物质的成分及含量检测石油化学品分析：润滑油、切削液，燃料油，表面处理剂等

第三篇：内控失效原因分析

常见的内部控制失效原因

一出纳领取银行对账单、编制银行存款余额调节表。之所以把这个问题列在十大问题之首，是因为它非常普遍且后果严重，但遗憾的是，直到今天，仍有很多单位根本没有意识到这一问题，或虽然意识到了却不以为然，低估了其可能造成的严重后果。

不相容职务分离是内部控制的一个基本原理，通常需要分离的不相容职务包括授权与执行、执行与审核、执行与记录、保管与记录，所谓“管钱不管账，管账不管钱”就是不相容职务分离原理的一个典型运用。货币资金是最容易出现舞弊的一项资产，如果由出纳来负责领取银行对账单、编制银行存款余额调节表，出纳就有可能挪用或侵占公司货币资金，并通过伪造对账单或在余额调节表上做手脚来掩盖自己的舞弊行为。

从笔者了解的情况看，80%以上的企业存在出纳领取银行对账单、编制余额调节表的现象，究其原因，主要从工作方便角度出发，由于出纳经常跑银行，办理各种收付款，于是便“顺理成章”地领取银行对账单、编制余额调节表。殊不知这种习惯做法存在巨大风险隐患，其实要防范这种风险并不难，只要改由出纳以外的人来负责银行对账单领取和账面银行存款余额核实工作即可，关键是要从思想意识上重视起来。二领导“一只笔”审批，缺乏完善内控制度和流程保障。领导“一只笔”，表明看起来似乎控制很严格，不容易出问题，但事实上这种“一只笔”控制反映了单位内部控制方式的落后。

首先，事无巨细都由领导来审批，囿于时间和精力，领导最后可能疲于应付，分不清主次，审批“一只笔”变成签字“一只笔”而已，控制流于形式。

其次，如果缺乏相关支撑信息，领导无法对收支合理性进行判断，“一只笔”就会失去控制作用，例如经办人员申请购买某种设备，而领导没有该设备经济可行性、价格合理性的相关数据，审批就会演变成一种过场。

第三，领导“一只笔”会造成高度集权，不利于对领导的制约和监督，可能导致fu败。因此，合理的内部控制应当按照重要性程度大小，适当分层授权，逐级审批。三过于依赖业务人员，企业资源掌握在个人手中，企业对业务开展失去控制。

企业业务资源完全掌握在业务员个人手中，对企业来说是一件非常危险的事情，现实中经常可以看到，不少企业的业务员一旦跳槽或离职，原有的客户和业务关系也被随之带走，形成企业对业务人员过于依赖的局面。更有甚者，有的企业业务员明地里使用单位各项资源，暗地里为自己或亲友开拓业务、谋取私利，严重损害了企业利益。针对这种现象，企业应通过完善制度设计，例如采取建立统一的客户档案和客户关系管理系统、同一笔业务有两人以上共同参与、适当进行工作轮换和加强财务对业务过程的控制等措施，将业务员手中的客户资源转化为企业资源，让客户认的是企业本身而不是认个人，这样企业的业务就不会依赖于某一两个人，从而保持持续稳定的发展。2003年初，花旗银行台湾区总经理陈圣德率领二十多位主管集体跳槽，但在经历短暂的人事地震以后，花旗银行在短短两三个月内就基本恢复了业务正常开展，当年业绩并未受到大的影响，盈利反而创下历史新高，靠的就是花旗银行内部已经形成完整的制度和流程，用制度来保障业务开展，而不是依赖于某个业务人员或主管。

四内部控制制度文字描述性较多，清晰的流程图和配套表单较少。

很多单位有这样一种现象，员工在某个岗位工作久了后变得驾轻就熟，经验老到，工作起来游刃有余，而一旦这个员工因有事调离或辞职，后面接替的人员则需要花很长时间来熟悉情况，重新摸索工作方法。造成这种现象的原因是企业制度主要是文字性东西，缺乏清晰的岗位说明和工作流程图，执行的人往往凭自己的经验和别人“言传身教” 来做事，岗位新手在开始阶段工作不知从何入手，通常需要很长一段学习和熟悉过程。因此，一套完整的企业制度应包括三部分：（1）文字描述的支撑制度文件；（2）工作流程图或流程的文字描述；（3）相关凭证、表单、文件的样式汇总。

通过绘制清晰的工作流程图，可以让每个人都能一目了然地知道办事程序、涉及的部门、人员和规章制度，而且能够将工作形成的好经验固化下来，并且通过流程图能比较容易发现内部控制中的不足之处和风险点，从而有助于企业内部控制的持续改进。

五内部控制制度“救火式”较多，制度体系缺乏系统性和完整性。

很多企业的内部控制制度都是在发展中逐步建立起来，经常是发现管理中出现了某种问题，于是相应地出台一个制度来规范。例如今天发现电话费高了，就制定一个通讯费管理办法，明天发现办公用品浪费严重，就拟定出办公用品采购与使用办法。

这种“救火式”的制度往往只能防范已发生过的风险，而对未发生的风险则考虑不足。此外，这样的制度体系无论在内容上还是形式上，都缺乏系统性和完整性，没有科学合理的分类，甚至不同制度之间存在矛盾或重叠的现象。有的单位还有不同部门根据自身需要制定制度现象，政出多门，相互打架。

笔者曾经接触过一个单位，仅是购买电脑一项，既可以通过信息科购买，因为信息科负责整个单位的计算机软硬件系统；也可以通过行政办公室，因为电脑属于办公用品，而办公用品归办公室管理；还可以通过负责管理固定资产的设备科购买，因为电脑是一种固定资产。为此，企业应有一套规范的制度制定程序和形式规范，包括制度的编号、格式、分类、内容、审批程序、执行及其他应注意事项进行统一的规范化管理，并以书面形式予以约束。六员工临时休假或出差时，缺乏明确的工作交接制度。任何一个岗位，总会出现员工因急事、生病或出差等原因不能正常上班的情形，很多单位在制度设计时都没有考虑到员工暂时离岗时工作由谁接替的问题。

实际操作中，在遇到员工临时休假或出差时，便临时指派一位相关人员来兼任，但事实上，这种急时抱佛脚的做法，稍有不当，可能会给企业带来风险。企业正常的工作安排中通常会将不相容职务由两个以上的人来担任，以便相互牵制，而临时指派某人兼任做法，可能会导致不相容职务由同一人担任。例如支票印鉴平常一般都由两人分别保管，如果因其中一人临时有事而指派另一人暂时兼任，由一人掌握所有空白支票和印鉴的话，盗用支票的风险就会大大增加。因此，企业有必要明确规定一些重要岗位的工作交接制度，防止员工临时休假或出差时留下内部控制“真空”的现象。

七、人员招聘注重笔试和面试，忽视背景调查

八、关键岗位没强制轮休和带薪休假制度

九、过分强调控制成本，并将其作为弱化或逾越内控的理由

十、说一套做一套制度放空炮

第四篇：电子器件失效分析--学习心得

《电子器件失效分析及可靠应用》-----学习心得

通过8月5日、6日两天的学习培训，结合我司的实际情况，总结以下几点学习体会。

一、电子器件失效的理念。

失效分析并不等同于维修，一般大公司的失效分析部包括物料的认证、生产问题的解决、硬件管理和设计评审，所以产品的失效包含很广的领域，并不是单纯的维修不良品。

二、失效分析的意义

失效分析是打开可靠性工程大门的钥匙。失效分析可以解决生产即时存在的问题，也为后续产品可靠性打下良好的基础，创造明显的价值。

三、电子器件失效的分类和控制

1、ESD控制

ESD失效的四个特征

隐蔽性：人体感知的静电放电电压2-3KV。

潜在性：损伤后性能没有明显的下降，往往是在产品到用户手里半年以上才发生问题。

随机性：从一个元件产生以后，一直到它失效以前的所有过程。复杂性：分析困难，掩盖了失效的真正原因

结合我司的生产，首先应保证生产仪器的良好接地，工作台面的接地，特别是烙铁和测试仪器的接地，再就是防止人体放电，正确配戴静电手环。

举例：LED不允许插在泡沫上，因泡沫上的静电可达1000V以上，而LED要求静电等级红光、绿光大概在500-1000V,蓝光大概为100-300V.根据这一实例，对于我司的IC供应商，我们可以要求其出具IC规格书中的一个静电等级，以便于有效判断IC失效是否为静电损伤的可能性。最后，最好能在生产线配一个静电测试仪。

2、MSD的控制

器件的潮湿敏感等级分为1-6级，当大于3级(即只允许暴露168H)时，必须要经过烘烤后使用;当大于5级或5A级（即只允许暴露24-48H）以上时，建议不使用,否则就会出现“爆米花”效应（即当电子零件吸入湿汽时，由于外表温度的急剧升高，就会导致元件的外封装出现裂纹）。

结合我司，以后在电子来料检验时，注意供应商来料的暴露期限等级。在零件加工及成品生产的全过程注意防潮，注意关窗，成品任何时候不允许直接放在地面上，必须加隔板，避免靠墙堆放。

3、DFM，即可生产性设计

根据新产品的特点，对PCB布局设计，元件选择，制造工艺流程选择，可生产性等进行审核。提出改进建议，并确定工艺难点。在PCB投板之前就预计到可能产生的工艺问题，提前消除可生产性设计缺陷对产品造成的影响。

举例：0805以下的表贴器件，在过波峰时会出现器件的“立碑”现象，即表贴件在焊盘上立起来。造成这种现象的主要原因就是设计时焊盘没有做隔热焊盘，当焊0805以下的表贴器件时，因其重量太轻（小于1克），而此时焊盘两端的热不对称时，一端先熔化，就会出现刚刚所说的“立碑”现象。另外，表贴元器件焊盘和插件焊盘距离不得太近，最好距离5mm以上，有利于制具的制作。

分享者：hensanxu 2011-8-22

第五篇：材料失效分析论文

材料的疲劳断裂失效与预防

摘要:本文从材料疲劳断裂的研究发展，破坏特点及断口分析材料疲劳断裂的原因，并介绍材料疲劳断裂的预防。

关键词： 疲劳断裂 断口 预防

前言

作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平，材料失效问题普遍存在于各类材料中，它直接影响着产品的质量，关系到企业的信誉和生存。材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位，对于材料失效问题的判断和解决能力，代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式。材料的疲劳断裂失效的研究和发展

材料的疲劳与断裂研究试图寻找材料宏观疲劳断裂行为与微观组织形貌的关系。试图探求材料疲劳与断裂的微观机制。

金属(非金属)材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。

机械构件由于材料疲劳损伤导致的断裂往往没有明显的征兆，因此经常引起巨大的灾难性事故，造成人民生命财产损失。因此各个先进的工业化国家都非常重视疲劳与断裂的研究。

材料疲劳与断裂的研究经历了几个阶段。目前，人们已经认识到在循环载荷作用下，金属多晶材料的许多晶粒内部会出现滑移带。这些滑移带会在疲劳形变中继续变化，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。现在，人们可以较好的定量描述裂纹扩展的速率，但是，用材料显微组织的特性可靠的预测其宏观的疲劳断裂性能，还有大量的极具挑战性的工作需要开展，特别是在新材料迅猛发展的时代。

虽然恒定循环应力幅作用下的疲劳破坏是疲劳基本研究的主要内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的含有变幅载荷谱，苛刻环境，低温或高温及多轴应力状态，因此建立能够处理这些复杂服役条件下的可靠寿命预测模型是疲劳研究中最棘手的挑战之一。材料疲劳与断裂的研究是材料科学与工程研究领域中的一个重要分支。

疲劳破坏的特点

尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的 预兆，而是突然地破坏。

第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强 度。

第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。

疲劳断裂断口组成

(1)疲劳源：由于材料质量缺陷、加工缺陷等原因，使得零件局部地区应力集中，这些区域即为疲劳裂纹产生之处，成为疲劳源。零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。

(2)裂纹扩展区：裂纹产生之后，随着应力循环周期增加，裂纹逐渐扩展成贝壳状或光滑状条纹，即为疲劳辉纹。由于载荷的间断和改变，裂纹时而扩展，时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开，以致在两个断面上形成“贝纹状”弧线。这种弧线就叫疲劳裂纹前沿线，其大小与工作应力有关，工作应力小，裂纹寿命长，断口大。

(3)最后断裂区域：或称脆断区，由于疲劳裂纹的扩展，使得零件的有效断面越来越小，应力逐步增加，当最终超过材料强度极限时，零件瞬间突然断裂，断口晶粒较粗大，与发暗的裂纹扩展区明显不同。脆性材料呈结晶状断口；塑性材料呈纤维状，断口呈灰色。

疲劳断裂断口分析

疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情况等有关。根据断口形貌可以定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等，有助于分析零件疲劳断裂产生的原因：

(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有1-2个。

(2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(3)最后断裂区所占面积很大，甚至超过断面的一半以上，说明零件严重过载；若所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。

在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。

疲劳断裂的预防

延缓疲劳断裂的时间，延缓金属零件疲劳断裂的萌生时间的措施及方法主要有喷完强化、细化材料的晶粒尺寸及通过形变热处理使晶界成锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直等。

降低疲劳裂纹的扩展率，对于一定的材料及一定形状的金属零件，当其已经产生疲劳裂纹后为了防止和降低疲劳裂纹的扩展，可采用以下措施：对板材零件上的表面局部裂纹可采取止裂孔法，即在裂纹扩展前沿钻孔已组织裂纹进一步扩展；对于零件内表面裂纹可采取扎孔法进行消除；对于表面局部裂纹可采取刮磨修理法等是行之有效的。除此之外，对于零件局部表面裂纹，也可以采用局部增加有效截面或补金属条等措施以降低应力水平，从而达到组织裂纹继续扩展之目的。

正确的选择材料和制定热处理工艺十分重要，合理选择材料的先决条件是设计者充分了解各种材料的各种热学性能和所适用的工作条件。