综述-铝合金疲劳及断口分析
文献综述
（2011级）
设计题目铝合金疲劳及断口分析
学生姓名胡伟
学号201111514
专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师
院系名称材料科学与工程学院
2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析
1 绪论
1.1 引言
7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。
现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。
1.2 7系铝合金的发展历史
在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
科学家公布了具有优良焊接性能的合金AlZnMg1 和AlZnMg2，引起了人们对Al-Zn-Mg系合金的重视。在此段时间，美国学者在AlZnMg1 合金的基础上，加入了Zr、Mn、Cr 等元素，研制出了7004和7005合金，具有优良焊接性和抗应力腐蚀性能，广泛应用于焊接行业。唯一不足的是，工艺性能较差。日本科学家尝试降低合金中Mg含量，提高Zn/Mg值，研制出了ZK60和ZK61合金，使合金的焊接性和工艺性能提高，但是降低了很大的强度。同时期内，前苏联也研制出了1915、1933合金，强度也是偏低。为了克服强度低的缺点，20世纪70年代又研制出7020合金，具有高强度，焊接性好的性能。以后，人们把注意力集中在了Al-Zn-Mg 系铝合金上。20世纪80年代初，美国科学家先后在7075合金的基础上，为了解决实际生产中抗应力腐蚀敏感性较高的问题，以及满足某些特殊需要，调整了部分合金元素的含量，发展了许多新型合金。
相比之下，国内对7系铝合金的研究起步较晚，在20实际80年代，由东北和北京研究院研制Al-Zn-Mg 系铝合金。目前主要有7050、7075、7175等合金产品。20 世纪90 年代中期，北京航空材料研究所采用常规半连续铸造法试制出7A55 超高强铝合金，近几年又研制出强度更高的7A60 合金。而在Al2Zn2Mg 系铝合金的研制上，国内基本都是仿制，很少自行开发。
1.3 铝合金疲劳的分类
1.3.1 疲劳的定义
疲劳断裂是由于交变载荷、应力下引起的延时断裂，其断裂应力水平往往低于材料的抗拉强度σb，有时甚至低于屈服强度σs。一般情况下，疲劳破坏不发生明显的塑性变形，其变形主要是脆性断裂，是一种没有预兆、十分危险的破坏形式，难以检测、预防。
铝合金的疲劳，按疲劳破坏原因可分为三类：热疲劳、腐蚀疲劳和机械疲劳。
1.3.2热疲劳
铝合金的热疲劳是在交变应力和热应力共同作用下产生的疲劳破
坏。外部约束和内部约束是产生热疲劳的两个必要条件，外部约束即阻碍材料自由膨胀，内部约束即产生温度梯度，使材料膨胀，但由于约束从而产生热应力与热应变，经过一定的循环次数，导致裂纹的萌生、扩展。张文孝等研究了LD8铝合金的同相和异相热疲劳特性，应用弹塑性断裂力学方法对不同状态下热疲劳寿命进行了探讨。
1.3.3腐蚀疲劳
长期在化工行业使用或者海水中使用的金属材料，处于腐蚀的环境中，此外还承受交变载荷作用，与正常环境下的金属材料相比，腐蚀性环境和交变载荷同时作用，会显著降低材料的疲劳性能，从而产生构件的破坏，以至于最终断裂。
宫玉辉等研究了不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响，发现腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用，但不同环境腐蚀和不同温度对材料的低周疲劳性能影响不大。王成等将不同浓度硅酸钠添加到铝合金中，发现其可以抑制铝合金的点蚀、减少裂纹源，提高铝合金在氯化钠溶液中抗点蚀的能力及腐蚀疲劳寿命，但对铝合金的腐蚀疲劳裂纹的扩展无法抑制。
1.3.4机械疲劳
机械零部件在外加应力或者应变作用下将会产生机械疲劳，经长时间工作后，即使所受应力小于材料屈服点，仍然会产生裂纹，或者产生断裂。在循环应力水平较低时，弹性应变起主导作用，此时疲劳寿命较长，称之为高周疲劳，也称应力疲劳；在循环应力水平较高时，塑性应变起主导作用，此时疲劳寿命较短，称之为低周疲劳，也称塑性疲劳。李睿等对2024-T3铝合金孔板进行了高低周复合疲劳试验，研究发现随着高低周循环次数增大，复合疲劳寿命有显著的降低，并建立了高低周循环次数和应力幅比与高低周复合疲劳寿命之间的关系式，但其只考虑了载荷循环次数对疲劳的影响，没有全面综合其他影响疲劳寿命的因素。
1.4 疲劳破坏过程及机理
金属设备疲劳过程的开始，即疲劳裂纹的萌生称为疲劳源。疲劳源
是材料微观组织永久损伤的核心，当裂纹开始萌生后，逐渐长大并与其它裂纹合并，然后形成肉眼可见的宏观裂纹，称为主裂纹，此时裂纹萌生阶段结束。之后，进入裂纹扩展阶段，首先开始稳定扩展，裂纹达到临街尺寸后，随着进一步的交变应力、应变作用下，金属材料无法承受，裂纹开始突然间失稳，材料瞬间产生破坏，发生断裂。简而言之，疲劳破坏过程分为：裂纹萌生，裂纹扩展和失稳断裂三个阶段。每个阶段具体如下：
裂纹萌生：
由于应力集中，疲劳裂纹首先起源于材料内部微观结构最薄弱的额区域，或者应力较高的区域。裂纹萌生初期，长度小于0。05mm~0。1mm，此裂纹称为疲劳裂纹核。随着疲劳进行，微观裂纹逐渐发展成宏观裂纹，肉眼可见。铝合金材料疲劳裂纹萌生主要部位有滑移带、晶界、相界面三种
裂纹扩展：
疲劳裂纹萌生结束后，将进入裂纹扩展阶段。此阶段又分为两个部分，首先是裂纹沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展，扩展速率极低，其延伸范围在几个晶粒长度之间。其次，在晶界的阻碍作用下，使扩展方向逐渐垂直于主应力即
拉应力方向，并形成疲劳条纹或称为疲劳辉纹，一条辉纹就是一次循环的结果。
第一阶段的裂纹扩展速度慢，长度小，所以该阶段的形貌特征并不明显。而第二阶段的穿晶扩展，其扩展速率随循环周次增加而增大，扩展程度也较为明显，多数材料的第二阶段可用电子显微镜观察到疲劳条纹，有些甚至能用肉眼观察到。不同材料的疲劳条纹各不相同，形貌也是种类繁多，有与裂纹扩展方向垂直略呈弯曲并相互行的沟槽状花样，有断口比较平滑而且分布有贝纹或海滩花样，有时则呈现以源区为中心的放射线，疲劳条纹是疲劳断口最有代表性的特征。
一般情况下，疲劳裂纹扩展区在整个断口所占面积较大。疲劳裂纹扩展阶段是材料整个疲劳寿命的主要组成部分。不同铝合金材料裂纹扩展的两个阶段也有不同的寿命，在材料表面光滑试件中，第一阶段的扩展时间占整个疲劳寿命的绝大部分；而在有缺口的试件中，第
一阶段几乎可以忽略，第二阶段的传播是整个疲劳裂纹扩展的寿命。
裂纹失稳：
疲劳裂纹扩展到一定长度即临界长度时，材料表面不足以承受外部载荷，在下一次加载中将发生失稳扩展，导致快速断裂。这一阶段是构件寿命的最后阶段，失稳扩展到断裂这一短暂过程对于构件寿命的贡献是可以忽略的，裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域称为瞬断区，材料性质不同，断口相貌也截然不同。
1.5 疲劳寿命的影响因素
1.5.1材料内因
疲劳特性与合金成分有关，成分决定了合金组织以及强化效果；同时，合金的显微组织也冶金过程中的缺陷也对合金疲劳有很大程度的影响，裂纹源可能由夹杂物，晶粒大小，晶粒偏析，晶界疏松引起。张涛等研究了Al-Si系铸造铝合金疲劳性能，发现铸造过程难以避免的孔洞及Si颗粒大小、形貌均对铸造铝合金材料疲劳裂纹的萌生有重要影响；Zhai[7]通过对铝锂合金疲劳性能各向异性的研究发现，在轧制方向强度低，疲劳性能也最差，疲劳裂纹多沿方向萌生，而在厚度方向强度较高，鲜见裂纹的萌生，疲劳性能也自然最佳；时效处理是改善铝合金性能的有效途径，由于其改变了合金微观组织结构，自然也对合金疲劳特性影响颇大；Sharma等通过对不同时效处理后的AA 2219 铝合金进行疲劳试验，结果表明自然时效及欠时效处理后的合金疲劳性能较好，鲜见疲劳裂纹的萌生；而峰时效和过时效处理后的合金，其多出萌生疲劳裂纹切裂纹扩展速率较高，疲劳性能不佳。
1.5.2构件状态
合金的疲劳特性也跟表面粗糙度、材料尺寸、几何形状。表面凹凸。壁厚均匀性有关。
Suraratchai等对影响铝合金疲劳寿命的因素进行了研究，其对合金表面粗糙度进行了有限元分析，结果表明由于材料表面凹凸不平而引起的应力集中，是损害疲劳寿命的源头；肖骥研究了7475铝合
金板材的疲劳性能，在疲劳试验中表现最好的T-L平面上的试件进行了喷丸处理，结果发现，经过喷丸处理之后，并不是一定提高了试件的疲劳强度，在喷丸处理的过程中，在引入残余压应力的同时，也破坏了试件表面的平整度。残余压应力将提高试件的疲劳强度，而过高的粗糙度，将使试件表面很容易成为裂纹源。
1.5.3工作条件
载荷的大小和加载方式及加载频率是合金材料疲劳寿命的决定性因素。刘岗等研究了2E12铝合金在不同应力水平下的疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率，结果表明缺口的存在降低了疲劳强度，随着应力比的提高，疲劳强度也大幅度改善；蹇
海根等通过金相、电镜扫描显微技术对比了不同应力下铝合金的疲劳断口显微组织，发现疲劳裂纹萌生处与材料表面的距离随加载应力升高而减小，加载应力越高，疲劳源区面积越小，裂纹扩展区的疲劳辉纹间距越大，且随着应力的增大，断口上疲劳裂纹扩展区的面积减小，瞬断区的面积增大。同时材料寿命也受工作环境如温度、周边介质等因素影响。Gasqueres等[13]通过对AA 2024铝合金疲劳裂纹扩展规律的研究发现，正常室温下，疲劳裂纹扩展进入第二阶段后，将环境温度调至223 K，裂纹长大又转为第一阶段的扩展规律，而且此时裂纹的扩展受到温度和气压的共同影响。铝合金疲劳特性的影响因素很多，从单一或几个因素的考虑对铝合金材料疲劳寿命进行研究并不准确，建立相应的科学模型，综合考虑所有因素从而精确地预测材料的疲劳寿命是需要进一步深入研究的重点。具有效率高、成本低、工艺简单等优点，适用于多种颗粒以及多种基体，此方法总体上具有一定竞争力。
1.6 疲劳寿命的估算方法
因材料疲劳多数是不可预测，不可检测到的塑性断裂，因此造成的损失不可估计，所以材料疲劳寿命的估计一直以来是重要研究问题。几百年内，各国科学家一直在探索、研究。
1945年Miner在对疲劳累积损伤问题进行大量试验研究的基础上，
将Palmgren于1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成了Palmgren-Miner线性累积损伤法则；1963年Paris在断裂力学方法的基础上，提出了表达裂纹扩展规律的Paris公式，此后又发展有损伤容限设计；1971年Wetzel在Manson-Coffin研究的基础上，提出了根据应力-应变分析估算疲劳寿命的方法——局部应力-应变法，还有许多出色的研究人员提出的。诸多计算方法，以下简单介绍现今在疲劳寿命估算方面三种主要运用的方法。
1、累积损伤理论
Miner理论是典型的线性累计损伤理论，Miner公式为：
其中n表示不同大小的载荷，N表示不同载荷单独作用下出现裂纹的破坏次数，N表示总的循环次数，即疲劳寿命。当循环周期内载荷对构件所造成的损伤累计加至1时，构件即发生破坏；其简单直观，在工程上被广泛应用，并由此衍生了最早的抗疲劳设计方法——名义应力法，其以材料或零件的S-N曲线描述材料的疲劳特性，根据应力集中系数和名义应力，结合线性累计损伤理论进行疲劳寿命计算。但名义应力法以材料力学和弹性力学为基础，不考虑疲劳过程中的塑性变形，对发生高应力局部屈服的疲劳破坏并不适用。
2、局部应力-应变法
局部应力-应变曲线法认为构件的整体疲劳性能，取决于最危险区域的局部应力应变状态。其先实验测定应力、应变和疲劳断裂寿命的曲线和实验数据，接下来结合Neuber公式进行缺口时间在随机加载下的局部应力-应变响应分析，进行每一次循环的损伤计算，最后按线性累积模型求得疲劳损伤量，估算出寿命。修正后的Neuber公式为：
其中ΔS、Δσ、Δε分别为名义应力幅值、局部应力幅值和局部
应变幅值。缺口疲劳系数是一个静态参数，无法精确求解。名义应力法没有考虑疲劳过程中的塑性变形，局部应力-应变法弥补了这一缺陷，只要掌握材料试样的循环应变、应力与寿命关系的曲线等少量实验数据，通过对应力集中部位的应力应变分析后，就可以预计构件的疲劳寿命。但其运用的Neuber公式是一个经验公式，人为误差较大，而近年来兴起的弹塑性有限元法较为精确，值得推广。
3、损伤容限法
断裂力学是损伤容限法的基础，实际上所有工程构件都有微观缺陷，这一固有缺陷可以视其为一个初始裂纹，裂纹扩展寿命便是由初始裂纹扩展到临界裂纹的应力循环数。疲劳裂纹临界尺寸的选择根据材料性质及工作状态等因素确定，通常用裂纹扩展速率公式来描述不同结构与不同外载荷作用下的裂纹扩展行为，其扩展速率不仅与裂纹长度有关，也与载荷大小、加载方式等因素有关。
1.7疲劳断口分析
以高强铝合金断口形貌分析为例，如A7N01 铝合金，是Al-Zn-Mg-Cu 热处理强化型的高强度铝合金，综合性能较为优异，具有高强度、较好的挤压性和耐蚀性。目前较多的应用在高速列车主要零部件上。
试样几何尺寸如下：
1.7.1疲劳宏观断口分析
由实验可知，T型接头焊趾处，是试样断裂的主要部位，因为在疲劳过程中，焊趾处出现应力集中，通过对焊接接头的硬度分析，可以得知在距接头中心线位置附近，大约10mm处，已进入热影响区的软化区域，即焊趾所处的区域。如果采用惰性气体保护，可以降低应力集中，从而降低材料的疲劳。
焊趾处出现疲劳裂纹源后，形成裂纹，然后向接头中心处扩展。这是由于焊接中，靠近中心的部位经历了来自左右两侧焊缝的热循环处理，组织粗大，强度降低。当多个裂纹源在焊趾表面出现时，裂纹将会以放射状扩展，向四周辐射，此时，多个微裂纹聚集到一起并合并成一个裂纹，此时微裂纹停止扩展，主裂纹继续，当扩展到材料临界裂纹长度时，产生失稳断裂，材料断口粗糙不平。在断口上，疲劳稳定扩展区占到整个面积的一半，疲劳裂纹源面积较小。
1.7.2疲劳微观断口分析
由扫描电子显微镜可以观察到疲劳裂纹源，以面心立方为例，合金中存在许多滑移系，比较容易产生滑移变形。当裂纹源产生，材料表面产生滑移，出现滑移带，在交变载荷作用下，试样的轴向拉应力较大，加上焊趾处应力集中，所以在焊趾处通过滑移产生较大的塑性变形。由于交变载荷不断反复，滑移面被破坏，便出现微裂纹，微裂纹长大，就形成了小裂纹。小裂纹形成降低了其他裂纹扩展速率，因此材料往往存在扩展停止的其他小裂纹。
在裂纹扩展中，在晶界、晶粒、金属基体交界处会萌生裂纹，这是为了达到自由能平衡，这样的结果是使裂纹扩展到各个晶面，看起来像羽毛状的形状。同时，裂纹在扩展过程中，相邻裂纹长大的方式是一种撕裂的方式，存在明显塑性变形，较高的载荷在第二相粒子上作用，使粒子破裂，裂纹不断张开和闭合，形成了疲劳条带，导致断口上出现凹陷和犁沟。
疲劳裂纹的稳定扩展特征包括出现疲劳辉纹，通常，疲劳辉纹的数目代表了疲劳循环的次数，每当出现一次循环，便出现一条疲劳辉纹。因此，可以通过一定距离内的辉纹条数，大致判断出裂纹扩展速率。其次，另外一个特征边上二次裂纹，即由断口表面向内部扩展的裂纹。
二次裂纹和疲劳辉纹基本上平行，扩展方式为沿晶扩展，二次裂纹一般情况下，分布较为分散，同一方向，时隐时现。
疲劳裂纹扩展到临界尺寸后，材料出现失稳扩展，形成瞬断区。断口表面存在撕裂棱和韧窝。断裂呈现准解理断裂的特点就是存在撕裂棱，而韧性断裂的标志便是存在韧窝。可以推断出，疲劳断裂瞬断区为准解理断裂和韧性断裂的混合断裂．
1.8 论文的研究意义
本文开展了对铝合金疲劳以及疲劳破坏断口形貌的分析，研究了铝合金疲劳破坏的一系列过程，这将对以后预防、检测以及估算材料的寿命有重大意义。精确的计算材料的疲劳寿命，将能在发生重大事故之前避免，减少了人身财产的损失。
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断口分析
断口分析 研究金属断裂面的学科，是断裂学科的组成部分。金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，称断口。断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，记录着有关断裂全过程的许多珍贵资料，所以在研究断裂时，对断口的观察和研究一直受到重视。通过断口的形态分析去研究一些断裂的基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。如果要求深入地研究材料的冶金因素和环境因素对断裂过程的影响，通常还要进行断口表面的微区成分分析、主体分析、结晶学分析和断口的应力与应变分析等。随着断裂学科的发展，断口分析同断裂力学等所研究的问题更加密切相关，互相渗透，互相配合；断口分析的实验技术和分析问题的深度将会取得新的发展。断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。 断口的宏观和微观观察断口分析的实验基础是对断口表面的宏观形貌和微观结构特征进行直接观察和分析。通常把低于40倍的观察称为宏观观察，高于40倍的观察称为微观观察。 对断口进行宏观观察的仪器主要是放大镜(约10倍)和体视显微镜（从5～50倍）等。在很多情况下,利用宏观观察就可以判定断裂的性质、起始位置和裂纹扩展路径。但如果要对断裂起点附近进行细致研究，分析断裂原因和断裂机制，还必须进行微观观察。 断口的微观观察经历了光学显微镜（观察断口的实用倍数是在 50～500倍间）、透射电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 1000～40000倍间）和扫描电子显微镜（观察断口的实用倍数是在 20～10000倍间）三个阶段。因为断口是一个凹凸不平的粗糙表面，观察断口所用的显微镜要具有最大限度的焦深，尽可能宽的放大倍数范围和高的分辨率。扫描电子显微镜最能满足上述的综合要求，故近年来对断口观察大多用扫描电子显微镜进行（见金属和合金的微观分析）。 脆性断口和延性断口根据断裂的性质，断口大致可以分为几乎不伴随塑性变形而断裂的脆性断口，和伴随着明显塑性变形的延性断口。脆性断口的断裂面通常与拉伸应力垂直，宏观上断口由具有光泽的结晶亮面组成;延性断口的断裂面可能同拉伸应力垂直或倾斜,分别称为正断口和斜断口；从宏观来看，断口上有细小凹凸，呈纤维状。对于单轴拉伸断口和冲击断口，在理想情况下，其断裂面是由三个明显不同的区域（即纤维区、放射区和剪切唇区）所构成（图1）。这三个区域实际上是裂纹形成区、裂纹扩展区和剪切断裂区（对冲击拉伸则有终了断裂区），通常称它们为断口三要素。对于同一种材料，三个区域的面积及其所占整个断口的比例随外界条件的改变而变化。例如：加载速率愈大，温度愈低，则裂纹扩展区（即放射区）所占的比例也愈大。如果定义裂纹扩展区对另外两个区面积的比值为R,则通常把R=1时的断裂温度称为材料的韧性－脆性转变温度（或延性-脆性转变温度、塑性-脆性转变温度）。如果在同一温度和加载速率下比较两种材料的断裂性质，则R值愈小的材料，其延性（塑性）愈好。 金属断裂的微观机制为了阐明断裂的全过程（包括裂纹的生核和扩展，以及环境因素对断裂过程的影响等），提出种种微观断裂模型,以探讨其物理实质,称为断裂机制。在断口的分析中，各种断裂机制的提出主要是以断口的微观形态为基础，并根据断裂性质、断裂方式以及同环境和时间因素的密切相关性而加以分类。根据大量的研究成果，目前已知主要的金属断裂微观机制可以归纳在表1中。
断口分析
故障件的断口分析 在形形色色的故障分析过程中,人们常会瞧到一些损坏零件的断口,但就是人们缺乏“读懂”它的经验,不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。这里结合整改过程中的一些实例作些介绍,希望能对您有所帮助！ 对于汽车常用碳素钢与合金钢而言,其常见断口有: 1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。断口形貌为韧性(塑性)断口,断口呈暗灰色没有金属光泽瞧不到颗粒状形貌,断口上有相当大的延伸边缘。 2.疲劳弯曲断口: 2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口:出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区特征(下面将详 述)。 2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口:不具有典型的疲劳断口特征,属于不正常的弯曲断裂。其断口特征:沿弯 曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层;而内层呈银 灰色白亮条状新断口(见图1)。
图1 3.典型的金属疲劳断口 典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区三个特征。断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。
3-1 疲劳裂纹源区:就是疲劳裂纹萌生的策源地,它处于机件的表面,形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形,这就是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢,裂纹经反复挤压摩擦而形成的。它所占有的面积较其她两个区要小很多。疲劳裂纹大多就是因受交变载荷的机件表面有缺陷;譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处,换句话说可能有多处疲劳裂纹源区,这需要我们去仔细解读疲劳断口。 3-2 疲劳裂纹扩展区:就是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。它就是判断疲劳断裂的最重要的特征区。它以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线,也称疲劳弧线呈“贝纹状”。疲劳
金属疲劳应力腐蚀试验及宏观断口分析
金属疲劳、应力腐蚀试验及宏观断口分析 在足够大的交变应力作用下，由于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口（见图1-1）明显地分为三个区域：裂纹源区、较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。 图1-1 疲劳宏观断口 一﹑实验目的 1.了解测定材料疲劳极限的方法。 2.掌握金属材料拉拉疲劳测试的方法。 3.观察疲劳失效现象和断口特征。 4.掌握慢应变速率拉伸试验的方法。 二、实验设备 1.PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机。 2.游标卡尺。 3.试验材料S135钻杆钢。 4.PLT-10慢应变速率拉伸试验。 三﹑实验原理及方法 在交变应力的应力循环中，最小应力和最大应力的比值为应力比： max min σσ= r （1-1） 称为循环特征或应力比。在既定的r 下，若试样的最大应力为max 1σ，经历N 1次循环后，发生疲劳失效， 则N 1称为最大应力r 为时的max 1σ疲劳寿命（简称寿命） 。实验表明，在同一循环特征下，最大应力越大，则寿命越短；随着最大应力的降低，寿命迅速增加。表示最大应力max σ与寿命N 的关系曲线称为应力-寿命曲线或S-N 曲线。碳钢的S-N 曲线如图1-2所示。由图可见，当应力降到某一极限值r σ时，S-N 曲线趋 近于水平线。即应力不超过r σ时，寿命N 可无限增大。称为疲劳极限或持久极限。下标r 表示循环特征。 实验表明，黑色金属试样如经历107次循环仍未失效，则再增加循环次数一般也不会失效。故可把107 次循环下仍未失效的最大应力作为持久极限r σ。而把N 0=107称为循环基数。有色金属的S-N 曲线在N>5×108时往往仍未趋于水平，通常规定一个循环基数N 0，例如取N 0=108，把它对应的最大应力作为“条件”持久极限。
AES实验报告-材料分析与表征
《材料分析与表征》 俄歇电子能谱(AES)实验报告 学院：材料学院班级：xxx 姓名：xx 学号：xxxxxxxx 一．实验目的 1. 了解俄歇电子能谱的背景知识和基本原理； 2. 了解俄歇电子能谱的基本实验技术及其主要特点； 3. 了解俄歇谱仪的基本结构和操作方法； 4. 了解俄歇电子能谱在材料表面分析中的应用。 二．实验原理 1. AES简介 俄歇电子能谱，英文全称为Auger Electron Spectroscopy，简称为AES，是材料表面化学成分分析、表面元素定性和半定量分析、元素深度分布分析及微区分析的一种有效的手段。俄歇电子能谱仪具有很高表面灵敏度，通过正确测定和解释AES 的特征能量、强度、峰位移、谱线形状和宽度等信息，能直接或间接地获得固体表面的组成、浓度、化学状态等信息。 当原子的内层电子被激发形成空穴后，原子处于较高能量的激发态。这一状态是不稳定的，它将自发跃迁到能量较低的状态——退激发过程，存在两种退激发过程：一种是以特征X射线形式向外辐射能量——辐射退激发；另一种通过原子内部的转换过程把能量交给较外层的另一电子，使它克服结合能而向外发射——非辐射退激发过程(Auger过程)。向外辐射的电子称为俄歇电子。其能量仅由相关能级决定，与原子激发状态的形成原因无关，因而它具有“指纹”特征，可用来鉴定元素种类。 2. 俄歇效应 处于基态的原子若用光子或电子冲击激发使内层电子电离后，就在原子的芯能级上产生一个空穴。这一芯空穴导致外壳层收缩。这种情形从能量上看是不稳定的，并发生弛豫，K空穴被高能态L1的一个电子填充，剩余的能量(E K-E L1)用于释放一个电子，即俄歇电子。如图1所示。
实验一脆性断裂和韧性断裂断口失效分析
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。
腐蚀疲劳断口讲解
西安石油大学本科课程设计（论文） 课程设计（论文） 题目：钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析学院(系)：材料科学与工程学院 专业：金属材料工程 班级：金材1002 学生姓名：李佳典 指导教师：雒设计 所在单位：西安石油大学 完成时间:2013年9月
目录 1．引言 (2) 2. 钻杆钢 (2) 2.1 钻杆钢的分类及应用 (2) 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 (2) 3. 实验方法 (3) 3.1 实验材料的选用 (3) 3.2 断口的制备和保存及注意事项 (4) 4. 腐蚀疲劳的断口形貌分析 (4) 4.1 宏观断口形貌特征分析 (5) 4.2 疲劳裂纹源的微观断口形貌特征分析 (6) 4.3 疲劳裂纹扩展区的微观断口形貌特征分析 (7) 5. 结果分析 (8) 5.1 钻杆钢腐蚀疲劳断口形貌特征的影响因素 (8) 6. 结论 (8) 参考文献 (9)
1．引言 许多工程结构件的使用状态，不但是处于交变载荷和常温大气的条件下，而大多数是经受交变载荷和腐蚀介质的共同作用。金属的腐蚀疲劳[1]是工程中经常出现的一种现象，钻探管道，压缩机和燃气轮的叶片，舰船用螺旋桨和舵，蒸汽和水管道，化学工业中的泵轴等，往往遭受到腐蚀疲劳破坏。所以，随着现代化工业的发展，腐蚀疲劳已成为在石油、化工、冶金和海洋灯用钢结构中的重要研究课题之一。国外非常重视腐蚀疲劳研究工作，1973年召开过国际腐蚀疲劳会议。近些年来，已将断裂力学应用于腐蚀疲劳研究中，但是，国内对金属腐蚀疲劳研究很少。 鉴于我国目前海水用钢和抗硫化氢用钢等防腐蚀用钢发展的需要，应积极采取措施在现有疲劳试验机上增加腐蚀装置，大力开展腐蚀疲劳的实验研究工作。 2. 钻杆钢 2.1 钻杆钢的分类及应用 石油钻杆一般采用中碳合金钢，钢管都以热处理状态交货，通常采用调质热处理，得到回火索氏体组织，其具有良好的综合机械性能。按美国石油学会标准API5D钻杆按钢级可分为E-75，X-95，G-105，S-135，短线后的数字代表最小屈服强度，其中S135材质相对于36CrNiMo，36CrMnMo，30CrMn，也可以采用不锈钢材质，如00Cr13Ni5Mo。 钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用，钻杆的长度一般在九米左右。 光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。首先，通过钢管加厚工序的处理，光管外表面向内弯，钢管管壁加厚。下一步，进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。然后进行非破坏性质量控制检验，随后进行钢管管体接头的焊接。而后，管体会经历焊接热处理和焊接最终处理，以消除焊接残余压力。在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测，包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试。 2.2 钻杆钢在腐蚀环境下的失效分析 钻杆腐蚀疲劳失效[2,3], 是腐蚀介质和弯曲交变载荷共同作用的结果从大量钻杆失效分析中观察到，腐蚀疲劳失效大都发生在内加厚过渡区终了处,即接头端面0.5～1.0m
《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.
综述-铝合金疲劳及断口分析报告
文献综述 （2011级） 设计题目铝合金疲劳及断口分析 学生姓名胡伟 学号201111514 专业班级金属材料工程2011级03班指导教师黄俊老师 院系名称材料科学与工程学院 2015年4月12日
铝合金疲劳及断口分析 1 绪论 1.1 引言 7系铝合金包括Al-Zn-Mg 系和Al-Zn-Mg-Cu 系合金，此类合金具有密度低、比强度高、良好的加工性能及优良的焊接性能等一系列优点。随着应用在铝合金上的热处理工艺及微合金化技术的不断改进，其力学性能被大幅度强化，综合性能也得到了全面提升。在航空航天、建筑、车辆、、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。 现代工业的飞速发展，对7 系铝合金的强度、韧性以及抗应力腐蚀性能等提出了更高的要求。但是，存在另外一个现象，在各行各业的领域中，铝合金设备偶尔会出现难以察觉的断裂，在断裂之前很难甚至无法察觉到一点塑性变形。这种断裂形式，对人身以及财产安全造成了不可挽回的损失。经过大量实验表明，这些断裂是由于材料的疲劳引起，材料在交变载荷的长期作用下，表面或者内部，尤其是内部会产生微观裂纹。本文主要研究铝合金疲劳引起的裂纹以及疲劳断口分析，此类研究对于日后的生产安全，有重大意义。 1.2 7系铝合金的发展历史 在20世纪20年代，德国的科学家研制出Al-Zn-Mg系合金，由于该合金抗应力腐蚀性能太差，并未得到产业内应用。在20世纪30年代初一直到二战结束期间，各个国家在研究中发现，Cu元素可以提高铝合金的抗应力腐蚀性能。在此，开发了大量Al-Zn-Mg 系合金，因此忽视了对Al-Zn-Mg 系合金的研究。德、美、苏、法等国在Al-Zn-Mg-Cu 系合金基础上成功地开发了7075 、B93 和D。T。 D683 等合金。目前正广泛应用在航空航天事业上，但是强度、韧性、抗应力腐蚀性能三者之间未能实现最佳组合状态。20世纪50年代，德国
疲劳断口宏观分析
1 疲劳断口的形貌特征 疲劳断口是指金属材料或零构件在疲劳断裂过程中形成的一种匹配的表面， 称断裂面或断口。分析它的目的在于确定零构件是否属于疲劳破坏?其破坏的原因是什么?从而提出防止事故的措施和方法，为今后的设计、选材以及加工等问 题提出改进意见。 对断口的形貌进行分析包括两个方面，即宏观断口分析和微观断口分析。所 谓宏观分析是指用肉眼或20—30倍以下放大镜观察断口的形貌特征。微观分析 是指用光学显微镜或电子显微镜对断口进行分析。宏观分析不要求专门设备，被观察断口尺寸不受限制，可以观察断件和断口全貌，了解各个方面变化情况，所以说宏观分析是断口分析的基础。微观分析是用高倍的光学显微镜、c透射电镜，扫描电镜对断口进行分析，能观察断口的精细结构及裂纹形态。 1.1 疲劳断口宏观特征 由于零构件经常承受拉、压、弯、扭或复合应力的作用，因载荷类型不同， 在宏观断口上表现出的形貌特征也不相同。 （1）弯曲应力作用下的疲劳断口 图1-2是在弯曲疲劳载荷作用下的断口示意图。零件在弯曲疲劳载荷作用下，其表面应力最大，中心应力最小，疲劳源首先在表面形成，然后沿着与最大正应力相垂直方向扩展，到最后瞬断。图中（a）是单向弯曲疲劳断口，它的疲劳源 首先在受拉应力一侧表面形成，瞬断区在疲劳源相对侧，其面积大小由材料抗拉强度和外加载荷的大小来决定。图中（b）是双向弯曲疲劳断口，由于双向弯曲，试件上下两侧交替承受拉应力作用，故疲劳源在相对两侧面形成，瞬断区在中间。
图1-3是轴在旋转弯曲应力作用下的疲劳断 口示意图，由于旋转弯曲应力也是表面最大，中 心最小，疲劳源也开始于表面，且疲劳源两侧裂 纹发展速度较中心快，故贝纹线比较扁平。最终 瞬断区虽然也在疲劳源对面，但总是相对于轴的 旋转方向逆偏转一个角度，此种现象称为偏转现 象。 因此，从疲劳源与瞬断区的相对位置便能推知轴的旋转方向。 轴上有无应力集中及应力集中大小，其最终瞬断区的位置是不同的。若应力 集中较小时，疲劳源只在一处发生，最终瞬断区在疲劳源相对应的一侧。若应力集中较大时，则沿周向缺口将同时有几个疲劳源产生，瞬断区的位置则在轴的内部。另外，最终瞬断区的位置还受轴上名义应力大小的影响。名义应力越大，瞬断区越移向轴的中央，如图l—4所示。 图1—5综合给出了上述各种弯曲应力条件下的疲劳断口形态图。
失效分析报告
南京XXXX 大学失效分析报告 姓名： XXXX学号：XXXXXXXX 学院：X 专业：X 题目：X 2015年11月南京
一、背景 有5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根是失效的（1根已断裂1根已近断裂），另3根外表完好；5根螺栓材料、规格、处理方式是相同的，材料是SCM432、表面经过磷化处理、强度等级为10.9；且称失效件之工作寿命在400小时以内，是作为发动机零件且同发动机一起进行台架试验的时候断裂的，螺栓安装方法为：扭距40N.M,再拧三个90°即270°，工作温度为100℃以内，受力方式为链接两个零件间的分离力；其它诸如热处理工艺、表面处理工艺、螺栓成形加工方式、具体工作状况、具体规格等均不明；且断裂件螺栓断口已有较严重的污染、与之相匹配的另一断口未收到（因为另一半断口可能存在更多信息于失效分析亦非常重要），对失效分析有一定的负面影响,要求分析螺栓的断裂原因。 图1来样宏观形貌（其中黄色标识为失效零件)
二、样品信息 样品名称 螺栓 样品型号 不明 样品数量 5 材料 SCM432 处理方式 不明 三、样品化学成分 元素 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Wt% 0.31 0.070 0.94 0.014 0.005 0.21 0.086 0.029 0.079 四、硬度测试 根据GB/T 4340.1-2009、GB/T 230.1-2009、ASTME140-05对样品进行硬度测试，设备为HVS-1000和HDI-1875，测得结果如下： 根据GB/T3098.1-2000得标准为320~380HV 、32~39HRC ，所以试样硬度正常。 五、宏观断口分析 5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根黄色标识是失效的（1根已断裂1根已近断裂），两根失效零件的失效部位类似均离顶端相同距离，应属螺栓受力部位之第一根螺齿根部；图2显示“已近断裂”之零件之失效部位形貌，有明显裂纹；图3显示断裂之断口形貌有较严重的污染现象；清洗后断口形貌如图4,从断口来看，属低周高应力弯曲疲劳；有两个分别呈半圆形A 及月牙形B 且较为平坦的断口部分，隐约可见贝壳花样，面积约占整个断口 50%, 断口中间部位C 较为粗糙亦约占50%; A 及B 区属疲劳断的断裂源区及扩展区，断裂源于螺栓的螺纹齿根部（图4黄色箭头所指），A 区与B 区断口部分在整个断口部位呈对称现象；C 区属瞬断区，可见服役受力较大；C 区及齿根部形貌如图5、6,瞬断区基本呈45度角，齿根部并未发现明显的宏观裂纹；图7及图8 分别为A 及B 区之断口形貌可见有较多的台阶状特征；A 区的断裂源区形貌如图9、扩展区如图10; C 区的微观断口形貌如图11、12可见韧窝状特征；B 区的断裂源区形貌如图13、扩展区如图14;断口侧面垂直处表面形貌可见图15、16有较 测试部位 1 2 3 平均值 零件表面HRC 33.4 33.7 33.6 33.6 零件心部HV1 331 337 335 334
断口失效分析实验报告
表1 所观察金属断口的宏观形貌特征
表2 所观察金属断口的微观形貌特征 图1 D1断口样品宏观图像图2 D2断口样品宏观图像
图3 D3断口样品宏观图像 图4 D3断口样品宏观图像 （3）复制所观察的各断口各区域的 微观形貌图；指出其微观特征。 图5 D1断口样品纤维区 特征：图5显示了D1断口中心部位纤维区即本断口的裂纹源的显微形貌：由等轴韧窝组成，大多数韧窝较小、较浅，此区域属韧性断裂。
图6 D1断口样品放射区 特征：图6中左图显示了放射区放射状的韧窝台阶；右图显示了放射区的显微形貌：由大量较大的剪切韧窝与滑移平直区、撕裂棱等混合组成。此区域属韧性断裂。 图7 D1断口样品剪切唇区 特征：图7中左图显示了D1样品剪切唇区的显微形貌：非等轴、较浅的剪切韧窝。右图显示了大韧窝底部的显微形貌：带有涟波纹的滑移区。此区域属韧性断裂。
图8 D2断口样品结晶区 特征：图8显示了D2样品中心部分结晶区的显微形貌，其显现出平直的晶粒外形，晶界面上有大量细小的韧窝或有细长的裂纹。此区域属沿晶断裂、脆性断裂。 图9 D2断口样品解理区 特征：图9显示了D2样品边缘部分解理区的显微形貌：由平齐的解理面以及解理台阶、河流花样等组成。此区域属穿晶断裂、脆性断裂。 图10 D3断口样品裂纹源区 特征：图10显示了D3样品裂纹源的形貌：最下部为V形缺口处的连波纹；左图次下部（右图中部）为裂纹源区；左图上部为裂纹扩展区。 图11 D3断口样品纤维区 特征：图11显示了D3样品纤维区的形貌：由小、多的撕裂韧窝组成，韧窝成行排列，每排韧窝的排列方向与裂纹扩展方向一致。此区域细小韧窝居多，属脆性断裂。
断口金相分析
断口金相分析 一、实验目的 1、掌握断口宏观分析的方法，了解断口宏观分析的意义及典型宏观断口的形貌特征。 2、了解扫描电镜在断口分析中的应用，识别几种常见断口的微观形貌。 二、实验设备及试样 1、实验设备：低倍体式显微镜、扫描电子显微镜。 2、试样：铸铁及低碳钢拉伸断口、氢脆断口、疲劳断口、系列冲击断口，过热过烧断口等等。 四、实验内容 钢材或金属构件断裂后，破坏部分的外观形貌通称断口。断裂是金属材料在不同情况下当局部破断发展到临界裂纹尺寸，剩余截面不能承受外界载荷时发生的完全破断现象。由于金属材料中的裂纹扩展方向总是遵循最小阻力路线，因此断口一般也是材料中性能最弱或零件中应力最大的部位。断口型貌十分真实地记录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基础，同时也是分析断裂原因的可靠依据。断口分析中分宏观断口分析与微观断口分析两类，它们各有特点，相互补充，是整个断口分析中互相关联的两个阶段。（一）宏观断口分观 宏观断口分析：用肉眼、放大镜、低倍实体显微镜来观察断口形貌特征，断裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对断口形貌特征的影响称断口宏观分析。从断裂机理可知，任何断裂过程总是包括裂纹形成，缓慢扩展、快速扩展至瞬时断裂几个阶段。通过宏观断口分析人们可以看到，由于材质不同，受载情况不同，上述各断裂阶段在断口上留下的痕迹也不相同，因此我们掌握了常见宏观录了裂纹的起因、扩展和断裂的过程，因此它不仅是研究断裂过程微观机制的基断口特征以后，就可在事故分析中根据宏观断口特征来推测断裂过程和断裂原 因，本实验主要观察下列几种断口： a）拉伸试样断口：材料为：低碳钢、铸铁。 断口特征：低碳钢拉伸断口外形呈杯锥状，整个断口可分三个区，中心部位为灰色纤维区，纤维区四周为辐射状裂纹扩展区，边缘是剪切唇区，剪切唇与拉伸应力轴交角为 45°。铸铁拉伸试样断口为结晶状断口，呈光亮的金属光泽，断口平齐。 b）疲劳断口 断口特征：轴类零件多在交变应力下工作，发生疲劳断裂后宏观断口上常可看到光滑区和粗糙区两部分，前者为疲劳裂纹形成和扩展区，有时可见贝纹线，蛤壳状或海滩波纹状花样，这种特征迹线是机器开动和停止时，或应力幅发生突变时疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹，是疲劳宏观断口的重要特征。断口中粗糙区为疲劳裂纹达到临界尺寸后的失稳破断区，它的特征与静载拉伸断口中的放射区及剪切唇相同，对于脆性材料此区为结晶状的脆性断口。 c）氢脆断口 试样：含镍、铬等元素的铸钢断口 断口特征：由于材料中含有过量的氢，沿某些薄弱部位聚集，造成很大压应力从而形成裂纹，断口往往是灰白色基体上显现出白色的亮区，或者呈现以材料内部缺陷为核心的银白色斑点，称为鱼眼型白点。 d）冲击断口 试样：作系列冲击试验后的断口（注意保存于干燥器中） 断口特征：冲击断口上一般也可以观察到三个区，缺口附近为裂纹源，然后是纤维区、放射区、二次纤维区及剪切唇，剪切唇沿缺口的其它三侧分布。温度降低时冲击试样断口上各区的比例
飞行器结构疲劳强度与断裂分析综述.
飞机结构疲劳强度与断裂分析的现状和未来的发展 学院：经济管理学院 班级：940802020 学号：2009040802050 姓名：冉超 飞机结构疲劳强度与断裂分析的现状和未来的发展疲劳强度是指飞机结果在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。实际上，飞机结构并不可能作无限多次交变载荷试验。 断裂是指飞机结构被断错或发生裂开. 讨论的主要是脆性断裂情况，其断裂面是看得见摸得着的。还有两类断裂的断裂面则是看得见却不一定摸得着的。 许多飞机结果，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生完全断裂。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在飞机结构失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 疲劳失效是金属材料常见的失效形式, 特别是轴类, 连杆, 轴承类等零件, 长期在应力下工作的工件材料都要求较高的疲劳强度, 这样的可以提高零件的使用寿命。疲劳强度同时还与硬度、强度、韧性有较大关系，所以他是金属材料的重要力学性能指标
疲劳强度是材料能够承受无数次应力循环时的最大应力。疲劳强度关系到零件的寿命以及零件工作时能够承受的最大应力，这对零件的安全设计有重大意义。 例如:在齿轮设计中，当接触疲劳强度不满足要求时，假定不再更换材料的前提下，可以用如下方法进行弥补： 1、增加齿轮的齿宽（增加轮齿的接触面积） 2、轮齿进行高频淬火（或中频淬火）、渗碳、渗氮（提高轮齿的表面硬度） 3、磨齿（降低齿轮运行中因为接触强度不足而致使齿面发生胶合、斑蚀的危险性能） 希望以上能对你有所帮助，谢谢 航空工业作为技术密集、知识密集的高技术产业，集材料、机械、发动机、空气动力、电子、超密集加工、特种工艺等各种前沿技术之大成。目前，国际航空技术发达国家早已实施损伤容限耐久性规范，并成为国际适航性条例要求。然而，在飞机结构的三维损伤容限耐久性预测设计方面，由于研究队伍严重萎缩，国际上的实质性进展非常缓慢，三维损伤容限耐久性技术的发展停滞不前。与此同时，现代飞机大量使用三维整体结构，已有技术与需求的矛盾更加突出。这一现状的存在，使得国内外的设计者们在已有技术基础上不得不依靠更加实际、但耗资巨大的全机试验和各级全尺寸部件试验来检验飞机结构的损伤容限和耐久性，虚拟试验的科学基础欠缺。近年随着计算机容量逐渐满足三维断裂分析的需要，国际上三维试验和数值研究 骤增，多尺度研究骤增，虚拟试验的概念形成并得以应用。有影响和代表水平的工作主要出自美国NASA 以Newman 为主的研究组、英国Sheffield 大学nCode 公司及其研究组、法国宇航院(ONERA、瑞典航空研究实验室(FOI，德文首字Blom 研究组，荷兰国防动力研究实验室、澳大利亚国防科技组织(DSTO等[5-8]。但是其损伤容限耐久性技术依据的理论基础仍然是二维疲劳断裂理论，未取得本质上的突破，考虑三维约束的疲劳寿命分析模型也都是建立在大量经验参数基础上
疲劳宏观断口的特征
在日常质量整改过程中，往往会看到一些损坏零件的断口，一些技术人员缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其断裂原因。本文仅就疲劳断面如何判断 作一介绍，希望能对您有所帮助！ 金属疲节断口的夫现形状特征...................... 疲劳師白恒函了產福昶輛薪看籬:毛轩很多斷裂 営恳■具宵明星区别了其他任何性质斯蟄的断口耳溺特饪. 苟过些特征又哥林料■性质.应力畑巫力太八政讣境肉幸 鬧員观向?因归对披羽浙匚守折杲说霁站过程、分祈疫劳 失效愿因旳重要方法? 「-卜典型的波茹阡口往往由匿苏裂滾海区、瘦苛裂纹 扩展EK和蜿时斷裂区三宀都分组戍，貝有次型的“員査 “状或嚼滩壮诈纹的特征，这和将征给朗九鼓的鉴钊工乍 討玉了根大的利砒° h疲苦裂纯源区 菽劳裂纹源区是疲苛裂纹萌生您策卿L裁苇破坏的起區多处于桶T旳義峦源区的断口刑醐倉載情况F比较平坦、出死，且呈半圆形取半桅园形，同芮裂纹庄源區内的扩展直举煖慢，裂级表面受反貝侪压?挛帯次数多，所以莽断口较算他两个区灵为平坦.册光亮*右整/断口上与其他两个区相汁，痰劳裂纹诵区所白的面积最/扎 当表面承受足蒼高赠余压应力或材科内部存古严重的冶金册色时，裂纹源则向次表面或机件内郃移就有时在疲育断口上世会出现多个裂纹瘪每卜瓯区所占面袄往住比单怡源区小.源区斷口持伍不 -定都具有孵个源区那祥典型的fm.裂纹源的數目取决于删的性债、机件的应力犹态以廉交变敷局吠呪等■:辭,礙力集中系数越大，台义应力挖禹巴址滾旁湍旳数匕就擾织婀iu玻专師」二常自〔T悝二K同忙胃讯疙针承址涉己、当壽替丧血疗在某裘勰时I则零杵无寂劳裂纹萌生期，疲劳裂级在交变載荷作用下直按由该袞裂纹艰邹冋纵猱扛展，这盯断口上不再岀现疲劳餌只有製纹扌二展区和孵时断段尻?
钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析
科技论文写作 题目：钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析钻杆钢腐蚀疲劳的断口分析
摘要：首先通过对钻杆钢进行了疲劳腐蚀实验，然后借助于扫描电镜对S135钻杆钢的腐蚀疲劳断口形貌进行宏观和微观分析研究，最后对其断口形貌形成的影响因素进行讨论。结果表明其疲劳断口是以脆性性为主的多源性断口，且在不同加载载荷下，腐蚀钻杆钢的疲劳断口主要由粗糙程度差异明显的疲劳裂纹源区和劳裂纹稳态扩展区与疲劳裂纹瞬断区组成，在裂纹源区断面相对光滑，裂纹扩展区断面相对粗糙，且疲劳裂纹扩展一般萌生于金属表面。而且随加载载荷的大小不同，其各区域面积也随之不同。 关键词：钻杆钢腐蚀疲劳疲劳断口断口分析 1 引言 随着现代工业的快速发展，当今社会对石油资源的需求越来越大。伴随着浅部油气层的长期开采，各大主力油田大多己进入开发的中后期，浅层勘探很难发现大型的油气资源,因此在今后的油气勘探中，深井、超深井和大位移井等高难度井将成为国内外各大油气田增产上储的主要手段。近年来随着定向井、大位移井、水平井、深井等高难度井应用的逐年增多，钻具失效断裂事故也随之增加。钻具失效在石油钻井界是普遍存在的。在深井!超深井、大位移井等高难度井钻井过程中，钻具的受力状况复杂，井下环境异常恶劣，处在内、外充满钻井液的狭长井眼里工作，通常承受弯曲、挤压、扭转、液体压力等载荷，因此钻具在井下的运动是一个复杂的动力学系统。钻井液是由固体、液体和化学处理剂组成的复杂混合液，碱性极强，pH值大多在7-11之间。在钻井过程中，由于钻井液及其它腐蚀介质(如硫化氢、二氧化碳等)和复杂交变应力的共同作用，会严重降低钻具的疲劳寿命，使钻具极易发生腐蚀疲劳断裂事故。钻具的腐蚀疲劳断裂没有疲劳极限，因此很难预测其疲劳寿命，危害性极大。钻井过程中钻具在任何部位断裂都会造成严重的后果，导致油井报废。美国的统计和估算表明：14%的钻柱断裂事故发生在井上，平均每发生一次损失约106000美元，这是正常消耗以外的巨额费用。据统计我国每年必须用数亿元人民币的外汇进口各种规格的钻杆和钻挺。 根据管材研究所2003年对国内十几个油田调查资料统计：全国每年发生钻具断裂事故约1000起，其中约70%发生在深井、定向井、大位移井、水平井等高难度井中。在管材研究所1999年到2003年完成的钻具失效分析中，有72%
端子断裂失效分析
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
金属断口机理及其分析
名词解释 延性断裂：金属材料在过载负荷的作用下，局部发生明显的宏观塑性变形后断裂。 蠕变：金属长时间在恒应力，恒温作用下，慢慢产生塑性变形的现象。 准解理断裂：断口形态与解理断口相似，但具有较大塑性变形（变形量大于解理断裂、小于延性断裂）是一种脆性穿晶断口 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展的方式发生的断裂。 解理断裂：在正应力作用下沿解理面发生的穿晶脆断。 应力腐蚀断裂：拉应力和腐蚀介质联合作用的低应力脆断 疲劳辉纹：显微观察疲劳断口时，断口上细小的，相互平行的具有规则间距的，与裂纹扩展方向垂直的显微条纹。 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 韧性：材料从变形到断裂过程中吸收能量的大小，是材料强度和塑性的综合反映。 冲击韧性：冲击过程中材料吸收的功除以断的面积。 位向腐蚀坑技术：利用材料腐蚀后的几何形状与晶面指数之间的关系研究晶体取向，分析断 裂机理或断裂过程。 河流花样：解理台阶及局部塑性变形形成的撕裂脊线所组成的条纹。其形状类似地图上的河 流。 断口萃取复型：利用AC 纸将断口上夹杂物或第二相质点萃取下来做电子衍射分析确定这些 质点的晶体结构。 氢脆：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。 卵形韧窝：大韧窝在长大过程中与小韧窝交截产生的。 等轴韧窝：拉伸正应力作用下形成的圆形微坑。 均匀分布于断口表面，显微洞孔沿空间三 维方向均匀长大。 第一章 断裂的分类及特点 1.根据宏观现象分：脆性断裂和延伸断裂。 脆性断裂裂纹源：材料表面、内部的缺陷、微裂纹；断口：平齐、与正应力相垂直 ，人字纹或放射花纹。延性断裂裂纹源：孔穴的形成和合并;断口：三区，无光泽的纤维状，剪切面断裂、与拉伸轴线成45o . 2.根据断裂扩展途分：穿晶断裂与沿晶断裂。 穿晶断裂：裂纹穿过晶粒内部、可能为脆性断裂也可 能是延性断裂； 沿晶断裂：裂纹沿着晶界扩展，多属脆断。应力腐蚀断口，氢脆断口。 3根据微观断裂的机制上分：韧窝、解理（及准解理）、沿晶和疲劳断裂 4根据断面的宏观取向与最大正应力的交角分：正断、切断 正断：断面取向与最大正应力相垂直（解理断裂、平面应变条件下的断裂） 切断：断面取向与最大切应力相一致，与最大应力成45o交角（平面应力条件下的撕裂） 根据裂纹尖端应力分布的不同，主要可分为三类裂纹变形： 裂纹张开型、边缘滑开型（正向滑开型）、侧向滑开型（撒开型） 裂纹尺寸与断裂强度的关系 Kic ：材料的断裂韧性，反映材料抗脆性断裂的物理常量（不同于应力强度因子，与K 准则 相似） a Y K c c πσ?=1
材料失效分析 教学大纲
《材料失效分析》教学大纲 制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定。 课程编号：E0491144 学时数：48 学分数：3 适用专业：金属材料工程专业 先修课程：XXXX材料科学基础、现代材料检测技术、金属塑性成型原理等。 考核方式：考试 一、课程的性质和任务 性质：《材料失效分析》是金属材料工程专业的一门重要的专业课。当材料发生失效时，利用各种仪器和方法，从破损的形貌观察和破损成分分析，推断破损机制，并借此寻找原因。 任务：（1）掌握材料失效分析的基本概念；（２）掌握材料失效的基本形式；（3）了解材料失效分析的基本原理；（4）掌握分析实际材料失效的基本程序。 二、教学内容与要求 理论教学（44学时） 1、绪论（2学时） （1）本课程的性质和任务； （2）材料失效分析的相关概念； （3）典型的材料失效的案例分析。 2、机械零件失效形式及诊断（2学时） （1）材料失效形式的类型； （2）机械零件失效原因。 3、常见失效形式及特征和诊断（10学时） （1）常见失效形式：过量弹性变形失效、屈服失效、塑性断裂和脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效和应力腐蚀失效、氢脆和腐蚀疲劳失效、磨损失效和蠕变失效基本概念； （2）失效形式产生的条件和发生的过程； （3）失效发生的原因和失效特征。 4、失效分析的思路与方法（2学时） （1）失效分析思路； （2）失效分析程序； （3）失效分析步骤方法。 5、裂纹与断口分析（4学时） （1）裂纹与断口的基本概念； （2）裂纹与断口的鉴别方法； （3）常见的几种断口的宏观与微观特征。
6、材料因素引起的失效（10学时） （1）材料因素引起失效的原因分析思路； （2）材料成分与失效的原因分析方法； （3）杂质元素偏聚与晶界脆化基本原理及其失效分析； （4）非金属夹杂物的形成及性质及其失效分析； （5）材料的显微组织特性及其失效分析。 7、疲劳破坏（4学时） （1）零件结构设计与材料失效的关系； （2）机械设计的内容。 （3）零件结构设计引起材料失效的原因、选材的思路和方法。 8、工艺因素引起的失效（10学时） （1）介绍工艺因素引起产品失效的分析思路； （2）介绍铸造缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷、焊接缺陷、表面形变强化工艺、机械加工工艺及装配等影响因素； （3）分析各种工艺缺陷引起材料失效的原因。 实验（4学时） （一）实验目的 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）基本要求 实验前学生应熟知与实验相关的课程知识，了解相关实验内容及目的。实验过程中学生应按照实验内容进行操作，严格按照仪器使用规程进行操作，严禁在不了解仪器性能及使用方法的情况下操作。注意安全。实验过程中，注意保护好断口，防止断口被污染或者腐蚀。描绘断口示意图必须用铅笔画在实验报告中。实验报告内容按要求撰写，内容齐全，文字通顺，绘图规范，格式统一。课后认真思考失效发生的过程。 （三）实验报告格式与内容 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。任课教师对实验报告认真审阅，有错误或不妥之处要指明，最后要评定成绩，并签名、签日期。 1、失效分析基本方法的宏观分析方法（2学时） 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，熟悉T型法、河流花样等方法，熟悉宏观断口上断裂源的判断。 2、失效实例分析（2学时） 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、旋转弯曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、有色金属件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。