疲勞失效分析技術(shù)課件

目錄引言疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效案例分析目錄引言11引言1-1疲勞的定義疲勞（fatigue)這個(gè)詞起源于拉丁文的fatig?re一詞，意思是“疲倦”。人疲勞——身心勞累材料疲勞——在循環(huán)載荷下的損傷和破壞。定義：材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化。1引言1-1疲勞的定義21引言1-2疲勞研究發(fā)展過(guò)程材料疲勞的研究可追溯到19世紀(jì)上半葉。W.A.J.Albert——德國(guó)礦業(yè)工程師，金屬疲勞的最初研究者，1829年前后完成。研究?jī)?nèi)容：用鐵制的礦山升降機(jī)鏈條作反復(fù)加載試驗(yàn)，驗(yàn)證其可靠性。第一個(gè)金屬疲勞研究——1842年法國(guó)玩爾賽鐵路事故分析，機(jī)車前軸的斷裂是導(dǎo)致這次事故的原因。1引言1-2疲勞研究發(fā)展過(guò)程31-3疲勞載荷規(guī)則的交變應(yīng)力不規(guī)則的交變應(yīng)力1引言1-3疲勞載荷規(guī)則的交變應(yīng)力不規(guī)則的交變應(yīng)力1引言4一點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力比平均應(yīng)力應(yīng)力幅值對(duì)稱循環(huán)

r=-1脈沖循環(huán)

r=0靜應(yīng)力

r=1一點(diǎn)應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力比平均應(yīng)力應(yīng)力幅值對(duì)稱循環(huán)5S-N曲線一般的應(yīng)力——壽命曲線1-4疲勞極限與應(yīng)力-壽命曲線S-N曲線一般的應(yīng)力——壽命曲線1-4疲勞極限與應(yīng)力-壽命6平均應(yīng)力對(duì)S-N曲線的影響對(duì)稱循環(huán)下兩種類型S-N曲線平均應(yīng)力對(duì)S-N曲線的影響對(duì)稱循環(huán)下兩種類型S-N曲線71-5影響疲勞壽命的因數(shù)

應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中因數(shù)

理論應(yīng)力集中因數(shù)Sn

名義應(yīng)力1-5影響疲勞壽命的因數(shù)應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)力集中8表面加工質(zhì)量的影響——表面質(zhì)量因數(shù)磨削加工（試樣）其他加工表面加工質(zhì)量的影響——表面質(zhì)量因數(shù)磨削加工（試樣）其他加工92-1疲勞失效分析經(jīng)典案例疲勞失效典型案例——20世紀(jì)50年代世界第一架民用噴氣式客機(jī)“彗星號(hào)”系列事故。原因：客艙結(jié)構(gòu)疲勞開裂。2疲勞斷裂失效分析概述2-1疲勞失效分析經(jīng)典案例2疲勞斷裂失效分析概述102疲勞斷裂失效分析概述2-2疲勞斷裂失效的特點(diǎn)疲勞斷裂屬于脆性斷裂的一種，幾乎沒有肉眼可見的塑性變形。疲勞斷裂往往具有突發(fā)性，危害性大。在機(jī)電裝備的失效事件中，疲勞斷裂失效約占所有斷裂事故的60%~80%2疲勞斷裂失效分析概述2-2疲勞斷裂失效的特點(diǎn)112疲勞斷裂失效分析概述2-3疲勞斷裂失效分析的目的診斷出疲勞失效的模式找出引起疲勞斷裂的確切原因采取預(yù)防措施，避免同類疲勞斷裂失效再次發(fā)生2疲勞斷裂失效分析概述2-3疲勞斷裂失效分析的目的122疲勞斷裂失效分析概述2-4疲勞斷裂失效分析的內(nèi)容分析判斷零件的斷裂失效是否屬于疲勞斷裂疲勞斷裂的二級(jí)或三級(jí)失效模式疲勞斷裂的載荷類型與大小，疲勞斷裂的起源等疲勞斷裂的原因疲勞斷裂的機(jī)理

提出避免疲勞斷裂再次發(fā)生的預(yù)防措施2疲勞斷裂失效分析概述2-4疲勞斷裂失效分析的內(nèi)容132疲勞斷裂失效分析概述2-5疲勞斷裂失效的分類高周疲勞斷裂：又稱應(yīng)力疲勞斷裂，是指零件在較低的交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞斷裂。一般將循環(huán)周次在104以上的疲勞斷裂，稱為高周疲勞斷裂。低周疲勞斷裂：又稱應(yīng)變疲勞斷裂，是指零件在較高的交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞現(xiàn)象。一般將循環(huán)周次在104以下的疲勞斷裂，稱為低周疲勞斷裂。2疲勞斷裂失效分析概述2-5疲勞斷裂失效的分類14疲勞失效的“二級(jí)”失效模式分類根據(jù)頻率不同高頻疲勞斷裂低頻疲勞斷裂根據(jù)循環(huán)周次不同高周疲勞斷裂低周疲勞斷裂根據(jù)控制參量不同應(yīng)力疲勞斷裂（控制應(yīng)力幅）應(yīng)變疲勞斷裂（控制應(yīng)變幅）

疲勞斷裂根據(jù)環(huán)境介質(zhì)不同腐蝕疲勞斷裂應(yīng)力腐蝕疲勞斷裂

低溫疲勞斷裂根據(jù)溫度不同室溫疲勞斷裂高溫疲勞斷裂……疲勞失效的“二級(jí)”失效模式分類根據(jù)頻率不同高頻疲勞斷裂15（1）亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，永久損傷形核；（2）產(chǎn)生微觀裂紋；（3）微觀裂紋長(zhǎng)大和合并，形成“主導(dǎo)”裂紋；（4）主導(dǎo)宏觀裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展；（5）結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性或完全斷裂失效。2疲勞斷裂失效分析概述

2-6疲勞斷裂失效過(guò)程（1）亞結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，永久損傷形核；2疲勞斷裂失162-7疲勞斷裂影響因素力學(xué)因素材料組織結(jié)構(gòu)因素環(huán)境因素影響微觀裂紋的形核和主導(dǎo)疲勞裂紋的擴(kuò)展速率和路徑。2疲勞斷裂失效分析概述2-7疲勞斷裂影響因素2疲勞斷裂失效分析概述172-8疲勞斷裂失效的特征

名義應(yīng)力低于靜荷載強(qiáng)度

構(gòu)件破壞有一過(guò)程

疲勞破壞斷口2疲勞斷裂失效分析概述2-8疲勞斷裂失效的特征名義應(yīng)力低于靜荷載強(qiáng)度構(gòu)件182-9疲勞斷口的宏觀分析典型的疲勞斷口按照斷裂過(guò)程的先后可分為三個(gè)特征區(qū)，即疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)

。2疲勞斷裂失效分析概述2-9疲勞斷口的宏觀分析2疲勞斷裂失效分析概述19①疲勞源區(qū)一般位于零件表面或亞表面的應(yīng)力集中處，也可能在表面或內(nèi)部的缺陷、損傷處。當(dāng)疲勞源區(qū)位于零件內(nèi)部時(shí)，源區(qū)一定存在有缺陷或較大的內(nèi)應(yīng)力、殘余應(yīng)力。②疲勞源區(qū)的形成時(shí)期早，暴露于環(huán)境中的時(shí)間長(zhǎng)，一般均有一定的氧化或腐蝕，疲勞源區(qū)相對(duì)于斷口上的其它區(qū)域，其氧化或腐蝕較重，顏色較深。③疲勞源區(qū)的斷面一般平坦、光滑、細(xì)膩，有些斷口可見到閃光的小刻面。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞源區(qū)的宏觀特征①疲勞源區(qū)一般位于零件表面或亞表面的應(yīng)力集中處，也可能在表面20④疲勞源區(qū)往往有向外輻射的放射狀疲勞臺(tái)階和放射狀條紋。⑤疲勞源區(qū)看不到疲勞弧線，但像向外發(fā)射疲勞弧線的中心。從斷口上氧化顏色最深的區(qū)域、最平坦、光滑的區(qū)域、應(yīng)力集中的表面或缺陷處找到疲勞源區(qū)，它是放射棱線的匯聚點(diǎn)，疲勞弧線的發(fā)散中心。疲勞源區(qū)有時(shí)只有一個(gè)，但有時(shí)也可能有多個(gè)；有時(shí)呈點(diǎn)狀，有時(shí)還呈線狀。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞源區(qū)的宏觀特征④疲勞源區(qū)往往有向外輻射的放射狀疲勞臺(tái)階和放射狀條紋。2疲21疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面一般較平坦，與主應(yīng)力相垂直；顏色介于源區(qū)與瞬斷區(qū)之間；最基本的宏觀形貌特征是疲勞弧線。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞擴(kuò)展區(qū)的宏觀特征疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面一般較平坦，與主應(yīng)力相垂直；2疲勞斷裂失效分22宏觀特征與靜載拉伸斷口相近，即由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)三部分組成。

瞬斷區(qū)面積的大小取決于載荷的大小、材料的性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)等因素。通常瞬斷區(qū)面積越大，表示載荷越大；反之，瞬斷區(qū)的面積越小，表示所受載荷越小。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)以及由平面應(yīng)變過(guò)渡到平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，其斷口宏觀形貌呈現(xiàn)人字紋或放射條紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到使應(yīng)力處于平面應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，斷口呈現(xiàn)剪切唇狀態(tài)。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞瞬斷區(qū)的宏觀特征宏觀特征與靜載拉伸斷口相近，即由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)三部23斷口宏觀形貌受載荷類型、應(yīng)力水平和缺口嚴(yán)重程度的影響很大。對(duì)真實(shí)零件的疲勞失效斷口，根據(jù)其宏觀形貌特征可定性地推斷出導(dǎo)致零件失效的載荷類型與大小、應(yīng)力集中的程度；對(duì)旋轉(zhuǎn)彎曲失效，還可推斷出零件失效前的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等與失效相關(guān)的信息。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口的宏觀分析斷口宏觀形貌受載荷類型、應(yīng)力水平和缺口嚴(yán)重程度的影響很大。224疲勞失效分析技術(shù)課件25（1）疲勞源區(qū)的微觀分析確定疲勞源區(qū)的具體位置；判明主源、次源。分析源區(qū)的微觀形貌特征，包括萌生處有無(wú)材質(zhì)缺陷、腐蝕損傷及腐蝕產(chǎn)物、外物損傷痕跡、加工刀痕、磨損痕跡等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口的微觀分析（1）疲勞源區(qū)的微觀分析2疲勞斷裂失效分析概述疲26（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析對(duì)第二階段的微觀分析主要是觀察有無(wú)疲勞條帶，疲勞條帶的性質(zhì)，疲勞條帶間距變化的規(guī)律等。這些特征對(duì)于分析疲勞斷裂機(jī)制、裂紋擴(kuò)展速率、載荷的性質(zhì)等具有重要作用。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口的微觀分析（2）疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀分析2疲勞斷裂失效分析概述27疲勞條帶的主要特征疲勞條帶在形貌上一般具有如下主要特征：（1）疲勞條帶是一系列基本上相互平行的、略帶彎曲的波浪形條紋，并與裂紋局部擴(kuò)展的方向垂直；（2）疲勞條帶間距隨應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的變化而變化，一般離源區(qū)越遠(yuǎn)，條帶的間距越大；（3）一般源區(qū)附近條帶特征不如擴(kuò)展中后期的明顯；（4）匹配斷口兩側(cè)的疲勞條帶特征基本對(duì)應(yīng)；疲勞條帶的主要特征疲勞條帶在形貌上一般具有如下主要特征：28疲勞條帶的主要特征（5）局部區(qū)域的條帶擴(kuò)展方向與裂紋的宏觀擴(kuò)展方向可以相同，也可以不同，甚至可能出現(xiàn)相反的情況；（6）疲勞斷口通常由許多大小不等、高低不同的小斷快所組成，各斷塊上的條帶不連續(xù)，且不平行；（7）每一條帶代表一次應(yīng)力循環(huán)；（8）條帶是裂紋尖端的位置。一般韌性材料容易形成疲勞條帶，而脆性材料則比較困難。疲勞條帶的主要特征（5）局部區(qū)域的條帶擴(kuò)展方向與裂紋的宏觀擴(kuò)29（3）瞬斷區(qū)的微觀分析瞬斷區(qū)微觀分析主要是觀察韌窩的形態(tài)是等軸韌窩、撕裂韌窩還是剪切韌窩，這有助于判斷引起疲勞斷裂的載荷類型。同時(shí)，從瞬斷區(qū)的微觀特征還可對(duì)材料的韌性進(jìn)行定性的判斷，為分析失效的原因提供參考。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口的微觀分析（3）瞬斷區(qū)的微觀分析2疲勞斷裂失效分析概述疲勞30首先應(yīng)該在對(duì)失效件的工作情況（工況）、宏觀和微觀斷口特征分析的基礎(chǔ)上，初步確定其屬于疲勞斷裂。然后進(jìn)一步分析判斷其屬于哪種類型的疲勞失效，即進(jìn)行疲勞失效的二級(jí)模式、三級(jí)模式診斷。最后根據(jù)具體的疲勞失效類型，從設(shè)計(jì)、制造、材質(zhì)和使用、維護(hù)等方面查找失效的原因，分析失效的機(jī)理，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路首先應(yīng)該在對(duì)失效件的工作情況（工況）、宏觀和微觀斷口特征分析31（1）參數(shù)（工況）判據(jù)力學(xué)參數(shù)應(yīng)該具有交替變化的特點(diǎn)，且交變的應(yīng)力大小應(yīng)該大于材料的疲勞極限。分析一個(gè)零件的失效模式是否為疲勞斷裂，首先應(yīng)確定其工作條件下是否可能承受有交變應(yīng)力的作用。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路（1）參數(shù)（工況）判據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂32（2）宏觀變形判據(jù)疲勞斷裂屬于脆性斷裂的一種，在斷裂位置的疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)附近沒有明顯宏觀塑性變形。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路（2）宏觀變形判據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效33（3）斷口宏觀形貌特征判據(jù)斷口齊平，存在疲勞弧線。一般的疲勞斷口均與主應(yīng)力軸垂直，斷面齊平、細(xì)膩，附近沒有明顯的塑性變形；斷口上有疲勞弧線和從疲勞源區(qū)向外發(fā)散的放射狀棱線，有的源區(qū)還有疲勞臺(tái)階。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路（3）斷口宏觀形貌特征判據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞34（4）斷口微觀形貌特征判據(jù)疲勞條痕：疲勞條帶、二次裂紋帶、韌窩帶、輪胎花樣等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路疲勞條帶輪胎花樣（4）斷口微觀形貌特征判據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞35韌窩帶二次裂紋帶韌窩帶二次裂紋帶36（5）斷口顏色判據(jù)疲勞區(qū)和擴(kuò)展區(qū)在氧化程度上一般都略有差異。兩者的光亮程度也有明顯差異。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效分析思路（5）斷口顏色判據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂失效37序號(hào)內(nèi)容特征1宏觀特征沒有明顯的宏觀塑性變形2應(yīng)力狀態(tài)交變動(dòng)載荷，大于材料的疲勞極限3斷口宏觀形貌斷口齊平、光滑，具有宏觀疲勞弧線和放射棱線、有的有疲勞臺(tái)階。斷口可分為源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。源區(qū)一般位于零件表面應(yīng)力集中處或缺陷處、內(nèi)部缺陷處。4斷口微觀形貌疲勞條痕特征，如疲勞條帶、平行的二次裂紋帶、韌窩帶、輪胎花樣等。5斷口顏色疲勞區(qū)顏色相對(duì)于瞬斷區(qū)較暗，氧化較重，較光亮。6組織斷口附近表面金相組織有明顯的變形層7表面狀態(tài)斷口附近表面脆性的鍍層、涂層等表面覆蓋膜破裂2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂模式判據(jù)序號(hào)內(nèi)容特征1宏觀特征沒有明顯的宏觀塑性變形2應(yīng)力狀態(tài)交變動(dòng)38（1）高周疲勞與低周疲勞宏觀特征

a.斷口粗糙程度：與高周疲勞斷口相比，低周疲勞的整個(gè)斷口相對(duì)粗糙，高低不平；且隨著斷裂循環(huán)次數(shù)的降低，斷口形貌愈來(lái)愈接近靜拉伸斷裂斷口。而高周疲勞斷口平整、光滑，宏觀即可見明顯的疲勞區(qū)。

b.疲勞源區(qū)：低周疲勞具有多個(gè)疲勞源點(diǎn)，有時(shí)還呈線狀；源區(qū)間的放射狀棱線（疲勞一次臺(tái)階）多而且臺(tái)階的高度差大。而高周疲勞一般只有一個(gè)疲勞源點(diǎn)，源區(qū)結(jié)構(gòu)細(xì)膩，沒有疲勞臺(tái)階。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（1）高周疲勞與低周疲勞2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二39（1）高周疲勞與低周疲勞宏觀特征

c.瞬斷區(qū)面積：低周疲勞的瞬斷區(qū)面積所占比例大，甚至遠(yuǎn)大于疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)面積。而高周疲勞的應(yīng)力相對(duì)較低，瞬斷區(qū)所占面積相對(duì)較小。

d.疲勞弧線：低周疲勞的弧線間距逐漸加大，但循環(huán)次數(shù)低到一定程度時(shí)，基本見不到疲勞弧線特征；穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)的棱線（疲勞二次臺(tái)階）粗而短。高周疲勞的弧線特征與具體的工況條件有關(guān)，無(wú)統(tǒng)一的規(guī)律。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（1）高周疲勞與低周疲勞2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二40（1）高周疲勞與低周疲勞

微觀特征低周疲勞斷裂由于宏觀塑性變形較大，在疲勞斷裂過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)靜載斷裂機(jī)理，在斷口上出現(xiàn)各種靜載斷裂所產(chǎn)生的斷口形態(tài)。在一般情況下，當(dāng)疲勞壽命小于90次時(shí)，斷口上為細(xì)小的韌窩，沒有疲勞條帶出現(xiàn)；當(dāng)疲勞壽命大于300次時(shí)，出現(xiàn)輪胎花樣；當(dāng)疲勞壽命大于10000次時(shí)，才出現(xiàn)疲勞條帶，此時(shí)的條帶間距較寬，可達(dá)2～3微米/周。如果使用溫度超過(guò)等強(qiáng)溫度，還會(huì)出現(xiàn)沿晶斷裂。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（1）高周疲勞與低周疲勞2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二41（1）高周疲勞與低周疲勞

微觀特征高周疲勞斷口的微觀疲勞特征是細(xì)密的疲勞條帶，一般間距可達(dá)1微米以下。對(duì)應(yīng)力為拉-壓模式的疲勞斷裂，在疲勞源區(qū)及其附近，由于兩斷裂面之間的反復(fù)碰磨，其斷裂形貌特征經(jīng)常被磨損而無(wú)法看到疲勞條帶特征。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（1）高周疲勞與低周疲勞2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二42（2）腐蝕疲勞斷裂腐蝕疲勞斷裂是在腐蝕環(huán)境與交變載荷協(xié)同、交互作用下發(fā)生的一種失效模式。在機(jī)械裝備中，因腐蝕疲勞而導(dǎo)致早期斷裂失效的事例屢見不鮮。例如：起落架、機(jī)翼大梁、剎車輪轂、渦輪盤、葉片等關(guān)鍵部件，均曾發(fā)生過(guò)腐蝕疲勞斷裂失效，有的還釀成過(guò)災(zāi)難性事故。腐蝕疲勞對(duì)環(huán)境介質(zhì)沒有特定的限制。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（2）腐蝕疲勞斷裂2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效43（2）腐蝕疲勞斷裂影響腐蝕疲勞斷裂過(guò)程的相關(guān)因素主要有：

a.環(huán)境因素：包括環(huán)境介質(zhì)的成分、濃度、介質(zhì)的酸度（pH值）、介質(zhì)中的含氧量、介質(zhì)的電極電位以及環(huán)境溫度等；

b.力學(xué)因素：包括加載方式、平均應(yīng)力、應(yīng)力比、載荷波形、頻率以及應(yīng)力循環(huán)周次；

c.材質(zhì)冶金因素：包括材料的成分、強(qiáng)度、熱處理狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、冶金缺陷、夾雜物等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（2）腐蝕疲勞斷裂2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效44（2）腐蝕疲勞斷裂腐蝕疲勞斷口特征：具有疲勞斷裂的一般特征，斷口上有源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三個(gè)特征區(qū)。腐蝕疲勞斷口獨(dú)特的特征：

a.斷口低倍形貌呈現(xiàn)出明顯的疲勞弧線；

b.源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)一般均有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，通過(guò)微區(qū)成分分析，可以測(cè)定出腐蝕介質(zhì)的組分及相對(duì)含量。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（2）腐蝕疲勞斷裂2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效45腐蝕疲勞斷口微觀形貌斷口上覆蓋的腐蝕產(chǎn)物腐蝕疲勞斷口微觀形貌斷口上覆蓋46c.腐蝕疲勞斷裂一般均起源于表面腐蝕損傷處（包括點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等），大多數(shù)腐蝕疲勞斷裂的源區(qū)可見到腐蝕損傷特征；

d.腐蝕疲勞斷裂擴(kuò)展區(qū)有某些較明顯腐蝕特征，如腐蝕坑、泥紋花樣等；

e.腐蝕疲勞斷裂的重要微觀特征是穿晶解理脆性疲勞條帶；

f.在腐蝕疲勞斷裂過(guò)程中，當(dāng)腐蝕損傷占主導(dǎo)地位時(shí)，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn)穿晶與沿晶混合型；

g.當(dāng)Kmax>K1scc,在頻率很低的情況下，腐蝕疲勞斷口呈現(xiàn)出穿晶解理與韌窩混合特征。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷c.腐蝕疲勞斷裂一般均起源于表面腐蝕損傷處（包括點(diǎn)腐蝕、晶47腐蝕疲勞斷裂失效的主要判據(jù)：

a.工況判據(jù)：構(gòu)件是在交變應(yīng)力和腐蝕條件下工作，交變應(yīng)力的頻率和應(yīng)力比一般處在腐蝕疲勞區(qū)內(nèi)，在液態(tài)、氣態(tài)和潮濕空氣中有腐蝕性元素；

b.顏色判據(jù)：斷裂表面顏色灰暗，無(wú)金屬光澤，通?？梢姷捷^明顯的疲勞弧線；

c.腐蝕產(chǎn)物判據(jù)：斷裂表面上或多或少存在有腐蝕產(chǎn)物和腐蝕損傷痕跡；

d.形貌判據(jù)：疲勞條帶多呈解理脆性特征，斷裂路徑一般為穿晶，有時(shí)出現(xiàn)穿晶與沿晶混合型甚至沿晶型。腐蝕產(chǎn)物是分析、判斷失效零件工作環(huán)境和工作時(shí)間的重要依據(jù)?？梢圆捎媚茏V儀、電子探針以及其它化學(xué)分析方法確定腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)元素及量的分布規(guī)律。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷腐蝕疲勞斷裂失效的主要判據(jù)：2疲勞斷裂失效分析概述疲48（3）微動(dòng)疲勞失效一構(gòu)件與其它構(gòu)件接觸面間發(fā)生微動(dòng)磨損的條件下受交變載荷作用而發(fā)生的疲勞損傷過(guò)程稱為微動(dòng)疲勞。它是微動(dòng)磨損、氧化及腐蝕、交變應(yīng)力綜合作用的結(jié)果。微動(dòng)磨損是微動(dòng)疲勞產(chǎn)生的根本原因。微動(dòng)疲勞也有裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，微動(dòng)疲勞裂紋一般萌生于微動(dòng)磨損造成的表面損傷的邊界處，如皿狀淺坑的邊緣或微動(dòng)磨損深坑的邊緣。微動(dòng)磨損的初期可出現(xiàn)多個(gè)疲勞裂紋，在擴(kuò)展過(guò)程中，這些微裂紋可合并為一主裂紋并垂直于外加交變正應(yīng)力而進(jìn)一步擴(kuò)展。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（3）微動(dòng)疲勞失效2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效49（3）微動(dòng)疲勞失效影響微動(dòng)疲勞壽命的主要因素：配合表面之間的法向夾緊壓應(yīng)力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度、摩擦力、內(nèi)應(yīng)力、周圍介質(zhì)、相匹配面的材料等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（3）微動(dòng)疲勞失效2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效50（3）微動(dòng)疲勞失效微動(dòng)疲勞斷口特征：微動(dòng)疲勞斷口特征與純機(jī)械疲勞斷口相同，包括疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)；微觀上有典型的疲勞條帶。裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的前期，往往可以看到腐蝕產(chǎn)物。微動(dòng)疲勞失效的最明顯特征是在斷口的側(cè)表面，即微動(dòng)磨損面上有大量的微裂紋、表面金屬掉塊、不均勻磨損擦傷，色澤發(fā)生明顯改變且有腐蝕坑。微動(dòng)產(chǎn)生的微裂紋大多集中于微動(dòng)區(qū)的邊緣，大多與表面呈45度角，斷口常呈杯錐狀。微動(dòng)損傷表面還常?？梢钥吹綄訝罴吧角馉畹乃苄宰冃危瑫r(shí)還可看到由于輾壓形成的微裂紋。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效模式診斷（3）微動(dòng)疲勞失效2疲勞斷裂失效分析概述疲勞二級(jí)失效51導(dǎo)致零件疲勞失效的原因主要有四個(gè)方面：設(shè)計(jì)（包括應(yīng)力集中、循環(huán)載荷水平、尺寸，選材等），制造工藝（包括表面完整性、裝配等）、材質(zhì)（包括化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等）使用維護(hù)（包括超載、外來(lái)?yè)p傷、腐蝕等）。在查找疲勞失效的原因時(shí)，應(yīng)圍繞這四個(gè)方面來(lái)尋找證據(jù)、進(jìn)行分析。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析導(dǎo)致零件疲勞失效的原因主要有四個(gè)方面：2疲勞斷裂失效分析概52（1）設(shè)計(jì)原因分析設(shè)計(jì)原因是失效原因中最難分析的原因，需要通過(guò)較精確的分析才能定量，而目前的分析水平還主要停留在定性程度，難以對(duì)應(yīng)力進(jìn)行定量分析；其次，疲勞一般都是從最薄弱的部位起始，疲勞源區(qū)往往存在一定程度的材質(zhì)缺陷，對(duì)準(zhǔn)確分析出失效原因具有干擾作用。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（1）設(shè)計(jì)原因分析2疲勞斷裂失效分析概述疲53要查找設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，首先應(yīng)確定載荷的類型與大小。a.反復(fù)彎曲載荷引起的疲勞斷裂：彎曲疲勞可分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞、旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞等。構(gòu)件承受彎曲載荷時(shí)，表面承受的應(yīng)力最大，中心承受的應(yīng)力最小。所以疲勞核心總是在表面形成，然后沿著最大正應(yīng)力相垂直的方向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋達(dá)到臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件迅速斷裂，因此，彎曲疲勞斷口一般與其軸線成90度。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析要查找設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，首先應(yīng)確定載荷的類型與大小。2疲勞斷54b.拉——拉（壓）載荷引起的疲勞斷裂:承受拉—拉（壓）交變載荷時(shí)，應(yīng)力沿整個(gè)零件的橫截面均勻分布，疲勞源位置取決于各種缺陷在零件中的分布狀態(tài)及環(huán)境因素的影響，既可以在零件的外表面，也可以在零件的內(nèi)部。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析b.拉——拉（壓）載荷引起的疲勞斷裂:承受拉—拉（壓）交變55c.扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂:

軸類零件在工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)承受交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，從而可能產(chǎn)生一種特殊的扭轉(zhuǎn)疲勞斷口——鋸齒狀斷口。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析c.扭轉(zhuǎn)載荷引起的疲勞斷裂:2疲勞斷裂失效分析概述56其次，要判斷載荷的來(lái)源是否正常，大小是否超出設(shè)計(jì)范圍。對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，振動(dòng)是無(wú)法避免的，但工作轉(zhuǎn)速下的共振是設(shè)計(jì)時(shí)必須避免的。如果從斷口判斷出該零件承受了設(shè)計(jì)應(yīng)該避免的振動(dòng)載荷，說(shuō)明設(shè)計(jì)不當(dāng)是失效的主要原因，需從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行詳細(xì)的分析。對(duì)重復(fù)性的故障，如排除了制造上的批次問(wèn)題，一般與設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析其次，要判斷載荷的來(lái)源是否正常，大小是否超出設(shè)計(jì)范圍。2疲57常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：①設(shè)計(jì)載荷不準(zhǔn)確。主要表現(xiàn)為載荷考慮不全（應(yīng)力估算不足），載荷變動(dòng)分析不夠，計(jì)算假定中出現(xiàn)誤差，致使實(shí)際工作載荷超過(guò)設(shè)計(jì)載荷，材料在正常工況下也無(wú)法承受工作載荷而失效。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：2疲勞斷裂失效分析概述58常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：②設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。主要表現(xiàn)為零件幾何形狀設(shè)計(jì)不當(dāng)，出現(xiàn)剖面突變或尖角面，導(dǎo)致這些部位承受較大的應(yīng)力集中，超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，從而過(guò)早地萌生裂紋而失效。如過(guò)渡部位沒有圓角R或R角太小，主要受力部位存在缺口效應(yīng)等，使得零件的應(yīng)力集中大，局部應(yīng)力水平高，疲勞裂紋提前萌生。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：2疲勞斷裂失效分析概述59常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：③設(shè)計(jì)選材不當(dāng)。主要表現(xiàn)為選用材料的性能不能滿足使用要求。在實(shí)際失效分析中，設(shè)計(jì)選材不當(dāng)導(dǎo)致斷裂失效，經(jīng)常遇到的是所選材料的主要抗力指標(biāo)與實(shí)際損傷模式不符合，致使材料的性能指標(biāo)在該強(qiáng)的方面不強(qiáng)，不能滿足使用的需求。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析常見的導(dǎo)致失效的設(shè)計(jì)原因有：2疲勞斷裂失效分析概述60（2）材質(zhì)原因分析失效的材質(zhì)原因直接表現(xiàn)為與零件失效模式對(duì)應(yīng)的材料力學(xué)性能不符合設(shè)計(jì)要求，如與疲勞斷裂失效對(duì)應(yīng)的材料疲勞強(qiáng)度低，與拉伸過(guò)載斷裂對(duì)應(yīng)的材料抗拉強(qiáng)度低等。常見的與疲勞失效有關(guān)的材質(zhì)原因有：材料的化學(xué)成分不合格，熱處理制度或工藝不當(dāng)，金相組織不符合要求，存在冶金缺陷。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（2）材質(zhì)原因分析2疲勞斷裂失效分析概述疲61（3）制造工藝原因分析常見的影響零件疲勞強(qiáng)度的制造工藝缺陷有：①鑄造工藝過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔、梳松和縮孔、裂紋、夾渣、飛邊、流痕、比重偏析、共晶偏析等。②鍛造工藝過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋、折疊、結(jié)疤、層狀斷口、非金屬夾雜、鋁合金氧化膜、白點(diǎn)、粗晶環(huán)、過(guò)熱、過(guò)燒、脫碳、增碳、加熱不足引起心部開裂、晶粒不均勻、冷硬現(xiàn)象等。③切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的尺寸超差、表面粗糙度差、毛刺、劃傷、啃刀、表面燒傷、裂紋、刀痕等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（3）制造工藝原因分析2疲勞斷裂失效分析概述62（3）制造工藝原因分析④冷加工工藝過(guò)程中產(chǎn)生的劃痕、銹蝕、球化退火不足、帶狀組織、晶粒粗大或粗細(xì)不均、性能不合格、沖模錯(cuò)位，裂紋、壓痕、端面鼓起或不平、存在撓度、曲度等。⑤熱處理工藝過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)熱、過(guò)燒、氧化、脫碳、機(jī)械性能不合格、軟點(diǎn)、變形與裂紋、硬度過(guò)高、過(guò)共析鋼網(wǎng)狀碳化物、石墨化、壓共析鋼魏氏組織、鐵素體晶粒粗大、硬度不足、淬火不完全、表面脫碳、表面腐蝕、回火脆性等2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（3）制造工藝原因分析2疲勞斷裂失效分析概述63（3）制造工藝原因分析⑥表面處理工藝過(guò)程中產(chǎn)生的鍍層結(jié)合力差、起泡、發(fā)脆、脫落、發(fā)暗、麻點(diǎn)表面，滲層硬度不足、表面網(wǎng)狀或粗大塊狀、爪狀碳化物、氮化物、滲層過(guò)深、不足或不均勻、表面網(wǎng)狀屈氏體組織、黑色斑點(diǎn)狀組織、心部硬度超差、零件變形與開裂、滲層脆性和剝落等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（3）制造工藝原因分析2疲勞斷裂失效分析概述64（3）制造工藝原因分析⑦焊接裝配工藝過(guò)程中產(chǎn)生的焊縫尺寸偏差、咬邊、焊瘤、弧坑、燒穿、焊漏、氣孔夾渣、未焊透、裂紋，焊點(diǎn)及焊縫位置不正、形狀不正、壓痕過(guò)深、過(guò)熱、燒傷、裂紋、未焊透或核心小、縮孔、內(nèi)部飛濺、熔透過(guò)大、接頭變脆、接頭不氣密，間隙未填滿、氣孔、釬縫表面粗糙、夾雜物、裂紋、釬料侵蝕金屬表面等。⑧裝配：強(qiáng)行裝配、裝配應(yīng)力大等。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（3）制造工藝原因分析2疲勞斷裂失效分析概述65（4）使用維護(hù)原因分析導(dǎo)致斷裂失效的使用維護(hù)原因一般表現(xiàn)為超過(guò)設(shè)計(jì)限制使用、維護(hù)不當(dāng)造成損傷和環(huán)境侵蝕。①超設(shè)計(jì)限制使用原因：按應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型，失效是零件所受外力超過(guò)材料相應(yīng)強(qiáng)度的結(jié)果。使用限制是根據(jù)材料的強(qiáng)度、一定的安全儲(chǔ)備及零件工況可導(dǎo)致的應(yīng)力制定的。如果超過(guò)設(shè)計(jì)限制使用，必將使零件所承受的應(yīng)力升高，就有可能使零件承受的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度而使零件失效。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（4）使用維護(hù)原因分析2疲勞斷裂失效分析概述66（4）使用維護(hù)原因分析②使用維護(hù)原因：使用維護(hù)的目的是保證零件能夠正常工作，防止發(fā)生意外損傷。由于維護(hù)一般需要對(duì)零件進(jìn)行拆裝，就有可能在重新裝配時(shí)，其狀態(tài)與制造狀態(tài)不一致，并帶來(lái)額外的損傷、附加的應(yīng)力等，從而導(dǎo)致零件的失效。由于使用中維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致的疲勞失效，一般在失效件上或失效系統(tǒng)中均可找到一定的證據(jù)。如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片被打傷，疲勞裂紋從打傷處萌生，并最終導(dǎo)致葉片疲勞斷裂失效，在疲勞源區(qū)就可以找到傷痕。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（4）使用維護(hù)原因分析2疲勞斷裂失效分析概述67（4）使用維護(hù)原因分析③環(huán)境侵蝕原因：機(jī)械失效中的環(huán)境原因主要有兩方面，一是腐蝕介質(zhì)作用，二是溫度效應(yīng)。腐蝕介質(zhì)可使材料與環(huán)境之間發(fā)生有害的化學(xué)或電化學(xué)作用，引起表面腐蝕損傷，疲勞裂紋從腐蝕處萌生，導(dǎo)致疲勞斷裂失效；腐蝕也可與應(yīng)力同時(shí)作用，導(dǎo)致腐蝕疲勞失效。環(huán)境溫度的作用主要是降低材料的疲勞強(qiáng)度，導(dǎo)致零件的提前疲勞失效。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞失效原因分析（4）使用維護(hù)原因分析2疲勞斷裂失效分析概述68疲勞斷口定量分析：主要是指對(duì)疲勞斷口上的疲勞斷裂形態(tài)，包括疲勞源點(diǎn)、疲勞弧線、疲勞臺(tái)階、疲勞條帶等的位置、數(shù)量、間距及疲勞源數(shù)量、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)面積的大小等進(jìn)行量化、測(cè)量與計(jì)算，并據(jù)此來(lái)反推引起疲勞斷裂的相關(guān)因素及斷裂過(guò)程的順序、應(yīng)力大小、疲勞擴(kuò)展與萌生壽命等。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析疲勞斷口定量分析：主要是指對(duì)疲勞斷口上的疲勞斷裂形態(tài)，包括疲69理論依據(jù)宏觀上的每一條疲勞弧線相當(dāng)于裂紋擴(kuò)展過(guò)程中載荷或應(yīng)變發(fā)生一次大的改變；微觀上的每一疲勞條帶則相當(dāng)于載荷或應(yīng)變的一次循環(huán)。準(zhǔn)確地確定何種疲勞條帶與何種載荷之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系是斷口定量分析的關(guān)鍵所在。疲勞斷口的形貌特征及擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)的大小與疲勞應(yīng)力幅之間具有定量關(guān)系。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析理論依據(jù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量70Paris公式，適用于高循環(huán)低應(yīng)力的高周疲勞，是目前高周疲勞斷口壽命反推估算的基礎(chǔ)。Paris公式的基本形式：da/dN=c(△k)m

da/dN――裂紋擴(kuò)展速率△k――應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍（△k＝△kmax－△kmin）c、m――常數(shù)。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析Paris公式，適用于高循環(huán)低應(yīng)力的高周疲勞，是目前高周疲勞71目前，研究中用得最多的仍是Paris公式。目前最重要和最有價(jià)值的是利用疲勞斷口參數(shù)估算壽命。利用疲勞斷口弧線、條帶間距反推疲勞壽命已成功地應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：①低周疲勞壽命估算②恒載與譜載下的疲勞壽命估算；③起源于先天性“裂紋”或缺陷的高周疲勞壽命估算。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析目前，研究中用得最多的仍是Paris公式。2疲勞斷裂失效分72疲勞斷口特征與載荷歷程對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定疲勞斷裂是一個(gè)過(guò)程，構(gòu)件在疲勞交變載荷作用下，將萌生疲勞裂紋，并擴(kuò)展。一般交變載荷循環(huán)一次，裂紋將向前擴(kuò)展相應(yīng)的量，并停頓；如此往復(fù)，裂紋將反復(fù)擴(kuò)展、停頓，在斷口上留下相應(yīng)的一系列痕跡。我們最常見的疲勞弧線、條帶就是這種特征痕跡。它們的一些量的東西，如數(shù)量、間距、方向等就反應(yīng)了應(yīng)力水平、循環(huán)數(shù)量、壽命、裂紋的擴(kuò)展速率等。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析疲勞斷口特征與載荷歷程對(duì)應(yīng)關(guān)系的確定2疲勞斷裂失效分析概述73工作載荷與斷口特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1）顏色、成分與工作歷程、時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系斷口暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，顏色上的差異越大。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析工作載荷與斷口特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系2疲勞斷裂失效分析概述74在化學(xué)處理過(guò)程的前后，斷口上顏色出現(xiàn)突變。裂紋不同長(zhǎng)度部位暴露的時(shí)間不同，其表面的化學(xué)成分也會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異。從斷口顏色、成分的差異來(lái)判斷裂紋萌生的時(shí)間應(yīng)該與使用歷程、使用條件聯(lián)系起來(lái)。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析在化學(xué)處理過(guò)程的前后，斷口上顏色出現(xiàn)突變。2疲勞斷裂失效分752）宏觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)交界線對(duì)應(yīng)構(gòu)件瞬時(shí)斷裂時(shí)的壽命點(diǎn)。每一條宏觀疲勞弧線對(duì)應(yīng)裂紋擴(kuò)展中載荷或應(yīng)變的一次大的改變（如載荷譜的加載、環(huán)境條件等的改變）。對(duì)載荷譜試驗(yàn)，分析對(duì)比載荷譜特點(diǎn)及斷口特征，也可確定相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。測(cè)量疲勞弧線的數(shù)量、間距就可以確定載荷的變化次數(shù)和大小。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析2）宏觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)2疲勞斷裂失效分析概述疲763）微觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)系疲勞斷口的微觀特征主要是疲勞條帶。理論依據(jù)：每一疲勞條帶相當(dāng)于載荷或應(yīng)變的一次循環(huán)。從微觀上反推疲勞裂紋擴(kuò)展壽命可利用的主要數(shù)據(jù)是疲勞條帶間距。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析3）微觀上的對(duì)應(yīng)關(guān)系2疲勞斷裂失效分析概述77疲勞弧線或疲勞條帶間距的測(cè)定方法一般采用實(shí)體光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡或透射電子顯微鏡，沿著主裂紋擴(kuò)展的方向，在一定放大倍數(shù)下測(cè)量。疲勞條帶間距存在一定的分散性，測(cè)量時(shí)應(yīng)取一定范圍內(nèi)的平均值作為某一點(diǎn)的間距。用掃描電鏡測(cè)量條帶間距時(shí)，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的角度修正和投影修正。透射電子顯微鏡測(cè)出的條帶間距一般與真實(shí)疲勞條帶的平均間距較為接近，一般不需修正。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析疲勞弧線或疲勞條帶間距的測(cè)定方法2疲勞斷裂失效分析概述78斷口反推疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本方法若令每一載荷循環(huán)下的疲勞裂紋擴(kuò)展量為u，則

u=da/dN或dN=da/u

式中：a－裂紋長(zhǎng)度；N－循環(huán)次數(shù)。在斷口上測(cè)得若干離源區(qū)不同距離的裂紋ai處的疲勞弧線、條帶間距間距，作出每一載荷循環(huán)下的裂紋擴(kuò)展量與裂紋長(zhǎng)度相互關(guān)系的曲線，就可求得疲勞裂紋擴(kuò)展壽命Np。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析斷口反推疲勞裂紋擴(kuò)展速率的基本方法2疲勞斷裂失效分析概述79利用斷口反推計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵是得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN的數(shù)學(xué)表達(dá)式。當(dāng)構(gòu)件承受一穩(wěn)定的交變載荷時(shí)：da/dN=c(△K)mda/dN=0（△K<△Kth）對(duì)于隨機(jī)載荷目前尚未有描述裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況分析隨機(jī)載荷的一般規(guī)律，進(jìn)而建立相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率的數(shù)學(xué)模型。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析利用斷口反推計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的關(guān)鍵是得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率80斷口反推疲勞壽命中，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行。①斷口分析②載荷、歷程分析③確定載荷與斷口特征的關(guān)系④數(shù)據(jù)獲?、輰?duì)數(shù)據(jù)的擬合、估算2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析斷口反推疲勞壽命中，應(yīng)按如下步驟進(jìn)行。2疲勞斷裂失效分析概81小結(jié)：利用疲勞斷口形貌反推失效件裂紋擴(kuò)展壽命，首先應(yīng)通過(guò)對(duì)失效件斷口和履歷、載荷分析，確定斷口形貌與載荷譜間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并從斷口上實(shí)測(cè)出不同裂紋長(zhǎng)度處對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率da/dN；然后根據(jù)測(cè)得的一組數(shù)據(jù)繪制裂紋長(zhǎng)度與譜循環(huán)數(shù)（或與循環(huán)次數(shù)）的關(guān)系曲線，即疲勞裂紋擴(kuò)展曲線；最后，對(duì)實(shí)測(cè)曲線擬合，將其反推至整個(gè)裂紋擴(kuò)展區(qū)，并以此求得整個(gè)斷口的裂紋擴(kuò)展速率、擴(kuò)展壽命。在反推過(guò)程中應(yīng)以分析確定的特征壽命點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，以提高反推的準(zhǔn)確性。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析小結(jié)：利用疲勞斷口形貌反推失效件裂紋擴(kuò)展壽命，首先應(yīng)通過(guò)對(duì)失82斷口反推疲勞原始質(zhì)量按照損傷容限理論，結(jié)構(gòu)件在服役前均帶有初始裂紋或缺陷，由該裂紋或缺陷擴(kuò)展達(dá)到臨界裂紋的壽命即為結(jié)構(gòu)的總壽命。這些存在于零件中的初始缺陷對(duì)疲勞壽命的影響可等效為一當(dāng)量裂紋長(zhǎng)度，稱為當(dāng)量初始裂紋a0，可作為表征零件質(zhì)量的參量（當(dāng)量初始質(zhì)量），對(duì)疲勞斷裂失效，則稱為原始疲勞質(zhì)量a0i。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析斷口反推疲勞原始質(zhì)量2疲勞斷裂失效分析概述83利用斷口形貌反推零件當(dāng)量初始質(zhì)量的原理、方法和步驟：①斷口分析，確定斷口形貌與載荷譜之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從斷口上實(shí)測(cè)出對(duì)應(yīng)于每次載荷循環(huán)數(shù)的裂紋長(zhǎng)度。②根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制疲勞裂紋擴(kuò)展曲線。③擬合實(shí)測(cè)曲線，并將與其相吻合的裂紋擴(kuò)展規(guī)律反推至?xí)r間為零，即N=0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的裂紋長(zhǎng)度即為該零件的a0i。④對(duì)同類零件的a0i進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)a0i的分布密度確定規(guī)定概率下同類零件的a0i。需要說(shuō)明的是，a0i僅是損傷容限設(shè)計(jì)中使用的一個(gè)參考值，是零件在服役前的內(nèi)部各種缺陷、表面加工缺陷及表面非完整性因素等對(duì)疲勞壽命影響的一個(gè)綜合反映參考量。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析利用斷口形貌反推零件當(dāng)量初始質(zhì)量的原理、方法和步驟：2疲勞84疲勞斷口反推失效構(gòu)件的應(yīng)力（1）從裂紋長(zhǎng)度及瞬斷區(qū)大小反推構(gòu)件疲勞應(yīng)力水平構(gòu)件疲勞裂紋臨界長(zhǎng)度ac與最大交變應(yīng)力σmax關(guān)系：

KⅠ＝σmaxY（πa）1/2

當(dāng)發(fā)生快速斷裂時(shí)，KⅠ＝KⅠc，a＝ac，σ＝σc，則有

KⅠc＝σcY（πa）1/2

材料一定的情況下，有

Logσc∝-Logac

由試驗(yàn)測(cè)得一系列ac－σc數(shù)據(jù)，擬合求得關(guān)系式，將失效件的值代入即可估算出失效件所承受的疲勞應(yīng)力水平。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析疲勞斷口反推失效構(gòu)件的應(yīng)力2疲勞斷裂失效分析概述85疲勞瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達(dá)到臨界尺寸后發(fā)生的快速破斷區(qū)，其面積大小一般認(rèn)為受材料的斷裂韌性KⅠc控制。因?yàn)閍c與瞬斷區(qū)面積是相關(guān)的，因此通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得一系列的A－σc數(shù)據(jù)，擬合求得關(guān)系式，將失效件的值代入也可估算出失效件所承受的疲勞應(yīng)力水平。必須注意的是，以上方法只能求得疲勞載荷的最大應(yīng)力水平，但不能推算疲勞載荷的范圍。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析疲勞瞬斷區(qū)是疲勞裂紋達(dá)到臨界尺寸后發(fā)生的快速破斷區(qū)，其面積大86（2）利用疲勞條帶間距反推失效件的疲勞應(yīng)力疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段的速率可用Paris公式表達(dá)：da/dN=c(Y△σπ0.5)m×am/2

由斷口反推求得疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）sx～a，用試樣模擬同材料疲勞裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）sy～△K，求得材料常數(shù)c、m，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，則有：

若已知Ysx的表達(dá)式或數(shù)值解，則可求得△σsx。

2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析（2）利用疲勞條帶間距反推失效件的疲勞應(yīng)力2疲勞斷裂失效分87對(duì)一些形狀及受力均復(fù)雜的大型構(gòu)件，Ysx難以用表達(dá)式來(lái)表達(dá)，則可用與失效件等同的模擬試驗(yàn)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，求得（da/dN）sy～a，則有：

若知道實(shí)際構(gòu)件所承受的應(yīng)力比R＝σmin/σmax，則可求得

σmax＝△σmax/(1-R)。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷口定量分析對(duì)一些形狀及受力均復(fù)雜的大型構(gòu)件，Ysx難以用表達(dá)式來(lái)表達(dá)88廣義地講，失效是零件（材料）不能抵抗外來(lái)載荷作用的結(jié)果，即抗力小于外力的結(jié)果。疲勞斷裂失效是零件（材料）的疲勞強(qiáng)度小于交變載荷的結(jié)果。預(yù)防疲勞斷裂失效只能從兩方面入手，一方面要提高零件（材料）的疲勞強(qiáng)度，另一方面要降低交變載荷。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材質(zhì)、制造工藝和使用等四個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)采取措施。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂的預(yù)防廣義地講，失效是零件（材料）不能抵抗外來(lái)載荷作用的結(jié)果，即抗89疲勞設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)上預(yù)防疲勞斷裂失效的主要方法就是要盡量降低設(shè)計(jì)載荷，避免產(chǎn)生異常應(yīng)力。從零件的各種結(jié)構(gòu)因素來(lái)看，結(jié)構(gòu)布局引起的應(yīng)力集中對(duì)局部疲勞載荷的影響最大。危險(xiǎn)截面的應(yīng)力集中往往可導(dǎo)致零件的提前疲勞失效。通過(guò)合理的布局來(lái)降低或改善上述部位的應(yīng)力集中。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使零件上某些部位的應(yīng)力集中得到緩和，零件的疲勞抗力得以提高。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂的預(yù)防疲勞設(shè)計(jì)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷90零件選材機(jī)械零件的功能都是靠材料來(lái)保證的，零件的失效歸根到底都是材料的失效。設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)零件承受的循環(huán)載荷方式、載荷水平、工作環(huán)境以及服役壽命等來(lái)選擇適宜的材料。選擇的材料應(yīng)在服役條件下具有較好的性能。2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂的預(yù)防零件選材2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷912疲勞斷裂的預(yù)防制造工藝制造工藝是決定零件是否發(fā)生疲勞失效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。制造工藝改變是預(yù)防疲勞失效最易實(shí)現(xiàn)、最經(jīng)濟(jì)、途徑最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。任何改善表面完整性的工藝，一般都可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。（1）提高表面光潔度（2）表面淬火（3）表面化學(xué)熱處理（4）表面形變強(qiáng)化2疲勞斷裂的預(yù)防制造工藝92使用維護(hù)盡量降低作用于零件上的載荷；盡量保持零件表面的完整性，不降低零件本身的疲勞抗力。（1）控制使用載荷，降低零件承受的應(yīng)力水平和應(yīng)力循環(huán)數(shù)（2）保持表面的完整性，防止意外損傷（3）改善使用環(huán)境，盡量減少環(huán)境的侵蝕2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷裂的預(yù)防使用維護(hù)2疲勞斷裂失效分析概述疲勞斷93發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞失效分析

1發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的特點(diǎn)2葉片的結(jié)構(gòu)與選材3葉片的工作環(huán)境和受力分析4壓氣機(jī)葉片常見的疲勞失效模式、特點(diǎn)與規(guī)律5渦輪葉片常見的疲勞失效模式、特點(diǎn)與規(guī)律3疲勞失效案例分析發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞失效分析1發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的特點(diǎn)3疲勞失效案94二、葉片的結(jié)構(gòu)與選材壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的安裝方式一般有銷釘固定式（實(shí)根榫頭）、鎖板固定式（樅樹形榫頭）和鎖片與螺釘固定式（燕尾形榫頭）等三種二、葉片的結(jié)構(gòu)與選材壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的安裝方式一般有銷釘固定式95二、葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與選材壓氣機(jī)葉片制造用材料：鋁合金鈦合金馬氏體型不銹鋼耐熱鋼制造工藝：鍛造或鑄造現(xiàn)代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用鈦合金制成。二、葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與選材壓氣機(jī)葉片制造用材料：96二、葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與選材渦輪葉片制造用材料：變形高溫合金普通鑄造高溫合金定向凝固高溫合金單晶高溫合金制造工藝：模鍛與鑄造現(xiàn)代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用定向凝固和單晶高溫合金制造。二、葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與選材渦輪葉片制造用材料：97三、葉片的工作環(huán)境和受力分析

工作環(huán)境（1）氣流沖刷和外來(lái)物撞擊。壓氣機(jī)葉片承受由進(jìn)氣道引入的高速氣流的沖刷，以及氣流中的塵土、砂石和其它外來(lái)物的撞擊。（２）大氣腐蝕。工作時(shí)，氣流中的腐蝕介質(zhì)高速?zèng)_刷表面造成沖蝕損傷；停放時(shí)，腐蝕性的大氣環(huán)境也可對(duì)表面造成腐蝕損傷。（３）溫度作用。壓氣機(jī)后幾級(jí)的溫度最高可達(dá)300～500℃；渦輪葉片的溫度可達(dá)大多在1000℃以上。（4）振動(dòng)。工作中葉片都要經(jīng)受特定轉(zhuǎn)速下的強(qiáng)迫振動(dòng)或自激振動(dòng)引起的共振、喘振和顫振，從而使葉片承受振動(dòng)交變載荷的作用。三、葉片的工作環(huán)境和受力分析工作環(huán)境98三、葉片的工作環(huán)境和受力分析

葉片的受力轉(zhuǎn)子葉片工作時(shí)高速旋轉(zhuǎn)，承受自身離心拉應(yīng)力及離心彎矩、氣動(dòng)應(yīng)力及氣動(dòng)彎矩、熱應(yīng)力和振動(dòng)交變應(yīng)力等幾類力的作用。其中葉片自身質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，是轉(zhuǎn)子葉片工作時(shí)承受的最大、最主要的應(yīng)力；彎曲應(yīng)力是氣流沖擊葉片時(shí)產(chǎn)生的，一般還伴隨有扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。離心力和氣動(dòng)力較大，是葉片受力的主要組成部分。三、葉片的工作環(huán)境和受力分析葉片的受力99三、葉片的工作環(huán)境和受力分析

葉片截面上的進(jìn)氣邊、葉背和排氣邊等A、B、C三點(diǎn)是同一截面上總應(yīng)力最大的點(diǎn)三、葉片的工作環(huán)境和受力分析葉片截面上的進(jìn)氣邊、葉背和排氣1004.1共振疲勞斷裂失效4.1.1失效機(jī)理與失效條件當(dāng)激振頻率與葉片本身的自振頻率基本一致或成倍率關(guān)系時(shí)，葉片就會(huì)發(fā)生共振。葉片能否發(fā)生共振，需要滿足兩個(gè)條件：首先是要有一個(gè)合適的激振源，有足夠的能量能夠引起葉片振動(dòng)；其次是激振頻率與葉片的自振頻率具有倍數(shù)關(guān)系。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.1共振疲勞斷裂失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1014.1共振疲勞斷裂失效4.1.2失效特點(diǎn)和規(guī)律（1）失效的數(shù)量多；（2）各次失效發(fā)生的規(guī)律性強(qiáng)；如裂紋萌生的部位、高度，裂紋的走向等均基本相同。（3）裂紋斷口均具有高周疲勞斷裂的性質(zhì)；（4）裂紋萌生的時(shí)間與壽命無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系；（5）從裂紋萌生到斷裂均有一個(gè)或長(zhǎng)或短的時(shí)間過(guò)程；（6）源區(qū)一般位于進(jìn)、排氣邊或葉背應(yīng)力較大處；（7）每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一般只有孤立的1～2片葉片出現(xiàn)故障。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.1共振疲勞斷裂失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)102（1）失效數(shù)量多往往是多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、多個(gè)服役單位多次重復(fù)發(fā)生。（2）各次失效發(fā)生的規(guī)律性強(qiáng)如裂紋萌生的部位、高度，裂紋的走向等均基本相同。（1）失效數(shù)量多（2）各次失效發(fā)生的規(guī)律性強(qiáng)103（3）裂紋斷口均具有高周疲勞斷裂的性質(zhì)一般斷口細(xì)膩、平整，宏觀可分為疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分；一般疲勞區(qū)面積大，源區(qū)只有一個(gè)疲勞源點(diǎn)；疲勞源區(qū)附近的條帶特征不明顯，但擴(kuò)展中、后期可見明顯的微觀疲勞條帶特征；擴(kuò)展區(qū)可見疲勞弧線和放射棱線，微觀上有細(xì)密的疲勞條帶，且條帶的間距小。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

（3）裂紋斷口均具有高周疲勞斷裂的性質(zhì)四、壓氣機(jī)葉片常見的失104（4）裂紋萌生的時(shí)間與壽命無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以在早期，也可以在修理后，但與共振轉(zhuǎn)速下的工作時(shí)間有關(guān)。如上述某發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)壓氣機(jī)葉片葉根延伸段斷裂故障，最短的只有十幾個(gè)小時(shí)就出現(xiàn)了裂紋，而最長(zhǎng)的則有400多小時(shí)。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

（4）裂紋萌生的時(shí)間與壽命無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系四、壓氣機(jī)葉片常見105（5）從裂紋萌生到斷裂均有一個(gè)或長(zhǎng)或短的時(shí)間過(guò)程由于該類失效屬于疲勞性質(zhì)，裂紋的擴(kuò)展有一個(gè)過(guò)程，因此，從裂紋萌生到斷裂就有一個(gè)過(guò)程，可以采取一定的措施進(jìn)行檢查監(jiān)控，如無(wú)損檢測(cè)等。

四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

（5）從裂紋萌生到斷裂均有一個(gè)或長(zhǎng)或短的時(shí)間過(guò)程四、壓氣機(jī)葉106（6）源區(qū)一般位于進(jìn)、排氣邊或葉背應(yīng)力較大處也可能在存在明顯材質(zhì)、腐蝕或打傷的其它位置。裂紋源區(qū)的位置主要與葉片故障共振振型節(jié)線位置及是否存在缺陷和缺陷的位置有關(guān)。

四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

（6）源區(qū)一般位于進(jìn)、排氣邊或葉背應(yīng)力較大處四、壓氣機(jī)葉片常107（7）每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一般只有孤立的1～2片葉片出現(xiàn)故障。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

（7）每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一般只有孤立的1～2片葉片出現(xiàn)故障。四、壓1084.1共振疲勞斷裂失效4.1.3失效原因?qū)е聣簹鈾C(jī)葉片共振疲勞斷裂的主要原因均與設(shè)計(jì)有關(guān)。壓氣機(jī)葉片常見的、比較危險(xiǎn)的共振振型主要一階彎曲、二階彎曲、三階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)、二階扭轉(zhuǎn)等五種。常用轉(zhuǎn)速下的共振是設(shè)計(jì)中需要避開的。如果發(fā)生共振，葉片在正常較大離心載荷、氣動(dòng)載荷的基礎(chǔ)上還要承受較大的振動(dòng)載荷，即使振動(dòng)載荷的數(shù)值有時(shí)不是很大，但頻率一般較高，短時(shí)間內(nèi)就可導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.1共振疲勞斷裂失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1094.1共振疲勞斷裂失效4.1.3失效原因共振疲勞斷裂部位一般在葉片的最大應(yīng)力截面（與振型有關(guān)），最大應(yīng)力位置一般在振動(dòng)節(jié)線位置。一階彎曲振動(dòng)，最大應(yīng)力截面在根部；隨彎曲振動(dòng)的階次升高，最大應(yīng)力截面向葉尖移動(dòng)；彎曲振動(dòng)的斷口走向均與葉片的節(jié)線基本一致，通常為一直線。扭轉(zhuǎn)振型和復(fù)合振型的最大應(yīng)力截面，也隨振型的階次升高而向葉尖上移動(dòng)，但其斷口走向是先平后翹。在失效分析中，可根據(jù)葉片斷裂的位置以及裂紋的走向，可基本判斷葉片共振失效的振型。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.1共振疲勞斷裂失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1104.3腐蝕失效主要是指腐蝕（坑）誘發(fā)的疲勞失效。其根本原因不是腐蝕，腐蝕只是誘發(fā)裂紋提前萌生；裂紋萌生部位應(yīng)是危險(xiǎn)部位或振動(dòng)節(jié)線附近，失效部位本身就存在失效的很大可能。對(duì)根本原因是腐蝕的疲勞失效，腐蝕坑的尺寸較大，也不在危險(xiǎn)截面。腐蝕失效源區(qū)均可找到腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物，如沿晶特征、泥紋花樣等；可測(cè)到腐蝕產(chǎn)物成分，如S、Cl、O等。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.3腐蝕失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)111

腐蝕坑誘發(fā)疲勞斷裂失效腐蝕坑誘發(fā)疲勞斷裂失效1124.4材質(zhì)缺陷失效一般材質(zhì)缺陷引起的失效均是由缺陷引發(fā)疲勞裂紋萌生，并最終導(dǎo)致葉片的疲勞斷裂。對(duì)于由材質(zhì)缺陷引起的疲勞斷裂失效，在裂紋源區(qū)均可找到明顯的材質(zhì)缺陷，如疏松、夾雜、折迭等，結(jié)合其它分析手段可較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)和種類。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.4材質(zhì)缺陷失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1134.4材質(zhì)缺陷失效下圖是一發(fā)動(dòng)機(jī)葉片由折迭引發(fā)疲勞斷裂，黑色區(qū)為折迭。該葉片模鍛時(shí)，在葉背形成了此折迭，使用中從折迭處萌生疲勞裂紋，導(dǎo)致了葉片疲勞斷裂。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.4材質(zhì)缺陷失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1144.5微動(dòng)損傷疲勞失效葉片產(chǎn)生磨損的部位只有與盤榫槽接觸的榫頭部位。氣流擾動(dòng)與振動(dòng)使葉片與盤榫槽間產(chǎn)生微小相對(duì)滑動(dòng)引起微動(dòng)磨損，導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生。微動(dòng)損傷引起疲勞斷裂一般特征：（1）斷裂位置在葉片榫頭上；（2）斷口具有高周疲勞斷裂的宏、微觀特征；（3）疲勞裂紋起始于葉片榫頭側(cè)表面、榫頭與榫槽配合界線；（4）榫頭側(cè)面有軸向不均勻微小磨痕、塑變痕跡和平行于斷面的微裂紋等微動(dòng)損傷特征，有時(shí)還可見高溫變色、金屬磨屑。四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

4.5微動(dòng)損傷疲勞失效四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)115舉例：某發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片榫頭斷裂故障：斷裂位置均在盤榫槽接觸線附近工作面上。斷口性質(zhì)高周疲勞斷裂；起源于葉背側(cè)的榫頭工作面；源區(qū)無(wú)材質(zhì)及腐蝕、損傷缺陷；源區(qū)榫頭工作面均有與葉片軸向平行的摩擦損傷痕跡和塑性變形痕跡。這些特征均與微動(dòng)損傷引起的疲勞斷裂失效的特征一致，因此，分析認(rèn)為微動(dòng)損傷是導(dǎo)致這幾次故障的原因。

四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

舉例：四、壓氣機(jī)葉片常見的失效模式與特點(diǎn)116

源區(qū)下葉盆面微裂紋上圖放大源區(qū)下葉盆面微裂紋117渦輪葉片常見的失效模式可分為以下主要類型：疲勞斷裂失效腐蝕失效材質(zhì)缺陷失效蠕變失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

渦輪葉片常見的失效模式可分為以下主要類型：五、渦輪葉片常見的1185.1疲勞斷裂失效變形高溫合金的疲勞斷裂失效普通鑄造高溫合金的疲勞斷裂失效定向凝固高溫合金的疲勞斷裂失效單晶高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

5.1疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)1195.1.1變形高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

5.1.1變形高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦120疲勞失效分析技術(shù)課件121疲勞失效分析技術(shù)課件1225.1.2普通鑄造高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

5.1.2普通鑄造高溫合金的疲勞斷裂失效五123宏觀上，整個(gè)斷口基本垂直于葉片表面。斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)兩部分：疲勞區(qū)位于斷口中部，已穿透葉片中部，面積70%。疲勞區(qū)兩側(cè)為瞬時(shí)斷裂區(qū)，其面積約占整個(gè)斷口面積的30%。五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

宏觀上，整個(gè)斷口基本垂直于葉片表面。五、渦輪葉片常見的失效模124疲勞裂紋起始于葉背中部高點(diǎn)疲勞裂紋起始于葉背中部高點(diǎn)125起始區(qū)有一0.66mm×0.52mm的方形光滑小平面，該小平面高約0.31mm，與葉片軸線呈約45度角。起始區(qū)有一0.66mm×0.52mm的方形光滑小平面，該小平126疏松的尺寸為105μm×57μm。疏松的尺寸為105μm×57μm。127起始區(qū)小平面上有較多的富含Ti元素、尺寸在3μm左右的碳化物顯微顆粒。起始區(qū)小平面上有較多的富含Ti元素、尺寸在3μm左右的碳化物128疲勞條帶、平行二次裂紋細(xì)密，間距在0.7μm左右疲勞條帶、平行二次裂紋細(xì)密，間距在0.7μm左右129疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)交界明顯，瞬斷區(qū)附近的疲勞條帶細(xì)密，間距在1.4μm左右。疲勞區(qū)與瞬斷區(qū)交界明顯，瞬斷區(qū)附近的疲勞條帶細(xì)密，間距在1.1305.1.3定向凝固高溫合金的疲勞斷裂失效

五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

5.1.3定向凝固高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的131疲勞失效分析技術(shù)課件132疲勞失效分析技術(shù)課件1335.1.4單晶高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦輪葉片常見的失效模式與特點(diǎn)

5.1.4單晶高溫合金的疲勞斷裂失效五、渦134疲勞失效分析技術(shù)課件135發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)四級(jí)盤輪緣破裂

故障分析

Failureanalysisofthefourthcompressorpansinaero-engines某發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)發(fā)生六起壓氣機(jī)四級(jí)盤輪緣破裂故障，嚴(yán)重危及飛行安全。對(duì)六起故障的綜合分析表明，這些故障屬于高周機(jī)械疲勞的失效模式，輪盤高階復(fù)合振動(dòng)是造成其疲勞破裂的內(nèi)在原因；表面加工缺陷是該故障的誘發(fā)因素。排除此故障的根本途徑是更改四級(jí)盤的設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)四級(jí)盤輪緣破裂

故障分析

Failureana1361.2斷口特征宏觀特征：斷口具有明顯的疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)；疲勞弧形區(qū)斷面光滑、平坦，可見明顯的疲勞弧線；瞬斷區(qū)斷面與輻板約成45度角。疲勞區(qū)裂紋擴(kuò)展不對(duì)稱，源區(qū)向輪盤旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)擴(kuò)展短，向相反方向擴(kuò)展長(zhǎng)。斷口的宏觀特征表明，疲勞區(qū)面積較大，疲勞擴(kuò)展充分。疲勞源區(qū)：所有疲勞區(qū)均起源于輻板與輪緣轉(zhuǎn)接處表面；所有疲勞區(qū)均起源于前端面。1.2斷口特征宏觀特征：斷口具有明顯的疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)；疲勞137圖2典型斷口形貌圖2典型斷口形貌138圖3疲勞起始區(qū)圖3疲勞起始區(qū)139圖4疲勞源區(qū)圖4疲勞源區(qū)140疲勞擴(kuò)展區(qū)：疲勞弧線明顯，疲勞條帶細(xì)密，具有典型高周疲勞的特征。

圖5疲勞條帶疲勞擴(kuò)展區(qū)：疲勞弧線明顯，疲勞條帶細(xì)密，具有典型高周疲勞的特141斷裂性質(zhì)：事故盤的斷口均具有高周機(jī)械疲勞斷裂性質(zhì)。在斷裂源區(qū)均未發(fā)現(xiàn)與斷裂有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系的冶金和材質(zhì)缺陷。斷裂性質(zhì)：事故盤的斷口均具有高周機(jī)械疲勞斷裂性質(zhì)。1421.3材質(zhì)檢驗(yàn)四級(jí)盤材料為1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼。對(duì)故障盤進(jìn)行材質(zhì)檢查，化學(xué)成分均合格；金相組織均正常，為回火馬氏體；硬度均在HBd=3.25～3.3之間，符合圖紙規(guī)定的HBd=3.15～3.45的要求。1.3材質(zhì)檢驗(yàn)四級(jí)盤材料為1Cr11Ni2W2MoV馬氏體1431.4加工質(zhì)量檢查測(cè)量故障盤斷口下輻板厚度，除1個(gè)盤輻板厚度僅3.33mm，存在明顯的凹陷外，其它四個(gè)盤的輻板厚度均在4.4mm左右，符合圖紙要求。輻板面光潔度均基本符合要求。其中一個(gè)故障盤已貫徹打磨、拋光措施，光潔度高。其它四個(gè)故障盤的疲勞源區(qū)所在的輻板前端面與輪緣R3轉(zhuǎn)接處轉(zhuǎn)接均不圓滑，存在明顯過(guò)渡交線。1.4加工質(zhì)量檢查1442斷裂失效模式分析故障盤特征基本相同，其疲勞區(qū)附近均沒有明顯的塑性變形，斷口細(xì)膩、平整，源區(qū)未損傷的兩個(gè)盤的疲勞源均屬于點(diǎn)源，疲勞擴(kuò)展區(qū)條帶細(xì)密。從以上宏觀、微觀特征分析，這四起事故的盤均屬于高周機(jī)械疲勞失效模式。2斷裂失效模式分析故障盤特征基本相同，其疲勞區(qū)附近均沒有明1453破裂原因分析3.1四級(jí)盤結(jié)構(gòu)四級(jí)盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。3破裂原因分析3.1四級(jí)盤結(jié)構(gòu)146圖7四級(jí)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖7四級(jí)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1473.4原因分析從六起四級(jí)盤故障的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以看出，該故障與發(fā)動(dòng)機(jī)壽命大小、是否進(jìn)行過(guò)修理及修理的次數(shù)多少、使用單位等沒有直觀的關(guān)系，說(shuō)明導(dǎo)致四級(jí)盤振動(dòng)的原因主要與設(shè)計(jì)和制造兩方面因素有關(guān)。3.4原因分析148圖8四級(jí)盤受力示意圖圖8四級(jí)盤受力示意圖149四級(jí)盤正常工作時(shí)，輪緣與輻板過(guò)渡處主要承受離心力、熱應(yīng)力、氣動(dòng)扭矩、氣動(dòng)彎矩、預(yù)緊力、振動(dòng)負(fù)荷及加工殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力等應(yīng)力的作用。四級(jí)盤的斷裂性質(zhì)為高周機(jī)械疲勞，是在離心應(yīng)力上附加有振動(dòng)應(yīng)力的結(jié)果。四級(jí)盤是一懸臂梁結(jié)構(gòu)，模態(tài)阻尼小，較小的激振力就可引起共振，從而在“R3”轉(zhuǎn)接處產(chǎn)生較大的振動(dòng)應(yīng)力。臺(tái)架測(cè)試結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1=96%～97%，n2=97%～98%時(shí)，四級(jí)盤有一振型為2節(jié)園12節(jié)徑的后行波高階復(fù)合振型的共振點(diǎn)。六起故障的規(guī)律表明，四級(jí)盤輻板與輪緣轉(zhuǎn)接處是一設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，共振時(shí)容易在此處萌生疲勞裂紋。因此，共振是導(dǎo)致該四級(jí)盤輪緣處破裂的根本原因。四級(jí)盤正常工作時(shí)，輪緣與輻板過(guò)渡處主要承受離心力、熱應(yīng)力、氣150從故障盤壽命分布看，3號(hào)盤輻板存在嚴(yán)重凹陷（輻板厚度僅3.33mm），其使用壽命最短，僅45小時(shí)；5號(hào)盤在大修時(shí)對(duì)輪緣“R3”與輻板轉(zhuǎn)接部位進(jìn)行了打磨、修理，將加工質(zhì)量對(duì)疲勞萌生的影響降低到了很小的程度，其壽命是6個(gè)故障盤子最長(zhǎng)的；說(shuō)明表面加工缺陷是導(dǎo)致四級(jí)盤疲勞破裂的誘發(fā)因素。受力分析表明，不論在正常工作條件下，還是在振動(dòng)情況下，四級(jí)盤前端面轉(zhuǎn)接圓角處的應(yīng)力均遠(yuǎn)小于后端面，且都低于材料的疲勞極限；而故障盤裂紋大多萌生于前端面表面，這說(shuō)明故障盤前端面存在有不正常因素。從故障盤壽命分布看，3號(hào)盤輻板存在嚴(yán)重凹陷（輻板厚度僅3.3151疲勞萌生應(yīng)力較大，且主要存在于裂紋萌生表面。導(dǎo)致裂紋萌生的不正常因素是加工引起來(lái)的----加工尺寸超差和殘余應(yīng)力。前端面裂紋處轉(zhuǎn)接存在不圓滑現(xiàn)象，引起的應(yīng)力集中系數(shù)僅為1.12，不足以引起裂紋的萌生。殘余應(yīng)力測(cè)試，輻板面上殘余應(yīng)力為-487MPa，輪緣與輻板連接的“R3”圓弧處為-262MPa，而與裂紋萌生位置對(duì)應(yīng)的“R3”與輻板轉(zhuǎn)接處僅為-21MPa。綜合以上的分析可以說(shuō)明，故障盤裂紋萌生處由于沒有殘余壓應(yīng)力（而其它位置都有較大的殘余壓應(yīng)力），相對(duì)來(lái)說(shuō)就是一薄弱部位，轉(zhuǎn)接不圓滑引起的應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋從前端面輻板與輪緣“R3”轉(zhuǎn)接處表面萌生。疲勞萌生應(yīng)力較大，且主要存在于裂紋萌生表面。152裂紋萌生以后，由于盤在工作中的振動(dòng)，導(dǎo)致了裂紋的高周疲勞擴(kuò)展。工作葉片受到的氣動(dòng)周向力使盤轉(zhuǎn)動(dòng)，并在輪盤上產(chǎn)生扭矩，使沿盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向的裂紋尖端閉合，而相反方向的裂紋尖端張開，因此使裂紋擴(kuò)展不對(duì)稱，順盤旋轉(zhuǎn)方向擴(kuò)展較小，而沿相反方向擴(kuò)展較大。裂紋萌生以后，由于盤在工作中的振動(dòng)，導(dǎo)致了裂紋的高周疲勞擴(kuò)展1534結(jié)論（1）某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)四級(jí)盤破裂故障性質(zhì)為高周機(jī)械疲勞。（2）四級(jí)盤高階復(fù)合振動(dòng)是造成這類疲勞斷裂的根本原因；表面加工缺陷是導(dǎo)致該故障發(fā)生的誘發(fā)因素。4結(jié)論（1）某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)四級(jí)盤破裂故障性質(zhì)為高周機(jī)械疲154改進(jìn)措施導(dǎo)致四級(jí)盤輪緣破裂的設(shè)計(jì)原因是四級(jí)盤存在共振點(diǎn)，輪緣與輻板轉(zhuǎn)接處是一疲勞薄弱點(diǎn)，加工缺陷對(duì)疲勞的發(fā)生主要起誘發(fā)作用。打磨修理，提高輪緣處的加工質(zhì)量雖然對(duì)避免疲勞裂紋的萌生有一定的作用，但還不能從根本上避免該故障，因此更改設(shè)計(jì)應(yīng)該是防止該故障重復(fù)發(fā)生的根本措施。但在更改設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該慎重，需要充分地試驗(yàn)。特別是新設(shè)計(jì)的四級(jí)盤應(yīng)能在批生產(chǎn)中保證有足夠的共振裕度。改進(jìn)措施導(dǎo)致四級(jí)盤輪緣破裂的設(shè)計(jì)原因是四級(jí)盤存在共振點(diǎn)，輪緣155發(fā)動(dòng)機(jī)煤油軟管爆破分析１．爆破軟管的外觀檢查２．爆破軟管解剖檢查３．膠層斷口分析４.軟管爆破失效的過(guò)程分析5.軟管疲勞失效原因分析6.結(jié)論發(fā)動(dòng)機(jī)煤油軟管爆破分析１．爆破軟管的外觀檢查1560故障情況發(fā)動(dòng)機(jī)燃油軟管在工作過(guò)程中橡膠部分破裂漏油（外場(chǎng)又稱“爆破”）的故障自該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用以來(lái)就一直困擾著生產(chǎn)單位、修理單位和用戶，對(duì)飛行安全造成了直接的影響。雖然有關(guān)各方都曾作過(guò)大量的研究工作，但燃油軟管的爆破問(wèn)題一直沒有解決。0故障情況發(fā)動(dòng)機(jī)燃油軟管在工作過(guò)程中橡膠部分破裂漏油（外場(chǎng)157１．爆破軟管的外觀檢查

外觀檢查，爆破軟管具有如下特點(diǎn)：（1）所有爆破軟管兩端都有不同程度的彎曲變形，而且彎頭端的變形更大（圖1）１．爆破軟管的外觀檢查外觀檢查，爆破軟管具有如下特點(diǎn)158疲勞失效分析技術(shù)課件159１．爆破軟管的外觀檢查（續(xù)）（2）大多數(shù)軟管都只在靠近金屬?gòu)澖宇^一端膠管彎曲部位的外側(cè)有一個(gè)爆破口，只有1根軟管在膠管兩端彎曲部位的外側(cè)各有一個(gè)爆破口。（3）爆破口距扣壓接頭外套尾端都在0～15ｍｍ之間。（4）外膠爆破口形狀不規(guī)則，有軸向直線形、弧形、叉形等形狀。１．爆破軟管的外觀檢查（續(xù)）（2）大多數(shù)軟管都只在靠近金屬?gòu)?60２．爆破軟管解剖檢查

爆破軟管按由