疲劳失效分析技术课件

目录引言疲劳断裂失效分析概述疲劳失效案例分析目录引言11引言1-1疲劳的定义疲劳（fatigue)这个词起源于拉丁文的fatigäre一词，意思是“疲倦”。人疲劳——身心劳累材料疲劳——在循环载荷下的损伤和破坏。定义：材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化。1引言1-1疲劳的定义21引言1-2疲劳研究发展过程材料疲劳的研究可追溯到19世纪上半叶。W.A.J.Albert——德国矿业工程师，金属疲劳的最初研究者，1829年前后完成。研究内容：用铁制的矿山升降机链条作反复加载试验，验证其可靠性。第一个金属疲劳研究——1842年法国玩尔赛铁路事故分析，机车前轴的断裂是导致这次事故的原因。1引言1-2疲劳研究发展过程31-3疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力1引言1-3疲劳载荷规则的交变应力不规则的交变应力1引言4一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环

r=-1脉冲循环

r=0静应力

r=1一点应力随时间变化曲线应力循环应力比平均应力应力幅值对称循环5S-N曲线一般的应力——寿命曲线1-4疲劳极限与应力-寿命曲线S-N曲线一般的应力——寿命曲线1-4疲劳极限与应力-寿命6平均应力对S-N曲线的影响对称循环下两种类型S-N曲线平均应力对S-N曲线的影响对称循环下两种类型S-N曲线71-5影响疲劳寿命的因数

应力集中的影响——有效应力集中因数

理论应力集中因数Sn

名义应力1-5影响疲劳寿命的因数应力集中的影响——有效应力集中8表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工表面加工质量的影响——表面质量因数磨削加工（试样）其他加工92-1疲劳失效分析经典案例疲劳失效典型案例——20世纪50年代世界第一架民用喷气式客机“彗星号”系列事故。原因：客舱结构疲劳开裂。2疲劳断裂失效分析概述2-1疲劳失效分析经典案例2疲劳断裂失效分析概述102疲劳断裂失效分析概述2-2疲劳断裂失效的特点疲劳断裂属于脆性断裂的一种，几乎没有肉眼可见的塑性变形。疲劳断裂往往具有突发性，危害性大。在机电装备的失效事件中，疲劳断裂失效约占所有断裂事故的60%~80%2疲劳断裂失效分析概述2-2疲劳断裂失效的特点112疲劳断裂失效分析概述2-3疲劳断裂失效分析的目的诊断出疲劳失效的模式找出引起疲劳断裂的确切原因采取预防措施，避免同类疲劳断裂失效再次发生2疲劳断裂失效分析概述2-3疲劳断裂失效分析的目的122疲劳断裂失效分析概述2-4疲劳断裂失效分析的内容分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂疲劳断裂的二级或三级失效模式疲劳断裂的载荷类型与大小，疲劳断裂的起源等疲劳断裂的原因疲劳断裂的机理

提出避免疲劳断裂再次发生的预防措施2疲劳断裂失效分析概述2-4疲劳断裂失效分析的内容132疲劳断裂失效分析概述2-5疲劳断裂失效的分类高周疲劳断裂：又称应力疲劳断裂，是指零件在较低的交变应力作用下产生的疲劳断裂。一般将循环周次在104以上的疲劳断裂，称为高周疲劳断裂。低周疲劳断裂：又称应变疲劳断裂，是指零件在较高的交变应力作用下产生的疲劳现象。一般将循环周次在104以下的疲劳断裂，称为低周疲劳断裂。2疲劳断裂失效分析概述2-5疲劳断裂失效的分类14疲劳失效的“二级”失效模式分类根据频率不同高频疲劳断裂低频疲劳断裂根据循环周次不同高周疲劳断裂低周疲劳断裂根据控制参量不同应力疲劳断裂（控制应力幅）应变疲劳断裂（控制应变幅）

疲劳断裂根据环境介质不同腐蚀疲劳断裂应力腐蚀疲劳断裂

低温疲劳断裂根据温度不同室温疲劳断裂高温疲劳断裂……疲劳失效的“二级”失效模式分类根据频率不同高频疲劳断裂15（1）亚结构和显微结构发生变化，永久损伤形核；（2）产生微观裂纹；（3）微观裂纹长大和合并，形成“主导”裂纹；（4）主导宏观裂纹稳定扩展；（5）结构失去稳定性或完全断裂失效。2疲劳断裂失效分析概述

2-6疲劳断裂失效过程（1）亚结构和显微结构发生变化，永久损伤形核；2疲劳断裂失162-7疲劳断裂影响因素力学因素材料组织结构因素环境因素影响微观裂纹的形核和主导疲劳裂纹的扩展速率和路径。2疲劳断裂失效分析概述2-7疲劳断裂影响因素2疲劳断裂失效分析概述172-8疲劳断裂失效的特征

名义应力低于静荷载强度

构件破坏有一过程

疲劳破坏断口2疲劳断裂失效分析概述2-8疲劳断裂失效的特征名义应力低于静荷载强度构件182-9疲劳断口的宏观分析典型的疲劳断口按照断裂过程的先后可分为三个特征区，即疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区

。2疲劳断裂失效分析概述2-9疲劳断口的宏观分析2疲劳断裂失效分析概述19①疲劳源区一般位于零件表面或亚表面的应力集中处，也可能在表面或内部的缺陷、损伤处。当疲劳源区位于零件内部时，源区一定存在有缺陷或较大的内应力、残余应力。②疲劳源区的形成时期早，暴露于环境中的时间长，一般均有一定的氧化或腐蚀，疲劳源区相对于断口上的其它区域，其氧化或腐蚀较重，颜色较深。③疲劳源区的断面一般平坦、光滑、细腻，有些断口可见到闪光的小刻面。2疲劳断裂失效分析概述疲劳源区的宏观特征①疲劳源区一般位于零件表面或亚表面的应力集中处，也可能在表面20④疲劳源区往往有向外辐射的放射状疲劳台阶和放射状条纹。⑤疲劳源区看不到疲劳弧线，但像向外发射疲劳弧线的中心。从断口上氧化颜色最深的区域、最平坦、光滑的区域、应力集中的表面或缺陷处找到疲劳源区，它是放射棱线的汇聚点，疲劳弧线的发散中心。疲劳源区有时只有一个，但有时也可能有多个；有时呈点状，有时还呈线状。2疲劳断裂失效分析概述疲劳源区的宏观特征④疲劳源区往往有向外辐射的放射状疲劳台阶和放射状条纹。2疲21疲劳扩展区断面一般较平坦，与主应力相垂直；颜色介于源区与瞬断区之间；最基本的宏观形貌特征是疲劳弧线。2疲劳断裂失效分析概述疲劳扩展区的宏观特征疲劳扩展区断面一般较平坦，与主应力相垂直；2疲劳断裂失效分22宏观特征与静载拉伸断口相近，即由纤维区、放射区和剪切唇区三部分组成。

瞬断区面积的大小取决于载荷的大小、材料的性质、环境介质等因素。通常瞬断区面积越大，表示载荷越大；反之，瞬断区的面积越小，表示所受载荷越小。当疲劳裂纹扩展到应力处于平面应变状态以及由平面应变过渡到平面应力状态时，其断口宏观形貌呈现人字纹或放射条纹，当裂纹扩展到使应力处于平面应力状态时，断口呈现剪切唇状态。2疲劳断裂失效分析概述疲劳瞬断区的宏观特征宏观特征与静载拉伸断口相近，即由纤维区、放射区和剪切唇区三部23断口宏观形貌受载荷类型、应力水平和缺口严重程度的影响很大。对真实零件的疲劳失效断口，根据其宏观形貌特征可定性地推断出导致零件失效的载荷类型与大小、应力集中的程度；对旋转弯曲失效，还可推断出零件失效前的转动方向等与失效相关的信息。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口的宏观分析断口宏观形貌受载荷类型、应力水平和缺口严重程度的影响很大。224疲劳失效分析技术课件25（1）疲劳源区的微观分析确定疲劳源区的具体位置；判明主源、次源。分析源区的微观形貌特征，包括萌生处有无材质缺陷、腐蚀损伤及腐蚀产物、外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口的微观分析（1）疲劳源区的微观分析2疲劳断裂失效分析概述疲26（2）疲劳扩展区的微观分析对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带，疲劳条带的性质，疲劳条带间距变化的规律等。这些特征对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速率、载荷的性质等具有重要作用。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口的微观分析（2）疲劳扩展区的微观分析2疲劳断裂失效分析概述27疲劳条带的主要特征疲劳条带在形貌上一般具有如下主要特征：（1）疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展的方向垂直；（2）疲劳条带间距随应力强度因子幅的变化而变化，一般离源区越远，条带的间距越大；（3）一般源区附近条带特征不如扩展中后期的明显；（4）匹配断口两侧的疲劳条带特征基本对应；疲劳条带的主要特征疲劳条带在形貌上一般具有如下主要特征：28疲劳条带的主要特征（5）局部区域的条带扩展方向与裂纹的宏观扩展方向可以相同，也可以不同，甚至可能出现相反的情况；（6）疲劳断口通常由许多大小不等、高低不同的小断快所组成，各断块上的条带不连续，且不平行；（7）每一条带代表一次应力循环；（8）条带是裂纹尖端的位置。一般韧性材料容易形成疲劳条带，而脆性材料则比较困难。疲劳条带的主要特征（5）局部区域的条带扩展方向与裂纹的宏观扩29（3）瞬断区的微观分析瞬断区微观分析主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝，这有助于判断引起疲劳断裂的载荷类型。同时，从瞬断区的微观特征还可对材料的韧性进行定性的判断，为分析失效的原因提供参考。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口的微观分析（3）瞬断区的微观分析2疲劳断裂失效分析概述疲劳30首先应该在对失效件的工作情况（工况）、宏观和微观断口特征分析的基础上，初步确定其属于疲劳断裂。然后进一步分析判断其属于哪种类型的疲劳失效，即进行疲劳失效的二级模式、三级模式诊断。最后根据具体的疲劳失效类型，从设计、制造、材质和使用、维护等方面查找失效的原因，分析失效的机理，提出相应的预防措施。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路首先应该在对失效件的工作情况（工况）、宏观和微观断口特征分析31（1）参数（工况）判据力学参数应该具有交替变化的特点，且交变的应力大小应该大于材料的疲劳极限。分析一个零件的失效模式是否为疲劳断裂，首先应确定其工作条件下是否可能承受有交变应力的作用。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路（1）参数（工况）判据2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂32（2）宏观变形判据疲劳断裂属于脆性断裂的一种，在断裂位置的疲劳源区和疲劳扩展区附近没有明显宏观塑性变形。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路（2）宏观变形判据2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效33（3）断口宏观形貌特征判据断口齐平，存在疲劳弧线。一般的疲劳断口均与主应力轴垂直，断面齐平、细腻，附近没有明显的塑性变形；断口上有疲劳弧线和从疲劳源区向外发散的放射状棱线，有的源区还有疲劳台阶。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路（3）断口宏观形貌特征判据2疲劳断裂失效分析概述疲劳34（4）断口微观形貌特征判据疲劳条痕：疲劳条带、二次裂纹带、韧窝带、轮胎花样等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路疲劳条带轮胎花样（4）断口微观形貌特征判据2疲劳断裂失效分析概述疲劳35韧窝带二次裂纹带韧窝带二次裂纹带36（5）断口颜色判据疲劳区和扩展区在氧化程度上一般都略有差异。两者的光亮程度也有明显差异。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效分析思路（5）断口颜色判据2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂失效37序号内容特征1宏观特征没有明显的宏观塑性变形2应力状态交变动载荷，大于材料的疲劳极限3断口宏观形貌断口齐平、光滑，具有宏观疲劳弧线和放射棱线、有的有疲劳台阶。断口可分为源区、扩展区和瞬断区。源区一般位于零件表面应力集中处或缺陷处、内部缺陷处。4断口微观形貌疲劳条痕特征，如疲劳条带、平行的二次裂纹带、韧窝带、轮胎花样等。5断口颜色疲劳区颜色相对于瞬断区较暗，氧化较重，较光亮。6组织断口附近表面金相组织有明显的变形层7表面状态断口附近表面脆性的镀层、涂层等表面覆盖膜破裂2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂模式判据序号内容特征1宏观特征没有明显的宏观塑性变形2应力状态交变动38（1）高周疲劳与低周疲劳宏观特征

a.断口粗糙程度：与高周疲劳断口相比，低周疲劳的整个断口相对粗糙，高低不平；且随着断裂循环次数的降低，断口形貌愈来愈接近静拉伸断裂断口。而高周疲劳断口平整、光滑，宏观即可见明显的疲劳区。

b.疲劳源区：低周疲劳具有多个疲劳源点，有时还呈线状；源区间的放射状棱线（疲劳一次台阶）多而且台阶的高度差大。而高周疲劳一般只有一个疲劳源点，源区结构细腻，没有疲劳台阶。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（1）高周疲劳与低周疲劳2疲劳断裂失效分析概述疲劳二39（1）高周疲劳与低周疲劳宏观特征

c.瞬断区面积：低周疲劳的瞬断区面积所占比例大，甚至远大于疲劳裂纹稳定扩展区面积。而高周疲劳的应力相对较低，瞬断区所占面积相对较小。

d.疲劳弧线：低周疲劳的弧线间距逐渐加大，但循环次数低到一定程度时，基本见不到疲劳弧线特征；稳定扩展区的棱线（疲劳二次台阶）粗而短。高周疲劳的弧线特征与具体的工况条件有关，无统一的规律。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（1）高周疲劳与低周疲劳2疲劳断裂失效分析概述疲劳二40（1）高周疲劳与低周疲劳

微观特征低周疲劳断裂由于宏观塑性变形较大，在疲劳断裂过程中会出现静载断裂机理，在断口上出现各种静载断裂所产生的断口形态。在一般情况下，当疲劳寿命小于90次时，断口上为细小的韧窝，没有疲劳条带出现；当疲劳寿命大于300次时，出现轮胎花样；当疲劳寿命大于10000次时，才出现疲劳条带，此时的条带间距较宽，可达2～3微米/周。如果使用温度超过等强温度，还会出现沿晶断裂。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（1）高周疲劳与低周疲劳2疲劳断裂失效分析概述疲劳二41（1）高周疲劳与低周疲劳

微观特征高周疲劳断口的微观疲劳特征是细密的疲劳条带，一般间距可达1微米以下。对应力为拉-压模式的疲劳断裂，在疲劳源区及其附近，由于两断裂面之间的反复碰磨，其断裂形貌特征经常被磨损而无法看到疲劳条带特征。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（1）高周疲劳与低周疲劳2疲劳断裂失效分析概述疲劳二42（2）腐蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断裂是在腐蚀环境与交变载荷协同、交互作用下发生的一种失效模式。在机械装备中，因腐蚀疲劳而导致早期断裂失效的事例屡见不鲜。例如：起落架、机翼大梁、刹车轮毂、涡轮盘、叶片等关键部件，均曾发生过腐蚀疲劳断裂失效，有的还酿成过灾难性事故。腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（2）腐蚀疲劳断裂2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效43（2）腐蚀疲劳断裂影响腐蚀疲劳断裂过程的相关因素主要有：

a.环境因素：包括环境介质的成分、浓度、介质的酸度（pH值）、介质中的含氧量、介质的电极电位以及环境温度等；

b.力学因素：包括加载方式、平均应力、应力比、载荷波形、频率以及应力循环周次；

c.材质冶金因素：包括材料的成分、强度、热处理状态、组织结构、冶金缺陷、夹杂物等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（2）腐蚀疲劳断裂2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效44（2）腐蚀疲劳断裂腐蚀疲劳断口特征：具有疲劳断裂的一般特征，断口上有源区、扩展区和瞬断区三个特征区。腐蚀疲劳断口独特的特征：

a.断口低倍形貌呈现出明显的疲劳弧线；

b.源区与扩展区一般均有腐蚀产物覆盖，通过微区成分分析，可以测定出腐蚀介质的组分及相对含量。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（2）腐蚀疲劳断裂2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效45腐蚀疲劳断口微观形貌断口上覆盖的腐蚀产物腐蚀疲劳断口微观形貌断口上覆盖46c.腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处（包括点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等），大多数腐蚀疲劳断裂的源区可见到腐蚀损伤特征；

d.腐蚀疲劳断裂扩展区有某些较明显腐蚀特征，如腐蚀坑、泥纹花样等；

e.腐蚀疲劳断裂的重要微观特征是穿晶解理脆性疲劳条带；

f.在腐蚀疲劳断裂过程中，当腐蚀损伤占主导地位时，腐蚀疲劳断口呈现穿晶与沿晶混合型；

g.当Kmax>K1scc,在频率很低的情况下，腐蚀疲劳断口呈现出穿晶解理与韧窝混合特征。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断c.腐蚀疲劳断裂一般均起源于表面腐蚀损伤处（包括点腐蚀、晶47腐蚀疲劳断裂失效的主要判据：

a.工况判据：构件是在交变应力和腐蚀条件下工作，交变应力的频率和应力比一般处在腐蚀疲劳区内，在液态、气态和潮湿空气中有腐蚀性元素；

b.颜色判据：断裂表面颜色灰暗，无金属光泽，通常可见到较明显的疲劳弧线；

c.腐蚀产物判据：断裂表面上或多或少存在有腐蚀产物和腐蚀损伤痕迹；

d.形貌判据：疲劳条带多呈解理脆性特征，断裂路径一般为穿晶，有时出现穿晶与沿晶混合型甚至沿晶型。腐蚀产物是分析、判断失效零件工作环境和工作时间的重要依据。可以采用能谱仪、电子探针以及其它化学分析方法确定腐蚀产物的化学元素及量的分布规律。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断腐蚀疲劳断裂失效的主要判据：2疲劳断裂失效分析概述疲48（3）微动疲劳失效一构件与其它构件接触面间发生微动磨损的条件下受交变载荷作用而发生的疲劳损伤过程称为微动疲劳。它是微动磨损、氧化及腐蚀、交变应力综合作用的结果。微动磨损是微动疲劳产生的根本原因。微动疲劳也有裂纹的萌生和扩展过程，微动疲劳裂纹一般萌生于微动磨损造成的表面损伤的边界处，如皿状浅坑的边缘或微动磨损深坑的边缘。微动磨损的初期可出现多个疲劳裂纹，在扩展过程中，这些微裂纹可合并为一主裂纹并垂直于外加交变正应力而进一步扩展。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（3）微动疲劳失效2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效49（3）微动疲劳失效影响微动疲劳寿命的主要因素：配合表面之间的法向夹紧压应力、相对运动幅度、摩擦力、内应力、周围介质、相匹配面的材料等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（3）微动疲劳失效2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效50（3）微动疲劳失效微动疲劳断口特征：微动疲劳断口特征与纯机械疲劳断口相同，包括疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区；微观上有典型的疲劳条带。裂纹源区和扩展区的前期，往往可以看到腐蚀产物。微动疲劳失效的最明显特征是在断口的侧表面，即微动磨损面上有大量的微裂纹、表面金属掉块、不均匀磨损擦伤，色泽发生明显改变且有腐蚀坑。微动产生的微裂纹大多集中于微动区的边缘，大多与表面呈45度角，断口常呈杯锥状。微动损伤表面还常常可以看到层状及山丘状的塑性变形，同时还可看到由于辗压形成的微裂纹。2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效模式诊断（3）微动疲劳失效2疲劳断裂失效分析概述疲劳二级失效51导致零件疲劳失效的原因主要有四个方面：设计（包括应力集中、循环载荷水平、尺寸，选材等），制造工艺（包括表面完整性、装配等）、材质（包括化学成分、组织结构、力学性能等）使用维护（包括超载、外来损伤、腐蚀等）。在查找疲劳失效的原因时，应围绕这四个方面来寻找证据、进行分析。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析导致零件疲劳失效的原因主要有四个方面：2疲劳断裂失效分析概52（1）设计原因分析设计原因是失效原因中最难分析的原因，需要通过较精确的分析才能定量，而目前的分析水平还主要停留在定性程度，难以对应力进行定量分析；其次，疲劳一般都是从最薄弱的部位起始，疲劳源区往往存在一定程度的材质缺陷，对准确分析出失效原因具有干扰作用。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（1）设计原因分析2疲劳断裂失效分析概述疲53要查找设计方面的问题，首先应确定载荷的类型与大小。a.反复弯曲载荷引起的疲劳断裂：弯曲疲劳可分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳、旋转弯曲疲劳等。构件承受弯曲载荷时，表面承受的应力最大，中心承受的应力最小。所以疲劳核心总是在表面形成，然后沿着最大正应力相垂直的方向扩展。当裂纹达到临界尺寸时，构件迅速断裂，因此，弯曲疲劳断口一般与其轴线成90度。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析要查找设计方面的问题，首先应确定载荷的类型与大小。2疲劳断54b.拉——拉（压）载荷引起的疲劳断裂:承受拉—拉（压）交变载荷时，应力沿整个零件的横截面均匀分布，疲劳源位置取决于各种缺陷在零件中的分布状态及环境因素的影响，既可以在零件的外表面，也可以在零件的内部。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析b.拉——拉（压）载荷引起的疲劳断裂:承受拉—拉（压）交变55c.扭转载荷引起的疲劳断裂:

轴类零件在工作过程中经常会承受交变扭转应力的作用，从而可能产生一种特殊的扭转疲劳断口——锯齿状断口。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析c.扭转载荷引起的疲劳断裂:2疲劳断裂失效分析概述56其次，要判断载荷的来源是否正常，大小是否超出设计范围。对转动部件，振动是无法避免的，但工作转速下的共振是设计时必须避免的。如果从断口判断出该零件承受了设计应该避免的振动载荷，说明设计不当是失效的主要原因，需从设计方面进行详细的分析。对重复性的故障，如排除了制造上的批次问题，一般与设计不当有关。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析其次，要判断载荷的来源是否正常，大小是否超出设计范围。2疲57常见的导致失效的设计原因有：①设计载荷不准确。主要表现为载荷考虑不全（应力估算不足），载荷变动分析不够，计算假定中出现误差，致使实际工作载荷超过设计载荷，材料在正常工况下也无法承受工作载荷而失效。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因有：2疲劳断裂失效分析概述58常见的导致失效的设计原因有：②设计结构不合理。主要表现为零件几何形状设计不当，出现剖面突变或尖角面，导致这些部位承受较大的应力集中，超过材料的强度极限，从而过早地萌生裂纹而失效。如过渡部位没有圆角R或R角太小，主要受力部位存在缺口效应等，使得零件的应力集中大，局部应力水平高，疲劳裂纹提前萌生。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因有：2疲劳断裂失效分析概述59常见的导致失效的设计原因有：③设计选材不当。主要表现为选用材料的性能不能满足使用要求。在实际失效分析中，设计选材不当导致断裂失效，经常遇到的是所选材料的主要抗力指标与实际损伤模式不符合，致使材料的性能指标在该强的方面不强，不能满足使用的需求。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析常见的导致失效的设计原因有：2疲劳断裂失效分析概述60（2）材质原因分析失效的材质原因直接表现为与零件失效模式对应的材料力学性能不符合设计要求，如与疲劳断裂失效对应的材料疲劳强度低，与拉伸过载断裂对应的材料抗拉强度低等。常见的与疲劳失效有关的材质原因有：材料的化学成分不合格，热处理制度或工艺不当，金相组织不符合要求，存在冶金缺陷。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（2）材质原因分析2疲劳断裂失效分析概述疲61（3）制造工艺原因分析常见的影响零件疲劳强度的制造工艺缺陷有：①铸造工艺过程中产生的气孔、梳松和缩孔、裂纹、夹渣、飞边、流痕、比重偏析、共晶偏析等。②锻造工艺过程中产生的裂纹、折叠、结疤、层状断口、非金属夹杂、铝合金氧化膜、白点、粗晶环、过热、过烧、脱碳、增碳、加热不足引起心部开裂、晶粒不均匀、冷硬现象等。③切削加工过程中产生的尺寸超差、表面粗糙度差、毛刺、划伤、啃刀、表面烧伤、裂纹、刀痕等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（3）制造工艺原因分析2疲劳断裂失效分析概述62（3）制造工艺原因分析④冷加工工艺过程中产生的划痕、锈蚀、球化退火不足、带状组织、晶粒粗大或粗细不均、性能不合格、冲模错位，裂纹、压痕、端面鼓起或不平、存在挠度、曲度等。⑤热处理工艺过程中产生的过热、过烧、氧化、脱碳、机械性能不合格、软点、变形与裂纹、硬度过高、过共析钢网状碳化物、石墨化、压共析钢魏氏组织、铁素体晶粒粗大、硬度不足、淬火不完全、表面脱碳、表面腐蚀、回火脆性等2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（3）制造工艺原因分析2疲劳断裂失效分析概述63（3）制造工艺原因分析⑥表面处理工艺过程中产生的镀层结合力差、起泡、发脆、脱落、发暗、麻点表面，渗层硬度不足、表面网状或粗大块状、爪状碳化物、氮化物、渗层过深、不足或不均匀、表面网状屈氏体组织、黑色斑点状组织、心部硬度超差、零件变形与开裂、渗层脆性和剥落等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（3）制造工艺原因分析2疲劳断裂失效分析概述64（3）制造工艺原因分析⑦焊接装配工艺过程中产生的焊缝尺寸偏差、咬边、焊瘤、弧坑、烧穿、焊漏、气孔夹渣、未焊透、裂纹，焊点及焊缝位置不正、形状不正、压痕过深、过热、烧伤、裂纹、未焊透或核心小、缩孔、内部飞溅、熔透过大、接头变脆、接头不气密，间隙未填满、气孔、钎缝表面粗糙、夹杂物、裂纹、钎料侵蚀金属表面等。⑧装配：强行装配、装配应力大等。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（3）制造工艺原因分析2疲劳断裂失效分析概述65（4）使用维护原因分析导致断裂失效的使用维护原因一般表现为超过设计限制使用、维护不当造成损伤和环境侵蚀。①超设计限制使用原因：按应力－强度干涉模型，失效是零件所受外力超过材料相应强度的结果。使用限制是根据材料的强度、一定的安全储备及零件工况可导致的应力制定的。如果超过设计限制使用，必将使零件所承受的应力升高，就有可能使零件承受的应力超过材料的强度而使零件失效。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（4）使用维护原因分析2疲劳断裂失效分析概述66（4）使用维护原因分析②使用维护原因：使用维护的目的是保证零件能够正常工作，防止发生意外损伤。由于维护一般需要对零件进行拆装，就有可能在重新装配时，其状态与制造状态不一致，并带来额外的损伤、附加的应力等，从而导致零件的失效。由于使用中维护不当导致的疲劳失效，一般在失效件上或失效系统中均可找到一定的证据。如发动机叶片被打伤，疲劳裂纹从打伤处萌生，并最终导致叶片疲劳断裂失效，在疲劳源区就可以找到伤痕。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（4）使用维护原因分析2疲劳断裂失效分析概述67（4）使用维护原因分析③环境侵蚀原因：机械失效中的环境原因主要有两方面，一是腐蚀介质作用，二是温度效应。腐蚀介质可使材料与环境之间发生有害的化学或电化学作用，引起表面腐蚀损伤，疲劳裂纹从腐蚀处萌生，导致疲劳断裂失效；腐蚀也可与应力同时作用，导致腐蚀疲劳失效。环境温度的作用主要是降低材料的疲劳强度，导致零件的提前疲劳失效。2疲劳断裂失效分析概述疲劳失效原因分析（4）使用维护原因分析2疲劳断裂失效分析概述68疲劳断口定量分析：主要是指对疲劳断口上的疲劳断裂形态，包括疲劳源点、疲劳弧线、疲劳台阶、疲劳条带等的位置、数量、间距及疲劳源数量、扩展区、瞬断区面积的大小等进行量化、测量与计算，并据此来反推引起疲劳断裂的相关因素及断裂过程的顺序、应力大小、疲劳扩展与萌生寿命等。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析疲劳断口定量分析：主要是指对疲劳断口上的疲劳断裂形态，包括疲69理论依据宏观上的每一条疲劳弧线相当于裂纹扩展过程中载荷或应变发生一次大的改变；微观上的每一疲劳条带则相当于载荷或应变的一次循环。准确地确定何种疲劳条带与何种载荷之间具有对应关系是断口定量分析的关键所在。疲劳断口的形貌特征及扩展区、瞬断区的大小与疲劳应力幅之间具有定量关系。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析理论依据2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量70Paris公式，适用于高循环低应力的高周疲劳，是目前高周疲劳断口寿命反推估算的基础。Paris公式的基本形式：da/dN=c(△k)m

da/dN――裂纹扩展速率△k――应力强度因子范围（△k＝△kmax－△kmin）c、m――常数。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析Paris公式，适用于高循环低应力的高周疲劳，是目前高周疲劳71目前，研究中用得最多的仍是Paris公式。目前最重要和最有价值的是利用疲劳断口参数估算寿命。利用疲劳断口弧线、条带间距反推疲劳寿命已成功地应用于以下几个方面：①低周疲劳寿命估算②恒载与谱载下的疲劳寿命估算；③起源于先天性“裂纹”或缺陷的高周疲劳寿命估算。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析目前，研究中用得最多的仍是Paris公式。2疲劳断裂失效分72疲劳断口特征与载荷历程对应关系的确定疲劳断裂是一个过程，构件在疲劳交变载荷作用下，将萌生疲劳裂纹，并扩展。一般交变载荷循环一次，裂纹将向前扩展相应的量，并停顿；如此往复，裂纹将反复扩展、停顿，在断口上留下相应的一系列痕迹。我们最常见的疲劳弧线、条带就是这种特征痕迹。它们的一些量的东西，如数量、间距、方向等就反应了应力水平、循环数量、寿命、裂纹的扩展速率等。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析疲劳断口特征与载荷历程对应关系的确定2疲劳断裂失效分析概述73工作载荷与断口特征的对应关系

1）颜色、成分与工作历程、时间的对应关系断口暴露的时间越长，颜色上的差异越大。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析工作载荷与断口特征的对应关系2疲劳断裂失效分析概述74在化学处理过程的前后，断口上颜色出现突变。裂纹不同长度部位暴露的时间不同，其表面的化学成分也会表现出明显的差异。从断口颜色、成分的差异来判断裂纹萌生的时间应该与使用历程、使用条件联系起来。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析在化学处理过程的前后，断口上颜色出现突变。2疲劳断裂失效分752）宏观上的对应关扩展区与瞬断区交界线对应构件瞬时断裂时的寿命点。每一条宏观疲劳弧线对应裂纹扩展中载荷或应变的一次大的改变（如载荷谱的加载、环境条件等的改变）。对载荷谱试验，分析对比载荷谱特点及断口特征，也可确定相应的对应关系。测量疲劳弧线的数量、间距就可以确定载荷的变化次数和大小。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析2）宏观上的对应关2疲劳断裂失效分析概述疲763）微观上的对应关系疲劳断口的微观特征主要是疲劳条带。理论依据：每一疲劳条带相当于载荷或应变的一次循环。从微观上反推疲劳裂纹扩展寿命可利用的主要数据是疲劳条带间距。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析3）微观上的对应关系2疲劳断裂失效分析概述77疲劳弧线或疲劳条带间距的测定方法一般采用实体光学显微镜、扫描电子显微镜或透射电子显微镜，沿着主裂纹扩展的方向，在一定放大倍数下测量。疲劳条带间距存在一定的分散性，测量时应取一定范围内的平均值作为某一点的间距。用扫描电镜测量条带间距时，应进行相应的角度修正和投影修正。透射电子显微镜测出的条带间距一般与真实疲劳条带的平均间距较为接近，一般不需修正。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析疲劳弧线或疲劳条带间距的测定方法2疲劳断裂失效分析概述78断口反推疲劳裂纹扩展速率的基本方法若令每一载荷循环下的疲劳裂纹扩展量为u，则

u=da/dN或dN=da/u

式中：a－裂纹长度；N－循环次数。在断口上测得若干离源区不同距离的裂纹ai处的疲劳弧线、条带间距间距，作出每一载荷循环下的裂纹扩展量与裂纹长度相互关系的曲线，就可求得疲劳裂纹扩展寿命Np。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析断口反推疲劳裂纹扩展速率的基本方法2疲劳断裂失效分析概述79利用断口反推计算疲劳裂纹扩展寿命的关键是得出疲劳裂纹扩展速率da/dN的数学表达式。当构件承受一稳定的交变载荷时：da/dN=c(△K)mda/dN=0（△K<△Kth）对于随机载荷目前尚未有描述裂纹扩展速率的数学表达式，应该根据实际情况分析随机载荷的一般规律，进而建立相应的裂纹扩展速率的数学模型。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析利用断口反推计算疲劳裂纹扩展寿命的关键是得出疲劳裂纹扩展速率80断口反推疲劳寿命中，应按如下步骤进行。①断口分析②载荷、历程分析③确定载荷与断口特征的关系④数据获取⑤对数据的拟合、估算2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析断口反推疲劳寿命中，应按如下步骤进行。2疲劳断裂失效分析概81小结：利用疲劳断口形貌反推失效件裂纹扩展寿命，首先应通过对失效件断口和履历、载荷分析，确定断口形貌与载荷谱间的对应关系，并从断口上实测出不同裂纹长度处对应的裂纹扩展速率da/dN；然后根据测得的一组数据绘制裂纹长度与谱循环数（或与循环次数）的关系曲线，即疲劳裂纹扩展曲线；最后，对实测曲线拟合，将其反推至整个裂纹扩展区，并以此求得整个断口的裂纹扩展速率、扩展寿命。在反推过程中应以分析确定的特征寿命点来验证计算结果，以提高反推的准确性。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析小结：利用疲劳断口形貌反推失效件裂纹扩展寿命，首先应通过对失82断口反推疲劳原始质量按照损伤容限理论，结构件在服役前均带有初始裂纹或缺陷，由该裂纹或缺陷扩展达到临界裂纹的寿命即为结构的总寿命。这些存在于零件中的初始缺陷对疲劳寿命的影响可等效为一当量裂纹长度，称为当量初始裂纹a0，可作为表征零件质量的参量（当量初始质量），对疲劳断裂失效，则称为原始疲劳质量a0i。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析断口反推疲劳原始质量2疲劳断裂失效分析概述83利用断口形貌反推零件当量初始质量的原理、方法和步骤：①断口分析，确定断口形貌与载荷谱之间的对应关系，从断口上实测出对应于每次载荷循环数的裂纹长度。②根据测得的数据绘制疲劳裂纹扩展曲线。③拟合实测曲线，并将与其相吻合的裂纹扩展规律反推至时间为零，即N=0，此时对应的裂纹长度即为该零件的a0i。④对同类零件的a0i进行统计分析，根据a0i的分布密度确定规定概率下同类零件的a0i。需要说明的是，a0i仅是损伤容限设计中使用的一个参考值，是零件在服役前的内部各种缺陷、表面加工缺陷及表面非完整性因素等对疲劳寿命影响的一个综合反映参考量。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析利用断口形貌反推零件当量初始质量的原理、方法和步骤：2疲劳84疲劳断口反推失效构件的应力（1）从裂纹长度及瞬断区大小反推构件疲劳应力水平构件疲劳裂纹临界长度ac与最大交变应力σmax关系：

KⅠ＝σmaxY（πa）1/2

当发生快速断裂时，KⅠ＝KⅠc，a＝ac，σ＝σc，则有

KⅠc＝σcY（πa）1/2

材料一定的情况下，有

Logσc∝-Logac

由试验测得一系列ac－σc数据，拟合求得关系式，将失效件的值代入即可估算出失效件所承受的疲劳应力水平。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析疲劳断口反推失效构件的应力2疲劳断裂失效分析概述85疲劳瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断区，其面积大小一般认为受材料的断裂韧性KⅠc控制。因为ac与瞬断区面积是相关的，因此通过试验测得一系列的A－σc数据，拟合求得关系式，将失效件的值代入也可估算出失效件所承受的疲劳应力水平。必须注意的是，以上方法只能求得疲劳载荷的最大应力水平，但不能推算疲劳载荷的范围。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析疲劳瞬断区是疲劳裂纹达到临界尺寸后发生的快速破断区，其面积大86（2）利用疲劳条带间距反推失效件的疲劳应力疲劳裂纹扩展的第二阶段的速率可用Paris公式表达：da/dN=c(Y△σπ0.5)m×am/2

由断口反推求得疲劳裂纹扩展速率（da/dN）sx～a，用试样模拟同材料疲劳裂纹扩展速率（da/dN）sy～△K，求得材料常数c、m，在裂纹稳定扩展阶段，则有：

若已知Ysx的表达式或数值解，则可求得△σsx。

2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析（2）利用疲劳条带间距反推失效件的疲劳应力2疲劳断裂失效分87对一些形状及受力均复杂的大型构件，Ysx难以用表达式来表达，则可用与失效件等同的模拟试验件进行疲劳试验，求得（da/dN）sy～a，则有：

若知道实际构件所承受的应力比R＝σmin/σmax，则可求得

σmax＝△σmax/(1-R)。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断口定量分析对一些形状及受力均复杂的大型构件，Ysx难以用表达式来表达88广义地讲，失效是零件（材料）不能抵抗外来载荷作用的结果，即抗力小于外力的结果。疲劳断裂失效是零件（材料）的疲劳强度小于交变载荷的结果。预防疲劳断裂失效只能从两方面入手，一方面要提高零件（材料）的疲劳强度，另一方面要降低交变载荷。具体来说，应从设计、材质、制造工艺和使用等四个环节来采取措施。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂的预防广义地讲，失效是零件（材料）不能抵抗外来载荷作用的结果，即抗89疲劳设计从设计上预防疲劳断裂失效的主要方法就是要尽量降低设计载荷，避免产生异常应力。从零件的各种结构因素来看，结构布局引起的应力集中对局部疲劳载荷的影响最大。危险截面的应力集中往往可导致零件的提前疲劳失效。通过合理的布局来降低或改善上述部位的应力集中。通过合理的结构设计，可以使零件上某些部位的应力集中得到缓和，零件的疲劳抗力得以提高。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂的预防疲劳设计2疲劳断裂失效分析概述疲劳断90零件选材机械零件的功能都是靠材料来保证的，零件的失效归根到底都是材料的失效。设计中，应根据零件承受的循环载荷方式、载荷水平、工作环境以及服役寿命等来选择适宜的材料。选择的材料应在服役条件下具有较好的性能。2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂的预防零件选材2疲劳断裂失效分析概述疲劳断912疲劳断裂的预防制造工艺制造工艺是决定零件是否发生疲劳失效的关键环节。制造工艺改变是预防疲劳失效最易实现、最经济、途径最多的一个环节。任何改善表面完整性的工艺，一般都可以提高零件的疲劳强度。（1）提高表面光洁度（2）表面淬火（3）表面化学热处理（4）表面形变强化2疲劳断裂的预防制造工艺92使用维护尽量降低作用于零件上的载荷；尽量保持零件表面的完整性，不降低零件本身的疲劳抗力。（1）控制使用载荷，降低零件承受的应力水平和应力循环数（2）保持表面的完整性，防止意外损伤（3）改善使用环境，尽量减少环境的侵蚀2疲劳断裂失效分析概述疲劳断裂的预防使用维护2疲劳断裂失效分析概述疲劳断93发动机叶片疲劳失效分析

1发动机叶片的特点2叶片的结构与选材3叶片的工作环境和受力分析4压气机叶片常见的疲劳失效模式、特点与规律5涡轮叶片常见的疲劳失效模式、特点与规律3疲劳失效案例分析发动机叶片疲劳失效分析1发动机叶片的特点3疲劳失效案94二、叶片的结构与选材压气机转子叶片的安装方式一般有销钉固定式（实根榫头）、锁板固定式（枞树形榫头）和锁片与螺钉固定式（燕尾形榫头）等三种二、叶片的结构与选材压气机转子叶片的安装方式一般有销钉固定式95二、叶片的结构特点与选材压气机叶片制造用材料：铝合金钛合金马氏体型不锈钢耐热钢制造工艺：锻造或铸造现代高推重比发动机大多采用钛合金制成。二、叶片的结构特点与选材压气机叶片制造用材料：96二、叶片的结构特点与选材涡轮叶片制造用材料：变形高温合金普通铸造高温合金定向凝固高温合金单晶高温合金制造工艺：模锻与铸造现代高推重比发动机大多采用定向凝固和单晶高温合金制造。二、叶片的结构特点与选材涡轮叶片制造用材料：97三、叶片的工作环境和受力分析

工作环境（1）气流冲刷和外来物撞击。压气机叶片承受由进气道引入的高速气流的冲刷，以及气流中的尘土、砂石和其它外来物的撞击。（２）大气腐蚀。工作时，气流中的腐蚀介质高速冲刷表面造成冲蚀损伤；停放时，腐蚀性的大气环境也可对表面造成腐蚀损伤。（３）温度作用。压气机后几级的温度最高可达300～500℃；涡轮叶片的温度可达大多在1000℃以上。（4）振动。工作中叶片都要经受特定转速下的强迫振动或自激振动引起的共振、喘振和颤振，从而使叶片承受振动交变载荷的作用。三、叶片的工作环境和受力分析工作环境98三、叶片的工作环境和受力分析

叶片的受力转子叶片工作时高速旋转，承受自身离心拉应力及离心弯矩、气动应力及气动弯矩、热应力和振动交变应力等几类力的作用。其中叶片自身质量在旋转时产生的离心力，是转子叶片工作时承受的最大、最主要的应力；弯曲应力是气流冲击叶片时产生的，一般还伴随有扭转应力。离心力和气动力较大，是叶片受力的主要组成部分。三、叶片的工作环境和受力分析叶片的受力99三、叶片的工作环境和受力分析

叶片截面上的进气边、叶背和排气边等A、B、C三点是同一截面上总应力最大的点三、叶片的工作环境和受力分析叶片截面上的进气边、叶背和排气1004.1共振疲劳断裂失效4.1.1失效机理与失效条件当激振频率与叶片本身的自振频率基本一致或成倍率关系时，叶片就会发生共振。叶片能否发生共振，需要满足两个条件：首先是要有一个合适的激振源，有足够的能量能够引起叶片振动；其次是激振频率与叶片的自振频率具有倍数关系。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.1共振疲劳断裂失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点1014.1共振疲劳断裂失效4.1.2失效特点和规律（1）失效的数量多；（2）各次失效发生的规律性强；如裂纹萌生的部位、高度，裂纹的走向等均基本相同。（3）裂纹断口均具有高周疲劳断裂的性质；（4）裂纹萌生的时间与寿命无明显的对应关系；（5）从裂纹萌生到断裂均有一个或长或短的时间过程；（6）源区一般位于进、排气边或叶背应力较大处；（7）每台发动机一般只有孤立的1～2片叶片出现故障。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.1共振疲劳断裂失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点102（1）失效数量多往往是多台发动机、多个服役单位多次重复发生。（2）各次失效发生的规律性强如裂纹萌生的部位、高度，裂纹的走向等均基本相同。（1）失效数量多（2）各次失效发生的规律性强103（3）裂纹断口均具有高周疲劳断裂的性质一般断口细腻、平整，宏观可分为疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区三部分；一般疲劳区面积大，源区只有一个疲劳源点；疲劳源区附近的条带特征不明显，但扩展中、后期可见明显的微观疲劳条带特征；扩展区可见疲劳弧线和放射棱线，微观上有细密的疲劳条带，且条带的间距小。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

（3）裂纹断口均具有高周疲劳断裂的性质四、压气机叶片常见的失104（4）裂纹萌生的时间与寿命无明显的对应关系可以在早期，也可以在修理后，但与共振转速下的工作时间有关。如上述某发动机的一级压气机叶片叶根延伸段断裂故障，最短的只有十几个小时就出现了裂纹，而最长的则有400多小时。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

（4）裂纹萌生的时间与寿命无明显的对应关系四、压气机叶片常见105（5）从裂纹萌生到断裂均有一个或长或短的时间过程由于该类失效属于疲劳性质，裂纹的扩展有一个过程，因此，从裂纹萌生到断裂就有一个过程，可以采取一定的措施进行检查监控，如无损检测等。

四、压气机叶片常见的失效模式与特点

（5）从裂纹萌生到断裂均有一个或长或短的时间过程四、压气机叶106（6）源区一般位于进、排气边或叶背应力较大处也可能在存在明显材质、腐蚀或打伤的其它位置。裂纹源区的位置主要与叶片故障共振振型节线位置及是否存在缺陷和缺陷的位置有关。

四、压气机叶片常见的失效模式与特点

（6）源区一般位于进、排气边或叶背应力较大处四、压气机叶片常107（7）每台发动机一般只有孤立的1～2片叶片出现故障。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

（7）每台发动机一般只有孤立的1～2片叶片出现故障。四、压1084.1共振疲劳断裂失效4.1.3失效原因导致压气机叶片共振疲劳断裂的主要原因均与设计有关。压气机叶片常见的、比较危险的共振振型主要一阶弯曲、二阶弯曲、三阶弯曲和一阶扭转、二阶扭转等五种。常用转速下的共振是设计中需要避开的。如果发生共振，叶片在正常较大离心载荷、气动载荷的基础上还要承受较大的振动载荷，即使振动载荷的数值有时不是很大，但频率一般较高，短时间内就可导致疲劳裂纹萌生。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.1共振疲劳断裂失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点1094.1共振疲劳断裂失效4.1.3失效原因共振疲劳断裂部位一般在叶片的最大应力截面（与振型有关），最大应力位置一般在振动节线位置。一阶弯曲振动，最大应力截面在根部；随弯曲振动的阶次升高，最大应力截面向叶尖移动；弯曲振动的断口走向均与叶片的节线基本一致，通常为一直线。扭转振型和复合振型的最大应力截面，也随振型的阶次升高而向叶尖上移动，但其断口走向是先平后翘。在失效分析中，可根据叶片断裂的位置以及裂纹的走向，可基本判断叶片共振失效的振型。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.1共振疲劳断裂失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点1104.3腐蚀失效主要是指腐蚀（坑）诱发的疲劳失效。其根本原因不是腐蚀，腐蚀只是诱发裂纹提前萌生；裂纹萌生部位应是危险部位或振动节线附近，失效部位本身就存在失效的很大可能。对根本原因是腐蚀的疲劳失效，腐蚀坑的尺寸较大，也不在危险截面。腐蚀失效源区均可找到腐蚀形貌和腐蚀产物，如沿晶特征、泥纹花样等；可测到腐蚀产物成分，如S、Cl、O等。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.3腐蚀失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点111

腐蚀坑诱发疲劳断裂失效腐蚀坑诱发疲劳断裂失效1124.4材质缺陷失效一般材质缺陷引起的失效均是由缺陷引发疲劳裂纹萌生，并最终导致叶片的疲劳断裂。对于由材质缺陷引起的疲劳断裂失效，在裂纹源区均可找到明显的材质缺陷，如疏松、夹杂、折迭等，结合其它分析手段可较准确地判断出缺陷的性质和种类。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.4材质缺陷失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点1134.4材质缺陷失效下图是一发动机叶片由折迭引发疲劳断裂，黑色区为折迭。该叶片模锻时，在叶背形成了此折迭，使用中从折迭处萌生疲劳裂纹，导致了叶片疲劳断裂。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.4材质缺陷失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点1144.5微动损伤疲劳失效叶片产生磨损的部位只有与盘榫槽接触的榫头部位。气流扰动与振动使叶片与盘榫槽间产生微小相对滑动引起微动磨损，导致疲劳裂纹的萌生。微动损伤引起疲劳断裂一般特征：（1）断裂位置在叶片榫头上；（2）断口具有高周疲劳断裂的宏、微观特征；（3）疲劳裂纹起始于叶片榫头侧表面、榫头与榫槽配合界线；（4）榫头侧面有轴向不均匀微小磨痕、塑变痕迹和平行于断面的微裂纹等微动损伤特征，有时还可见高温变色、金属磨屑。四、压气机叶片常见的失效模式与特点

4.5微动损伤疲劳失效四、压气机叶片常见的失效模式与特点115举例：某发动机压气机叶片榫头断裂故障：断裂位置均在盘榫槽接触线附近工作面上。断口性质高周疲劳断裂；起源于叶背侧的榫头工作面；源区无材质及腐蚀、损伤缺陷；源区榫头工作面均有与叶片轴向平行的摩擦损伤痕迹和塑性变形痕迹。这些特征均与微动损伤引起的疲劳断裂失效的特征一致，因此，分析认为微动损伤是导致这几次故障的原因。

四、压气机叶片常见的失效模式与特点

举例：四、压气机叶片常见的失效模式与特点116

源区下叶盆面微裂纹上图放大源区下叶盆面微裂纹117涡轮叶片常见的失效模式可分为以下主要类型：疲劳断裂失效腐蚀失效材质缺陷失效蠕变失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

涡轮叶片常见的失效模式可分为以下主要类型：五、涡轮叶片常见的1185.1疲劳断裂失效变形高温合金的疲劳断裂失效普通铸造高温合金的疲劳断裂失效定向凝固高温合金的疲劳断裂失效单晶高温合金的疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

5.1疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点1195.1.1变形高温合金的疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

5.1.1变形高温合金的疲劳断裂失效五、涡120疲劳失效分析技术课件121疲劳失效分析技术课件1225.1.2普通铸造高温合金的疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

5.1.2普通铸造高温合金的疲劳断裂失效五123宏观上，整个断口基本垂直于叶片表面。断口分为疲劳区和瞬断区两部分：疲劳区位于断口中部，已穿透叶片中部，面积70%。疲劳区两侧为瞬时断裂区，其面积约占整个断口面积的30%。五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

宏观上，整个断口基本垂直于叶片表面。五、涡轮叶片常见的失效模124疲劳裂纹起始于叶背中部高点疲劳裂纹起始于叶背中部高点125起始区有一0.66mm×0.52mm的方形光滑小平面，该小平面高约0.31mm，与叶片轴线呈约45度角。起始区有一0.66mm×0.52mm的方形光滑小平面，该小平126疏松的尺寸为105μm×57μm。疏松的尺寸为105μm×57μm。127起始区小平面上有较多的富含Ti元素、尺寸在3μm左右的碳化物显微颗粒。起始区小平面上有较多的富含Ti元素、尺寸在3μm左右的碳化物128疲劳条带、平行二次裂纹细密，间距在0.7μm左右疲劳条带、平行二次裂纹细密，间距在0.7μm左右129疲劳区与瞬断区交界明显，瞬断区附近的疲劳条带细密，间距在1.4μm左右。疲劳区与瞬断区交界明显，瞬断区附近的疲劳条带细密，间距在1.1305.1.3定向凝固高温合金的疲劳断裂失效

五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

5.1.3定向凝固高温合金的疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的131疲劳失效分析技术课件132疲劳失效分析技术课件1335.1.4单晶高温合金的疲劳断裂失效五、涡轮叶片常见的失效模式与特点

5.1.4单晶高温合金的疲劳断裂失效五、涡134疲劳失效分析技术课件135发动机压气机四级盘轮缘破裂

故障分析

Failureanalysisofthefourthcompressorpansinaero-engines某发动机连续发生六起压气机四级盘轮缘破裂故障，严重危及飞行安全。对六起故障的综合分析表明，这些故障属于高周机械疲劳的失效模式，轮盘高阶复合振动是造成其疲劳破裂的内在原因；表面加工缺陷是该故障的诱发因素。排除此故障的根本途径是更改四级盘的设计。发动机压气机四级盘轮缘破裂

故障分析

Failureana1361.2断口特征宏观特征：断口具有明显的疲劳区和瞬断区；疲劳弧形区断面光滑、平坦，可见明显的疲劳弧线；瞬断区断面与辐板约成45度角。疲劳区裂纹扩展不对称，源区向轮盘旋转方向一侧扩展短，向相反方向扩展长。断口的宏观特征表明，疲劳区面积较大，疲劳扩展充分。疲劳源区：所有疲劳区均起源于辐板与轮缘转接处表面；所有疲劳区均起源于前端面。1.2断口特征宏观特征：断口具有明显的疲劳区和瞬断区；疲劳137图2典型断口形貌图2典型断口形貌138图3疲劳起始区图3疲劳起始区139图4疲劳源区图4疲劳源区140疲劳扩展区：疲劳弧线明显，疲劳条带细密，具有典型高周疲劳的特征。

图5疲劳条带疲劳扩展区：疲劳弧线明显，疲劳条带细密，具有典型高周疲劳的特141断裂性质：事故盘的断口均具有高周机械疲劳断裂性质。在断裂源区均未发现与断裂有直接对应关系的冶金和材质缺陷。断裂性质：事故盘的断口均具有高周机械疲劳断裂性质。1421.3材质检验四级盘材料为1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢。对故障盘进行材质检查，化学成分均合格；金相组织均正常，为回火马氏体；硬度均在HBd=3.25～3.3之间，符合图纸规定的HBd=3.15～3.45的要求。1.3材质检验四级盘材料为1Cr11Ni2W2MoV马氏体1431.4加工质量检查测量故障盘断口下辐板厚度，除1个盘辐板厚度仅3.33mm，存在明显的凹陷外，其它四个盘的辐板厚度均在4.4mm左右，符合图纸要求。辐板面光洁度均基本符合要求。其中一个故障盘已贯彻打磨、抛光措施，光洁度高。其它四个故障盘的疲劳源区所在的辐板前端面与轮缘R3转接处转接均不圆滑，存在明显过渡交线。1.4加工质量检查1442断裂失效模式分析故障盘特征基本相同，其疲劳区附近均没有明显的塑性变形，断口细腻、平整，源区未损伤的两个盘的疲劳源均属于点源，疲劳扩展区条带细密。从以上宏观、微观特征分析，这四起事故的盘均属于高周机械疲劳失效模式。2断裂失效模式分析故障盘特征基本相同，其疲劳区附近均没有明1453破裂原因分析3.1四级盘结构四级盘的结构简图如图7所示。3破裂原因分析3.1四级盘结构146图7四级盘结构简图图7四级盘结构简图1473.4原因分析从六起四级盘故障的统计规律可以看出，该故障与发动机寿命大小、是否进行过修理及修理的次数多少、使用单位等没有直观的关系，说明导致四级盘振动的原因主要与设计和制造两方面因素有关。3.4原因分析148图8四级盘受力示意图图8四级盘受力示意图149四级盘正常工作时，轮缘与辐板过渡处主要承受离心力、热应力、气动扭矩、气动弯矩、预紧力、振动负荷及加工残余应力和装配应力等应力的作用。四级盘的断裂性质为高周机械疲劳，是在离心应力上附加有振动应力的结果。四级盘是一悬臂梁结构，模态阻尼小，较小的激振力就可引起共振，从而在“R3”转接处产生较大的振动应力。台架测试结果表明，在发动机转速n1=96%～97%，n2=97%～98%时，四级盘有一振型为2节园12节径的后行波高阶复合振型的共振点。六起故障的规律表明，四级盘辐板与轮缘转接处是一设计上的薄弱环节，共振时容易在此处萌生疲劳裂纹。因此，共振是导致该四级盘轮缘处破裂的根本原因。四级盘正常工作时，轮缘与辐板过渡处主要承受离心力、热应力、气150从故障盘寿命分布看，3号盘辐板存在严重凹陷（辐板厚度仅3.33mm），其使用寿命最短，仅45小时；5号盘在大修时对轮缘“R3”与辐板转接部位进行了打磨、修理，将加工质量对疲劳萌生的影响降低到了很小的程度，其寿命是6个故障盘子最长的；说明表面加工缺陷是导致四级盘疲劳破裂的诱发因素。受力分析表明，不论在正常工作条件下，还是在振动情况下，四级盘前端面转接圆角处的应力均远小于后端面，且都低于材料的疲劳极限；而故障盘裂纹大多萌生于前端面表面，这说明故障盘前端面存在有不正常因素。从故障盘寿命分布看，3号盘辐板存在严重凹陷（辐板厚度仅3.3151疲劳萌生应力较大，且主要存在于裂纹萌生表面。导致裂纹萌生的不正常因素是加工引起来的----加工尺寸超差和残余应力。前端面裂纹处转接存在不圆滑现象，引起的应力集中系数仅为1.12，不足以引起裂纹的萌生。残余应力测试，辐板面上残余应力为-487MPa，轮缘与辐板连接的“R3”圆弧处为-262MPa，而与裂纹萌生位置对应的“R3”与辐板转接处仅为-21MPa。综合以上的分析可以说明，故障盘裂纹萌生处由于没有残余压应力（而其它位置都有较大的残余压应力），相对来说就是一薄弱部位，转接不圆滑引起的应力集中，诱发裂纹从前端面辐板与轮缘“R3”转接处表面萌生。疲劳萌生应力较大，且主要存在于裂纹萌生表面。152裂纹萌生以后，由于盘在工作中的振动，导致了裂纹的高周疲劳扩展。工作叶片受到的气动周向力使盘转动，并在轮盘上产生扭矩，使沿盘转动方向的裂纹尖端闭合，而相反方向的裂纹尖端张开，因此使裂纹扩展不对称，顺盘旋转方向扩展较小，而沿相反方向扩展较大。裂纹萌生以后，由于盘在工作中的振动，导致了裂纹的高周疲劳扩展1534结论（1）某型发动机压气机四级盘破裂故障性质为高周机械疲劳。（2）四级盘高阶复合振动是造成这类疲劳断裂的根本原因；表面加工缺陷是导致该故障发生的诱发因素。4结论（1）某型发动机压气机四级盘破裂故障性质为高周机械疲154改进措施导致四级盘轮缘破裂的设计原因是四级盘存在共振点，轮缘与辐板转接处是一疲劳薄弱点，加工缺陷对疲劳的发生主要起诱发作用。打磨修理，提高轮缘处的加工质量虽然对避免疲劳裂纹的萌生有一定的作用，但还不能从根本上避免该故障，因此更改设计应该是防止该故障重复发生的根本措施。但在更改设计时应该慎重，需要充分地试验。特别是新设计的四级盘应能在批生产中保证有足够的共振裕度。改进措施导致四级盘轮缘破裂的设计原因是四级盘存在共振点，轮缘155发动机煤油软管爆破分析１．爆破软管的外观检查２．爆破软管解剖检查３．胶层断口分析４.软管爆破失效的过程分析5.软管疲劳失效原因分析6.结论发动机煤油软管爆破分析１．爆破软管的外观检查1560故障情况发动机燃油软管在工作过程中橡胶部分破裂漏油（外场又称“爆破”）的故障自该型发动机使用以来就一直困扰着生产单位、修理单位和用户，对飞行安全造成了直接的影响。虽然有关各方都曾作过大量的研究工作，但燃油软管的爆破问题一直没有解决。0故障情况发动机燃油软管在工作过程中橡胶部分破裂漏油（外场157１．爆破软管的外观检查

外观检查，爆破软管具有如下特点：（1）所有爆破软管两端都有不同程度的弯曲变形，而且弯头端的变形更大（图1）１．爆破软管的外观检查外观检查，爆破软管具有如下特点158疲劳失效分析技术课件159１．爆破软管的外观检查（续）（2）大多数软管都只在靠近金属弯接头一端胶管弯曲部位的外侧有一个爆破口，只有1根软管在胶管两端弯曲部位的外侧各有一个爆破口。（3）爆破口距扣压接头外套尾端都在0～15ｍｍ之间。（4）外胶爆破口形状不规则，有轴向直线形、弧形、叉形等形状。１．爆破软管的外观检查（续）（2）大多数软管都只在靠近金属弯160２．爆破软管解剖检查

爆破软管按由