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上海交通大学研究生课程讲义 材料学院（2009年2月16日－6月19日） 材料失效分析与寿命评估靳 丽 讲师轻合金精密成型国家工程研究中心Email: j_jinli@sjtu.edu.cn,Tel:主要内容: 一、 概论（1课时） 二、失效分析的基本理论与技术（2课时） 三、常见失效形式及判断（8课时） （金属失效、非金属失效，电子元器件失效） 四、失效分析的思路、程序和基本技能（2课时） 五、失效分析实例（2～3课时） 第8讲 非金属构件的失效分析 1.高分子材料的基本特性 不导电/反光性差/对有机溶剂敏感/易老化 结构不均匀性/高弹性/粘弹性 1.1 材料与制件在结构上的不均匀性 航空非金属材料本身和构件存在多种不均匀性： 化学均匀的单相材料-分子量不均匀/分子链交联点不同等…… 非均质多相材料（纤维增强复合材料等）——各相物理化学性质差别大，分散相不均匀等…… 两种以上性质不同材料组成的复合材料——层板间性能差异明显…… 1.2 非金属材料的粘弹性 理想弹性材料（虎克定律） σ=Eε 理想粘性材料（牛顿定律） σ=ηdε/dt 高分子材料：不符合虎克定律与牛顿定律，弹性与粘性的线性或非线性组合。 蠕变/应力松弛/应力应变——依赖应变速率与温度——粘弹性表现 2.非金属断口的成像显示技术 2.1 对试样的要求 硬度低/易划伤/擦伤/断口表面易吸附灰尘/对有机溶剂敏感 ——断口保护特殊要求； 2.2 低倍观察 断口表面结构的粗糙度/裂纹起始/扩展及最终断裂区的宏观特征。设计不同材料的光源选择。 3.3 光学显微镜观察 多采用暗场成像。 2.非金属断口的成像显示技术 2.4 扫描电镜观察 放电效应——断口表面喷碳或喷金 2.5 透射电镜观察 采用复形薄膜。非金属材料断口复形薄膜技术参考文献（胡世炎，机械失效分析手册，成都：四川科学出版社，1993）） 3.非金属构件失效的基本类型 直接加载断裂——拉伸/压缩/剪切等载荷作用下断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 环境应力开裂——腐蚀性环境（包括溶剂）作用下开裂 磨损磨耗 4.直接加载下的 瞬时断裂 4.1 脆性断裂 聚苯乙烯塑料/非定向有机玻璃/热固性塑料等…… 断裂前服从虎克定律 4.直接加载下的瞬时断裂 4.2 韧性断裂 各种橡胶材料/某些工程塑料，如尼龙/双轴拉伸定向有机玻璃等…… 断裂应变大（百分之几十到几百），应力应变曲线表现软而韧的特点：弹性模量低/弹性应变大 4.3 韧-脆性转变 高分子材料具有突出的粘弹性，应力-应变行为严重地受温度和应变速率影响。 有机玻璃： 4o-刚而脆 66o-刚而韧 韧脆转变温度（20~30o） 5.疲劳断裂与蠕变断裂 5.1 疲劳断裂 交变载荷——银纹——裂纹——通过银纹进行扩展 单个银纹扩展：断口光滑 银纹束扩展：断口粗糙 5.疲劳断裂与蠕变断裂 5.1 蠕变断裂 恒定应力——与金属蠕变锻炼类似。 特征： （1）材料在高应力水平下发生的蠕变断裂为韧性断裂，断裂应变大，而低的应力水平下则相反。应力-韧脆转变。 （2）韧性蠕变断裂过程中，材料“发白”现象。原因是材料内部出现了许多空穴。 6.环境应力开裂 特殊介质和溶剂共同作用-——微小裂纹——断裂 （1）裂纹始于制件表面，裂纹长度方向与拉伸应力方向垂直。 （2）材料产生环境应力开裂的应力水平比断裂强度低很多。 （3）多数小裂纹不扩展，少数裂纹互相贯穿导致断裂。 （4）一定材料只对应某些环境介质。 7.非金属断口形貌 7.1 表面粗糙度 脆性断口——镜面区1/雾状区2/粗糙区3 7.非金属断口形貌 7.2 疲劳断口 7.3 疲劳条带 5.非金属断口形貌 5.3 腐蚀疲劳断口 8. 高分析材料及构件的老化 对环境因素敏感而性能降低——老化 8.1 老化的基本类型 热老化-与化学键能的热稳定性密切相关； 光老化-光波引起的化学键断裂； 高能辐射老化-与辐照降解为主； 氧化老化-氧化引起的降解与交联； 生物降解-微生物降解。 9.树脂及复合材料及其构件的失效分析 复合材料失效模式复杂，多种失效模式：基体开裂/界面脱粘/纤维断裂及分层等……没有完全形成复合材料的失效分析方法 9.1 树脂基复合材料失效的基本类型 基体开裂：基体中局部应力过大； 界面脱粘：发生在纤维/树脂交界面处的分离； 纤维断裂：纤维断裂即指复合材料中的纤维出现的分断现象，往往由于沿纤维方向拉伸应力集中所致； 分层：指复合材料层合板与层之间界面上发生的平面裂纹，有内部分层合边缘分层。 单向层复合板的失效 （1）纵向拉伸 （2）纵向压缩 （3）横向拉伸 （4）横向压缩 （5）剪切 多向层复合板的失效 …… （6）分层 9.2