《材料失效分析》 课程教学大纲.docx
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《材料失效分析》课程教学大纲
《材料失效分析》课程教学大纲
一、课程名称（中英文）
中文名称：
材料失效分析
英文名称：
FailureAnalysisofMaterials
二、课程代码及性质
课程代码:
0832151
课程性质:
专业选修课,选修课
三、学时与学分
总学时：
24（理论学时：
24学时；实践学时：
0学时）
学分：
1.5
四、先修课程
材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能
五、授课对象
本课程面向材料科学与工程专业、功能材料、材料成型与控制专业学生开设。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）
本课程的教学目的:
1、掌握材料可靠性和失效分析的基本知识，熟悉失效分析的基本程序和方法，培养学生解决各类零件失效分析的能力；
2、基于各类典型案例分析，结合材料断口分析、材料力学性能、零件机械设计、材料分析测试技术等信息,培养学生运用材料科学专业基础知识分析工程构件和功能器件失效原因的综合能力。
3、培养学生通过零件失效分析的学习,具备改进材料、工艺、设计的能力。
表1课程目标对毕业要求的支撑关系
毕业要求及其指标点
本课程目标对毕业要求的支撑关系
毕业要求
指标点
毕业要求1：
工程知识
能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。
1.1掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题的数学基础知识。
1.2掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题的物理、化学等自然科学基础知识。
1.3掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题的工程力学基础知识。
1.4掌握了用于解决材料科学与工程复杂问题的工程检测与控制基础知识。
1.5系统掌握了专业知识，能够将所学知识用于解决材料科学与工程复杂问题。
课程目标1、课程目标2、课程目标3
毕业要求2：
问题分析
能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
2.1能够应用工程数学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
如：
复杂的模具失效分析。
2.2能够应用物理、化学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
如：
物理综合实验。
2.3能够应用力学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
如：
工程力学综合实验。
2.4能够应用工程科学基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，获得有效结论。
毕业要求3：
设计/开发解决方案
能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等因素。
3.1了解机械工程、材料科学与工程问题特征，掌握解决复杂工程问题的设计方法。
3.2在考虑法律、健康、安全、文化、社会以及环境等制约因素的前提下，能够设计（开发）针对复杂材料科学与工程问题的解决方案，具备设计（开发）满足特定材料科学与工程需求的系统、单元（部件）或工艺流程的能力。
3.3在设计（开发）过程中，具有追求材料科学与工程复杂问题创新解决的态度和意识，掌握了基本的创新方法，清楚创新方向及领域。
课程目标3
毕业要求4：
研究
能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。
4.1掌握材料科学原理及特点，能够采用科学方法，具备合理设计材料科学与工程复杂实验、开展科学研究的能力。
4.2掌握材料科学与工程原理及主要工艺，能够采用科学方法，正确构建并实施材料科学与工程综合实验，得出正确结果的能力。
4.3能正确使用和处理实验数据，通过信息综合处理，具备对复杂的材料科学与工程实验结果进行正确分析能力。
4.4了解常见的材料科学与工程常用设备、实验仪器及实验方法，具备调控设备及仪器参数，进行测控和维护的能力。
课程目标2、课程目标3
毕业要求5：
使用现代工具
能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
5.1掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
5.2了解材料科学与工程专业重要资料来源及获取方法。
5.3具备应用各类文献、信息及资料进行复杂材料科学与工程实践的能力。
5.4掌握复杂材料科学与工程问题的预测与模拟方法，理解其局限性。
毕业要求6：
工程与社会
能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。
6.1了解与工程相关的国家方针、政策与法律法规，能够评价工程实践对社会、健康、安全、法律以及文化的影响。
6.2了解材料科学与工程专业特点及其对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，能够正确评价复杂材料科学与工程问题解决方案的优劣。
6.3能正确认识材料科学与工程各种复杂工艺对于客观世界和社会的影响，理解并能够承担的相应工程和社会责任。
毕业要求7：
环境和可持续发展
能够理解和评价针对复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
7.1了解材料科学与工程的专业特征、学科前沿和发展趋势，正确认识本专业对于社会发展的重要性。
课程目标1,课程目标3
7.2能正确理解和评价材料科学与工程复杂问题实施对环境保护及社会可持续发展等的影响。
7.3在解决复杂的材料科学与工程的实际问题中，能够正确理解并考虑工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
毕业要求8：
职业规范
具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
8.1具有人文社会科学素养，理解世界观、人生观的基本意义及其影响。
8.2了解中国国情，理解中国可持续科学发展道路以及个人的做人规范，具有较高的社会责任感。
8.3在工程实践中，理解工程师的职业性质、职业责任,具备工程师的职业道德
8.4具有健康的体质和良好的心理素质，能较好地履行责任。
毕业要求9：
个人和团队
能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。
9.1具备较宽广的本学科基础知识和较高的个人素质，能够在多学科背景下，承担个人及团队成员的作用。
9.2具备良好的团队协作精神，善于和团队其它成员协作、互补、交往。
9.3能够承担团队负责人角色，具备综合团队成员意见和建议，进行合理决策之领导能力。
毕业要求10：
沟通
能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。
10.1较好地掌握了一门外语，了解不同文化的差异，具有一定的跨文化交流能力。
10.2了解本专业领域及其相关行业的国内外的技术现状，具有较强的业务沟通能力与竞争能力。
10.3能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令，就复杂的专业工程问题进行有效沟通和交流。
毕业要求11：
项目管理
理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。
11.1了解材料科学工程管理和经济决策的基本知识，理解并掌握工程管理原理与经济决策方法。
11.2具备应用工程管理和经济决策知识实践的工作能力，具有一定的组织、管理及领导能力，能够较好地通过口头或书面方式表达自己的想法。
11.3具有较强的综合归纳能力，能在多学科环境中加于应用。
毕业要求12：
终身学习
具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。
12.1对终身学习的重要性，有自觉的意识和正确的认识。
12.2能够采用合适的方法，自我学习、提高的能力。
12.3能够适应社会进步与发展，与时代同步。
七、教学重点与难点：
教学重点：
材料失效分析方法、各类失效形式的机理。
教学难点：
故障树分析方法、各类失效模式及形成机理、结构件失效与功能器件失效的综合原因判断。
八、教学方法与手段：
教学方法：
（1）以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;
（2）典型案例教学。
通过典型案例分析，强调各课程材料科学基础、材料力学性能、热处理原理与工艺、材料分析方法的基础知识的融合性，掌握正确的分析思路，了解各种分析手段，确定最先破坏的零件和最先破坏的部位。
教学手段：
（1）运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;
（2）任课老师将30年从事失效分析的实际案例，讲解如何解决工程构件失效的问题的方法、思路、手段，具有趣味性和实用性。
九、教学内容与学时安排
（1）总体安排
教学内容与学时的总体安排，如表2所示。
表2基本教学内容与学时安排
序号
课程内容
课堂（学习、讨论）学时
课外（准备、复试、实践）学时
1
概论
2
2
2
可靠性的主要数量特征及系统可靠性
4
4
3
失效分析方法
4
4
4
材料断口宏观分析
3
3
5
材料显微断口分析
3
2
6
断裂力学在失效分析中的应用
2
2
7
腐蚀失效分析
2
2
8
典型零件失效分析实例
4
4
（2）具体内容
各章节的具体内容如下：
第一章概论（2h）
1.1可靠性的发展概况
1.2可靠性及失效分析的基本概念
1.3可靠性及失效分析的重要意义
1.4可靠性工程与失效分析的任务
第二章可靠性的主要数量特征及其常用分布（4h）
2.1可靠性的主要数量特征
2.2常用寿命分布及其背景
2.3系统的可靠性分析
第三章失效分析方法（4h）
3.1机械零件失效形式及失效原因
3.2失效分析方法
3.3故障树分析
3.4一般零件失效分析方法
第四章材料断口宏观分析（3h）
4.1失效件的选取与保护
4.2断口宏观分析
4.3宏观断口分析实例
第五章材料显微断口分析（3h）
5.1韧性断口的显微特征
5.2解理断口的显微特征
5.3疲劳失效机理及断口的显微特征
5.4沿晶断口的显微特征
5.5应力腐蚀断裂的显微特征
5.6其他断口的显微特征
第六章断裂力学在失效分析中的应用（2h）
6.1低应力脆断及材料的韧性）
6.2线弹性断裂力学-应力场强分析与断裂
6.3断裂韧性在结构设计和失效分析上的应用
6.4断裂力学在疲劳问题上的应用
第七章材料的腐蚀失效（2h）
7.1腐蚀失效基础
7.2均匀腐蚀失效
7.3电偶腐蚀失效
7.4晶间腐蚀失效
7.5点腐蚀和缝隙腐蚀
7.6应力腐蚀
7.7腐蚀疲劳失效
第八章典型零件失效分析实例（4h）
8.1轴类零件失效
8.2齿轮类零件失效
8.3轴承失效分析
8.4紧固件失效
8.5电子产品失效分析
（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求
思考题（课后作业）：
第1章思考题：
1.什么是失效分析？
失效分析的任务是什么？
2、可靠性与失效分析有何重要意义？
请结合实际举两三个例子。
第2章思考题：
1、什么是可靠度与维修度？
2、有100台仪表工和到1000h时有10台发生故障；工作到2000h时，总共有22台发生了故障，求这批仪表分别在1000h与2000h的可靠度及累积失效概率的观测值。
3、.收集其设备的故障数据，得到无故障连续工作的时间数据如下：
30，45，65，95，170，260，410，520，675，925，1250，1510（h）。
试求此设备的MTBF估计值。
4、各仪器至修复完毕的时间与件数的数据为：
维修时间（h）
1
2
3
4
5
6
修复件数（件）
20
10
5
3
1
1
试求平均维修时间。
5、已知串联系统由5个部件组成，其故障均为指数分布，失效率分别为λ1＝1×10－4，λ2＝=1.1×10－4，λ3＝1.2×10－4，λ4＝1.3×10－4，λ5＝1.4×10－4。
试求该系统的失效率，系统的MTBF及工作1000h后的可靠度？
6、．已知某电器零件的失效寿命服从正态分布．其平均寿命为600h，寿命标准差为100h．试求工件400h的可靠度和失效率？
并求保证可靠度为90%情况下工作的可靠寿命?
7．有—45号钢制的拉杆、经试验测定抗拉强度σb服从正态分布,均值，
600N／mm2，标准差S=48N／mm2，工作时，拉杆求受静载荷．试计算：
（1）最大拉应力＝450N／mm时的失效概率；
（2）若要求拉杆的可靠度R＝0．99，那么拉杆可承受的最大应力σmax是多少?
8、比较串联系统与并联系统的可靠性特点
第3章思考题：
1、什么是故障树分析法，其特点是什么2
2、故障树分析法有何用处?
3、什么是最小割集与最小路集?
4已知故障树如图3所示，试分别用上行法、下行征求出全部最小割集．并写出顶事件发生的表示式。
画出等效故障树，计算各基本事件的结构重要度。
5、一般零件失效分析的步骤是什么？
6、就实验室灯泡不亮建一故障树。
第4章思考题：
1、判定主裂纹有哪些方法？
2、什么是断口三要求？
3、断口的分类有哪些？
韧性断裂与脆性断裂断口有何不同？
4、疲劳断口的宏观特征是什么？
5、应力腐蚀断口有什么特征？
第5章思考题：
1、解理断裂的机理和微观特征是什么？
2、韧窝的形成机理和特征是什么
3、疲劳断裂的机理与断口的微观特征是什么？
4、应力腐蚀与腐蚀疲劳有什么不同？
第6章思考题与习题
1，一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。
此钢材的
与
的关系见下图。
制造厂无损检测能检验的裂纹长度在3.5mm以上，设计工作应力
讨论：
1）工作应力
时，检测手段能否保证防止发生脆断？
2）企图通过提高强度以减轻零件重量，若
提高到1800MN
是否合适？
3）如果
提高到1800MN
，则零件的允许工作应力是多少？
（10分）
（厚板内部有与
垂直的半径为c的圆形裂纹，
）
2、什么是损伤容限设计？
3、如何应用断裂力学估算构件的剩余寿命？
第7章思考题：
1、什么是电偶腐蚀？
其机理是什么？
如何防止？
2、什么是点腐蚀与缝隙腐蚀？
其机理是什么？
如何防止？
3、腐蚀疲劳与机械疲劳有何异同？
腐蚀疲劳如何防护？
4、晶间腐蚀的机理是什么？
如何防止？
3
第8章思考题：
1、电子产品失效分析的程序是什么？
2、轴类零件失效的断裂特点是什么？
应力集中如何影响轴的实际使用寿命？
3、齿轮类零件失效特点是什么？
应力集中及表面加工质量如何影齿轮的实际使用寿命？
有什么方法提高齿轮的使用寿命？
讨论（思考题及作业）要求：
1、每章节学习结束后，学生都要按上课教师的具体要求以书面的形式做一定数量的思考题，作为平时的作业成绩（按约15%计入课程总成绩）。
十、教材及参考书
教材《材料失效分析与实例》讲义，胡树兵编，华中科技大学出版社，2014年
参考书：
1查利R.布鲁克斯工程材料的失效分析
2、杨川，高国庆，金属零部件失效分析基础，国防工业出版社，2014年
3、杨瑞成杨帆，失效分析与选材，上海交通大学出版社，2014
十一、课程成绩评定与记载
1、课程考核及评价细则
课程考核及评价细则，详见表3。
表3课程考核及评价细则
成绩组成
考核/评价环节
分值
考核/评价细则
对应的教学目标
平时成绩
30%
上课表现
15
根据学生平时上课的出勤率、课堂表现及互动情况，视其对课程学习的态度及积极程度，按15%计入课程总成绩。
1、2、3、
平时作业
15
根据学生的课后作业的完成情况及质量，视其对课程知识理解、掌握情况，最后按15%计入课程总成绩。
3
考试成绩
70%
考试的卷面分数
70
主要考核可靠性、故障树分析、各类失效分析机理及典型特征，失效的防止办法等内容，以卷面成绩的70%计入总成绩。
1、2、3、
2、终结性考试形式：
开卷，以卷面成绩的70%计入总成绩。
大纲制定：
《材料失效分析》课程组（主笔：
胡树兵）
审核：
材料科学与工程学院本科教学指导委员会
2015－12－10
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