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1、第二章 常见失效形式及其判断,常见失效形式（11种）：过量弹性变形失效、屈服失效（塑性变形失效）、塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效、应力腐蚀失效、氢脆失效、腐蚀疲劳失效、磨损失效、蠕变失效。,掌握内容：产生条件、特征、诊断、防止措施。,一、 概述 定义：当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时，就叫做过量弹性变形失效。零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力与应变之间服从虎克（Hooke）定律 =E (21),2.1 过量弹性变形失效,这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，一般不会引起麻烦。但在一些精密机械中，对零件的尺寸和匹配关系要求
2、严格，当弹性变形超过规定的限量(在弹性极限以内)时，会造成零件的不正常匹配关系。例：航天火箭中惯性制导的陀螺元件，如果对弹性变形问题处理不当，就会因漂移过大而失效。,2.1 过量弹性变形失效,线膨胀系数是表征材料热胀冷缩特性的参数。不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹配不当，在温度改变时就可能引发故障。例：钢的线膨胀系数约为121061，是青铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时，就将导致弹性变形失效。,2.1 过
3、量弹性变形失效,二、特征及判断方法弹性变形失效的判断往往比较困难。这是因为，虽然应力或(和)温度在工作状态下曾引起变形并导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变形已经消失。综合考虑以下几个因素：(1)失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历。,2.1 过量弹性变形失效,(2)在失效分析时，应注意观察在正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹。,(3)在设计时是否考虑了弹性变形(包括热膨胀变形)的影响，并采取了相应的措施。 (4)通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。,2.1 过量弹性变形失效,三、防止措施失效的责任几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选
4、材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。 1选择合适的材料或结构 如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，则可以根据具体的要求选用适当的材料。,2.1 过量弹性变形失效,例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。铍的弹性模量为铝的4倍、钢的15倍。如果考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际需要采用热膨胀系数适合的材料。,2.1 过量弹性变形失效,2确定适当的匹配尺寸 弹性变形量是可以计算的，这种尺寸的变化应当在设计时加以考虑。低温
5、度下工作的机件，其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还要确保在低温下尺寸变化后仍能正常工作。对于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验来解决。,2.1 过量弹性变形失效,3采用减少变形影响的转接件 在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹 性变形的有害影响。,一、概述 塑性变形：零件受力后产生的不可恢复的变形。在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，它的出现说明零件受力过大。但也不是出现任何程度的塑性变形都一定导致失效。 屈服失效：当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,例：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效，如某厂的洗
6、涤塔为高20.5m、直径3.5m、壁厚8mm的圆筒结构，用于精洗煤气。在输入煤气前，先用蒸汽冲洗洗涤塔约3min，塔内温度约为70。其后，错误地关闭了放散阀，又错误地向塔内喷冷水，致使塔内冷凝加快形成负压。在外部大气压力下，塔壁收缩内陷，导致从塔顶至底部发生整体歪扭，中部呈细颈状，产生屈服失效。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,二、特征及判断屈服失效的特征：失效件有明显的塑性变形。判断：塑性变形很容易鉴别，只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的塑性变形(如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形特征)用肉眼即可判别。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,两个互相接触的曲面之间，存在有静压
7、应力，可使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局部的凹陷，严重者会影响其正常工作，这称为过载压痕损伤，是屈服失效的一种特殊形式。 例如：滚珠轴承在开始运转前，如果静载过大，钢球将压入滚道，使其型面受到破坏。这样的轴承在随后的工作中就会使振动加剧而导致早期失效。,过载压痕损伤：,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,三、防止和改进措施1降低实际应力 (1) 降低工作应力。 降低工作应力可从增加零件的有效截面积和减少工作载荷两个方面考虑。准确地确定零件的工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取安全系数，并注意不要在使用中超载。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,(2)减少残余应力。残余应力的大小与工艺因素
8、有关。应根据零件和材料的具体特点和要求，合理地制定工艺流程，采取相应的措施，以便将残余应力控制在最低限度。(3)降低应力集中。应力集中对塑性变形和断裂失效都很重要，这将在后面的章节作较详细说明。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,2提高材料的屈服强度 零件的实际屈服强度与选用的材料、状态以及冶金质量有关，因此，必须依据具体情况合理选材，严格控制材质，正确制定和严格控制工艺过程。具体问题要具体分析，要依据失效分析的结果有针对性地采取相应的措施。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,一、概述 塑性断裂失效：构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为塑性断裂失效。当零件所受实际应力高于材料的屈服强
9、度时，将产生塑性变形。如果应力进一步增加，并且该零件与其他零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，就可能发生断裂(破裂)。这种形式的失效称为塑性断裂失效。特点：是在零件断裂之前有一定程度的塑性变形。,2.3 塑性断裂失效,2.3 塑性断裂失效,二、特征及判断1主要特征(1)在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形(截面收缩)处有用肉眼或探伤仪能检测出的裂纹。(2)用扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝。(3)用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的组织有明显的塑性变形层。,2.3 塑性断裂失效,2判断依据当零件断裂或出现裂纹，同时又具有下列特征之一者，可判定为塑性断裂。(1)有肉眼可
10、见的塑性变形特征，如扭角、挠曲、变粗，颈缩和鼓包等形状变化。(2)零件表面覆盖的脆性膜开裂。(3)断口两侧不能拼合。(4)裂纹源区断口粗糙，呈纤维状，色泽灰暗。,2.3 塑性断裂失效,三、改进措施塑性断裂的改进措施与屈服失效相同，但因断裂是更为严重的失效，应尽可能使塑性变形不继续发展成为断裂，可以在设计上采用变形限位装置或者增加变形保护报警系统等。,2.3 塑性断裂失效,一、概述 脆性断裂失效：构件在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断。工作条件: 高速、高压、高温和低温导致材料的服役条件越来越苛刻。一些大型结构、设施往往在符合设计
11、要求、满足规定性能指标的条件下，发生突发性的断裂，这种断裂属脆性断裂失效，因事先无预兆，往往造成严重的损失。,2.4 脆性断裂失效,几种主要形式： 1低温脆性断裂低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方金属材料中，这些材料称为低温脆性材料，低碳钢是其典型代表。图2.1表明温度对光滑试样屈服强度s和脆性断裂强度f，的影响，可见随温度降低，s明显升高，而f则无明显变化。,2.4 脆性断裂失效,2.4 脆性断裂失效,s和f对温度变化敏感性的差异造成了材料在低温条件下的脆性表现。脆性转变温度：s和f的交点对应的温度Tk。Tf，材料表现为脆性断裂；TTk时，sf 则表现为塑性断裂。,2.4 脆性断裂失效
12、,和 的交点对应的温度为 , 为缺口试样的脆性转变温度。 时，可见缺口导致材料脆性倾向增加，使脆性转变温度向高温推移。 在 之间，光滑试样表现为塑性断裂，而缺口试样则表现为脆性断裂。 试样上存在其他对变形有约束作用的因素时，或者试验时加载速率升高，都可以导致屈服应力升高，增加材料脆性倾向，其效果与缺口的影响相当。,2.4 脆性断裂失效,脆性转变温度是低温脆性材料的一个非常重要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下发生的。 防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作温度高于其脆性转变温度，即 (22),2.4 脆性断裂失效,2含裂纹试样或零件的低应力脆断近代发
13、生的大型金属结构脆性断裂的分析表明，断裂起始于结构中的既存裂纹，断裂以既存裂纹为源。即断裂力学问题。断裂力学认为结构发生脆性断裂时，结构中的裂纹尺寸a与其断裂应力f存在如下关系 (23),2.4 脆性断裂失效,此式表明结构发生脆性断裂的临界条件。 结构所受应力水平越高，发生脆性断裂时的裂纹尺寸越小；结构中含有的既存裂纹尺寸越大，则脆性断裂时的应力水平越低。,2.4 脆性断裂失效,2.4 脆性断裂失效,曲线将坐标平面分为两个区，区为安全区，区为断裂区。将材料的屈服强度也表示在图中，如图中水平虚线，二者交点所对应的裂纹尺寸ac则是裂纹体的重要参数。 当aac时，sac时，s f，则表现为脆性断裂。
14、 可见ac是一定应力环境中裂纹体失稳的临界裂纹尺寸，裂纹体的低应力脆断都是在既存裂纹尺寸大于ac，使断裂应力低于材料的屈服强度的情况下发生的。,2.4 脆性断裂失效,3冶金缺陷引起的低应力脆断金属材料在热加工过程中，有时因工艺偏差造成组织缺陷，这些含有冶金缺陷的材料在一定条件下也表现为低应力脆断。例如，过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；过烧不但引起晶粒粗大而且有晶界熔化、氧化或在晶界形成低熔点共晶；回火脆性引起有害杂质元素沿晶界偏聚，减弱了晶界结合力等。,2.4 脆性断裂失效,事例（晶粒增大）如某水电站的一台水轮机组，蜗壳外径4.5m，采用30mm厚的16Mn钢板，切割后加热到
15、1200热弯成型。弯曲变形时各部变形量约 810。在工地上拼焊时严重开裂。据分析，变形后，钢板温度仍在1100，由于形变再结晶，引起晶粒急剧长大，使脆性转变温度在室温以上，焊接时仅在焊接应力作用下足以引起脆断。,2.4 脆性断裂失效,特征：(1)断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原。(2)起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处。(3)形成平断口，断口平面与主应力方向垂直。(4)断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻面，无剪切唇。(5)断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时。(6)断裂过程瞬间完成，无预兆。,二、特征及判断,
