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1、2020/9/14,1,2 失效分析基础知识,材 料 知 识,力 学 知 识,化 学 知 识,失效 分析,2020/9/14,2,2.1 常见缺陷一 铸造缺陷,2.1 金属构件中的常见缺陷,一、铸态组织缺陷,1. 缩孔与疏松, 形 貌 特 征,(b) Cr17铸钢锭下部取样,2020/9/14,3,晶间疏松 塑性材料：受三向拉应力( 不是单向拉伸时的许用应力)。,脆性材料：受轴向压缩或一拉一压的二向应力,2020/9/14,31,3. 对传统强度理论的评价,GBl50钢制压力容器 、美国ASME锅炉及压力容器规范、英国BS5500非直接火压力容器、日本的JIS B 8243压力容器构造等都采用
2、传统强度理论。,GBl50-1998钢制压力容器 静载荷压力容器及其构件，设计压力为0.135MP； 容器中任一点应力按平面力系将其归结为单向屈服的关系，用弹性强度理论导出； 总体一次薄膜应力用最大拉应力理论，将其控制在许用应力之下； 局部应力用最大切应力理论，以三个主应力的最大与最小的差值为应力强度，将其限制在许用值之下。,(1) 对工程实践仍起指导作用,2020/9/14,32,(2) 计算结果不够准确,传统强度计算假设材料均匀连续、无损伤 实际材料为非均匀连续的，存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合，这大大降低了承载能力。 传统强度计算采用较高的安全系数 安全系数是一模糊概念
3、，它包容材料的实际情况、真实变形和制造、使用等过程变化； 安全系数是经验取值，当它未能包含以经验取值的因素时，事故就发生了。 如“泰坦尼克”豪华游船的惨剧,2020/9/14,33,二 断裂力学知识,二、断裂力学基本概念, 断裂力学研究宏观裂纹(0.1mm)的均匀连续基体的力学行为，认为断裂主要是宏观裂纹的成长及其失稳扩展。 裂纹失稳扩展通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，使构件断裂。 两个问题 裂纹体在裂端区应力应变场强度的表征及变化规律； 裂纹体发生失稳扩展的临界值。 定量关系 建立构件裂纹尺寸、工
4、作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间的定量关系是断裂力学研究的重点 。,2020/9/14,34,图2-26 材料断裂的载荷-变形量关系,2020/9/14,35,1. 线弹性断裂力学,1. 线弹性断裂力学及其应用,图2-27 裂纹扩展的三种基本类型,(1) 裂纹扩展的三种基本类型,假 设： 材料是线弹性的； 忽略裂纹尖端出现的体积很小的塑性区的影响。,2020/9/14,36,裂纹尖端引起的应力集中,图2-28 无限大平板中心长为2a 贯穿厚裂纹,(2) 张开型裂纹尖端附近的二向应力场方程,2020/9/14,37,在裂纹尖端扩展线(即x轴) 上，=0, sin=0, 此时,2020/9/14,
5、38,裂纹尖端处于平面应力 (即二向应力)状态，如 薄板受力，z=0 。,裂纹尖端处于平面应变(即三向应力)状态，如厚板受力，z=0，z=(x+y) 。,2020/9/14,39,(3) 应力场强度因子K,Y叫几何因子(或形状因子)，它是和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式及其试样集合形状有关的量。,K叫应力场强度因子，它控制了应力的大小。对其它裂纹状态的张开型裂纹，(2-6)式仍成立，但,(2-8),2020/9/14,40,当K增大到某一临界值KC时(临界状态), 裂纹突然扩展，材料快速断裂。KC又叫断裂韧性。,(4) 临界应力场强度因子KC,(2-8),C-断裂应力，a C-临界裂纹尺寸,
6、KC反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力,是强度和韧性的综合性能指标,它测定方法参考GB4161。 KC越大，其断裂韧性越好。,2020/9/14,41,(5) 脆性断裂判据及工程应用,脆性断裂判据： K KC (简称K判据),2020/9/14,42,解释低应力脆断失效的原因(材料存在裂纹缺陷，服役期间，裂纹长大及失稳扩展)； 计算构件的最大裂纹容限，对构件做出安全评价； 根据裂纹尺寸，确定构件最大工作应力或最大允许载荷； 若能得出裂纹扩展速率，可计算构件的安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期； 确立材料强韧化的设计思想，即高强度高韧性； 设计时选择KC高的材料，或通过工艺处理提高其KC
7、 。,工程应用,2020/9/14,43,(6) 裂纹尖端的塑性区及小范围屈服的修正,当 r0(越靠近裂纹尖端)，；而实际上， 是不可能的，为什么？ 金属材料都有一定的塑性，当应力达到s 时，材料因屈服而塑性变形。发生塑性变形的区域即塑性区。裂纹尖端的高应力是塑性区产生和扩大的真正原因。,二向应力场方程中有 ，, 张开型裂纹端部的塑性区大小表达式,(2-11),2020/9/14,44, 裂纹尖端塑性区的大小和形状,= 0，即在x轴上时，有,金属材料在平面应变状态下的塑性区在 x 轴上的宽度比在平面应力下时小很多。,2020/9/14,45,实际上，构件从表面到中心的约束不一样，即使内部呈平面
8、应变状态，其表面也总是处于平面应力状态。,如穿透厚板的裂纹， 内-平面应变状态，裂尖塑性区比较小； 表-平面应力状态，裂尖塑性区比较大。,rpa非常小，用线弹性断裂判据，塑性区为小范围屈服时，对其修正后仍可用线弹性断裂判据。,2020/9/14,46, 对厚板穿透裂纹尖塑性区的修正,裂纹尖端塑性变形相当于裂纹长度增长，其等效裂纹长度为ae= a +a， 即ae= a + rp，0。,平面 应力 平面 应变,2020/9/14,47,2. 弹塑性断裂力学,2. 弹塑性断裂力学简介,a. 裂纹张开位移理论(COD理论),裂纹体受力后裂纹尖端附近存在高应力(s)的塑性区使裂纹面分离，裂纹尖有张开的位
9、移，当张开位移达到材料的临界c值时, 裂纹就失稳扩展发生断裂，其判据为：, c (c 可按GB 2358测出 ),2020/9/14,48,(1) 与K的关系：, 线弹性断裂理论与裂纹张开位移理论的关系,(2) C与KC的关系：,2020/9/14,49,b. J积分理论,从能量守恒分析裂纹尖端二向应力应变行为，裂纹扩展时外力所做的功用于裂纹扩展所需的能量，增加体系的弹性能。能量用围绕裂纹尖端的任意封闭回路的线积分求得。,T-积分路线外边界上的张力 u-边界上的位移,失效判据： J Jc J积分理论的应用: 不及COD广泛,2020/9/14,50,2.3环境作用机理一 化学反应,2.3 环
10、境 作 用 机 理,一、化学反应,金属构件与环境的作用主要是腐蚀，即化学反应和电化学反应 。,1. 氧化原理与规律,a氧化条件,氧分压：即金属氧化物的分解压PMO 。 PMO越小，金属越稳定。,2020/9/14,51,b氧化膜的保护性, 氧化膜应致密和完整： r VMO VMO 1 ( 必要条件) ；,r 并非越高越好( 如W ), 一般r 1.32.0较好。,2020/9/14,52, 氧化物稳定、难熔、不挥发, 不易与介质作用而被破坏；, 氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用而剥离脱落； 氧化膜有足够的强度和塑性以承受一定的应力、应变。,2020/9/14,53
11、,c氧化膜的生长规律,y = Kt + C y - 膜厚, t - 氧化时间,如 K、Na、Ca、Ba、Mg、W、Mo、V、Ta、Nb等，氧化膜对基体金属无保护作用。, 直线规律,2020/9/14,54, 抛物线规律,如 Fe、Co、Cu、Ni、Mn、Zn、Ti等，氧化膜对基体金属有一定保护性。,2020/9/14,55,以上三种规律在氧化膜不破裂时是最常见的，此外还有其它规律。,Fe在温度不高空气中的氧化曲线, 对 数 规 律,如Cr和Zn在25225, Ni在650 以下，Fe在375以下,膜生长服从对数规律, 氧化膜有保护性。,y = ln( Kt ) + C,2020/9/14,56
12、,膜层破裂的影响,温度的影响,影响金属的氧化速度； 影响氧化反应规律。,2020/9/14,57,2. 钢铁的高温氧化腐蚀,室温干燥空气中：氧化速度较慢； 200300：表面出现可见的氧化膜； 570：生成Fe3O4和Fe2O3，膜保护性较好； 570：生成FeO、Fe3O4和Fe2O3，FeO疏松，保护性差。,图2-38 铁在空气中加热时表面氧化膜组成示意图,2020/9/14,58,气体组成对钢铁的高温腐蚀有强烈的影响，特别是水蒸气和硫化物的影响最大。,2020/9/14,59,二、电化学反应,二、电化学反应,1. 电化学腐蚀的原因和发生条件,(1)电化学腐蚀模型 a. 腐蚀原电池模型,2
13、020/9/14,60, 电化学腐蚀历程,金属腐蚀过程： 如锌在含氧的中性水溶液中的腐蚀:,氧化还原反应(氧化反应/还原反应),2020/9/14,61,2020/9/14,62, 金属腐蚀的实质,电化学腐蚀, 阳极反应：M Mn+ne 也即氧化反应, 阴极反应： D ne Dne 也即还原反应,发生地：阳极区,如：Zn Zn2+ 2e,发生地：阴极区,如：O2+H2O+2e2OH,2020/9/14,63,b. 腐蚀原电池的类型,腐蚀原电池成因：是因电极(阳极和阴极)表面的电化学不均匀性造成的。 电化学不均匀性有： 金属材料的不均匀性：化学成分、组织结构、表面膜完整性、受力情况等差异； 环境
14、的差异：成分、浓度、温度、充气等不同 。,2020/9/14,64,b. 腐蚀原电池的类型,依据阳极区和阴极区的大小，腐蚀原电池分为宏观腐蚀原电池和微观腐蚀原电池两大类。 宏观腐蚀原电池：宏观腐蚀电池的阴、阳极可用内眼或不大于10倍的放大镜分辨出。 微观腐蚀原电池：微观腐蚀电池电极不仅很小,并且它们的分布以及阴极、阳极面积比都无一定规律。,2020/9/14,65,电偶电池 浓差电池 温差电池,2020/9/14,66,微 观 腐 蚀 原 电 池,2020/9/14,67,(2)电化学腐蚀的氧化剂 a. 电极电位, 双电层的形成,2020/9/14,68, 电极电位 双电层的形成必然在界面引起
15、电位跃, 如图。, =1+2 1 -紧密层 d 的电位跃 2 -分散层 的电位跃,金属侧带负电时, 电位跃为值,金属侧带正电时, 电位跃为值,2020/9/14,69, 平衡电极电位,平衡电极电位(Ee )：金属浸入同种金属离子溶液中的电极反应,正逆过程的电荷和物质都达到平衡时的恒定电位。,(1)影响因素有： 金属本性、溶液浓度和温度 ,2020/9/14,70,b. 析氢腐蚀和耗氧腐蚀,析氢腐蚀-溶液中的氢离子作为去极剂,在阴极上放电,促使金属阳极溶解过程持续进行而引起的金属腐蚀叫析氢腐蚀(或氢去极化腐蚀)。碳钢、铸铁、锌、铝、不锈钢等金属和合金,在酸性介质中常常发生这种腐蚀。,耗氧腐蚀-阴极上进行耗氧反应,促使阳极金属不断溶解的金属腐蚀叫氧去极化腐蚀(或氧去极化腐蚀)。,阴极耗氧反应：中性溶液中 O22H4e 2OH 碱性溶液中 O22H2O4e 4OH 酸性溶液中 O24H4e 2H2O,2020/9/14,71,2. 电化学腐蚀的速度,热力学条件仅反映了金属发生电化学腐蚀的倾向程度,而不能反映腐蚀的快慢。有很大腐蚀倾向的金属不一定对应着高的腐蚀速度, 如金属铝。,2.耐蚀性能的评定,评定指标：腐蚀深度/年 评定标准：4级(一般的) 或 10级(严格的),2020/9/14,72,耐不耐蚀是相对的！,
