失效分析-强度与断裂

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1、1失效分析失效分析材料强度与断裂材料强度与断裂孙 智 博士中 国 矿 业 大 学 教授，博导中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家21基本概念32束德林：金属力学性能，机械工业出版社，TG113.2/S-253 ，TG113.2/S-253.2 孙茂才：金属力学性能，哈工大出版社， TB3-51/C-532/10 徐积善：强度理论及其应用，水电出版社， TG0346/X-432 郑修麟：材料力学性能，西北工大出版社， TG13301/Z-883 杨道明：金属力学性能与失效分析，冶金工业出版社， TG115/Y-254 俞茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社， TG0346/Y- 526 楮

2、武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社， TG111.9142本课程主要内容：断裂力学基础（线弹性条件下的断裂韧性和断裂应力，缺 口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性条件下裂纹前端的应力应 变场及断裂韧性）。断裂物理基础（断裂类型及断裂强度；韧断与脆断的特点 、断裂判据及断口特征）。断裂的微观机理（裂纹的形成理论与裂纹扩展途径分析） 。韧化原理及工艺（影响韧性的因素及韧化工艺）。疲劳断裂（疲劳断裂的机理，疲劳裂纹的形成与扩展，疲 劳短裂纹及疲劳的闭合效应）。环境断裂（氢致断裂的机理及力学参量；应力腐蚀机理及 表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）。 521.1.1 金属的常规性能指标1.1 金属机械性能

3、指标拉伸曲线示意图 621.1.1 金属的常规性能指标1.1 金属机械性能指标拉伸曲线示意图 721.1.1 金属的常规性能指标 强度指标： 比例极限p应力与应变成正比关系的最大应力。 弹性极限e材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形的应力。 应力超过弹性极限，即开始发生塑性变形。微量塑性变形。不 允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。 屈服极限金属发生明显塑性变形的抗力。 屈服点s屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。 屈服强度0.2规定产生0.2%残余伸长的应力。 抗拉强度（强度极限）b试样拉断前最大载荷所决定的 条件临界应力。 国家标准中规定：e （0.01） ， S（0.2），b1.1

4、金属机械性能指标821.1.1 金属的常规性能指标塑性指标：塑性断裂前金属发生塑性变形的能力 伸长率K断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸长与试样原标距的比值， 。伸长率与试样原始标距长度有关，5，10断面收缩率断裂后试样截面的相对收缩值， ， 与试样尺寸无关。1.1 金属机械性能指标921.1.1 金属的常规性能指标硬度衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。表征着材料的 弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组 合的一种综合性能指标，不是一个单纯的物理量，试验方法 不同，其物理意义也不同。一般可以认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划 破裂的能力。压入法、刻划法。压入法静

5、载和动载。静载布氏、洛氏、维氏硬度。动载肖氏硬度。1.1 金属机械性能指标102布氏硬度HBxxxX：一定直径的钢球压入试件，用压入深度表征材料 的硬度。测量压入坑的直径。一般用于测试有色金属、调质和正火、退火态的黑色金属。根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用120的金刚石圆锥或直径1.588mm压 入试件，测量压入深度，以深度大小表征材料的硬度值。一般用于测量淬火回火态的钢试件。表面硬度计：用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金 属镀层等的硬度。维氏硬度及显微硬度HV：用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕 对角线长度。肖氏硬度HS：

6、动载试验法。用一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重 锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。 1.1 金属机械性能指标1121.1.1 金属的常规性能指标硬度和抗拉强度之间的经验关系： 未淬硬钢： b=0.362HB HB175 b =0.345HB HB175 b =2.64103/（130-HRB） HRB90 b =2.61103/（130-HRB） 100HRB90 碳钢： b =2.5HS b =51.32104/（100-HRC）2 HRC27 灰铸铁： b =（HB-40）/6 b =48.46104/（100-HR

7、C）2 40HRC27 铸钢： b =（0.30.4）HB HRC40 b =8.61103/（100-HRC） HRC40 1.1 金属机械性能指标1221.1.2 金属的其它性能指标扭转弯曲压缩1.1 金属机械性能指标132扭转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。1.1 金属机械性能指标142弯曲试验：表面强度。脆性材料，表面处理的工 件。铸铁，焊接接头等。评定 塑性材料的塑性。三点弯曲法。1.1 金属机械性能指标1521.2.1 交变载荷 在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。 1.2 疲 劳 强 度承受交变应力典型零件的应力循环特征循环特征零件名称轴齿轮齿

8、根轴承连杆螺栓应力变化循环特征对称循环脉动循环脉动循环大压小拉大拉小压应力性质r =-1r = 0r = - r -10 r 1应力状态对称弯曲脉动弯曲脉动压缩不对称不对称1621.2.2 交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。（2）疲劳抗力指标及性质a 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力r， 称该材料的疲劳极限。b 条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀 条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限 表示。一般规定，承受大于51075108次应力循环而不破坏的最大应力 称该材料的条件

9、疲劳极限。c 疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（r），破坏前的应力循 环次数，叫疲劳破坏的持久值。d 裂纹扩展速率 1.2 疲 劳 强 度172对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲 劳极限是不同的：对称弯曲 -1 = 0.4 b对称拉压 -1 = 0.28 b对称扭转 -1 = 0.22 b脉动弯曲 -1 = 0.65 b1.2 疲 劳 强 度1821.2.3 交变应力下的安全系数（）应力集中和应变集中的影响（）尺寸的影响一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。尺寸的影响可用尺寸系数 来表示1.2 疲 劳 强 度图2-25 锻钢疲劳极限的尺寸系数192（3）表面加工状态的影响表面状态对对疲劳极

10、限的影响可用表面加工系数1来表示钢件表面加工系数 1抛光，2磨削，3精车，4粗车，5轧制，6淡水腐蚀表，7海水腐蚀表面1.2 疲 劳 强 度202（4）表面腐蚀的影响腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数2来表示。（5）表面强化的影响一般来讲，材料强化能提高材料的疲劳极限，特别是存在应力集中 时，效果更显著。表面强化对材料疲劳极限的影响可用表面强化系数3来 表示。强化方法心部强度 b （MPa）钢试样 的表面强化系数3光滑试样有应力集中试样Kf 1.5Kf 2.0高频淬火600900 80010001.31.5 1.21.41.41.5 1.52.01.82.2 渗 氮9001200 40

11、06001.11.3 1.82.01.51.7 31.72.1 渗 碳700800 100012001.41.5 1.21.3 2 辊 压60015001.11.41.41.61.62.0喷 丸60015001.11.41.11.41.62.01.2 疲 劳 强 度2121.2.4 接触应力1、接触面间的赫兹应力两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（Hertz）的弹性理论提出 的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。 1.2 疲 劳 强 度2222、沿圆柱体接触面的对称平面（y = 0）上，各点的应力分量1.2 疲 劳 强 度2323、最大切应力 数值计算式 所在

12、位置 切应力 yz（45）在z = 0.786 b处达最大值。 1.2 疲 劳 强 度2424、交变切应力实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一 固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交变 切应力 yzn的最大值在z 0 = 0.5 b处，其值 yznmax= 0.25 j。5、摩擦力对接触应力的影响当摩擦系数为1/3时，将有如下变化：最大主应力分量将增加39%；最大切应力分量将增加43%；最大交变应力分量将增加36%；最大切应力所在位置，由距表面0.786 b处，移至表面，并向y 方向偏离0.3 b。1.2 疲 劳 强 度252零件断裂失效 与材

13、料强度2622.1.1 失效的主要形式及其原因 序号失效类型失效形式直接原因1过量变形 失效a. 扭曲（如花键） b. 拉长（如紧固件） c. 胀大超限（如液压活塞缸体） d. 高低温下的蠕变（如动力机械） e. 弹性元件发生永久变形由于在一定载荷条件下发生过 量变形，零件失去应有功能不能正 常使用。2断裂失效 一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）由于载荷或应力强度超过当时 材料的承载能力而引起。环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态 金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）由于环境介质、应力共同作用 引起的低应力脆断。疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转 、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳

14、与热 疲劳，高温疲劳等。由于周期（交变）作用力引起 的低应力破坏。3表面损伤 失效磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤 （发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨 损和磨粒磨损。由于两物体接触表面在接触应 力下有相对运动造成材料流失所引 起的一种失效形式。腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀， 磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。环境气氛的化学和电化学作用 引起。2.1机械零件失效形式与来源2732.1.2 失效的来源引起零件早期时效的原因是很多的，主要有以 下几方面：1、设计与选材上的问题；2、加工、热处理或材质上的问题；3、装配上的问题；4、使用、操作和维护不当的问题。据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工 方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失 效分析和设计制造中都应引起足够重视。2.1机械零件失效形式与来源2842.2.1应力状态分析与强度理论（1）材料的失效形式和应力状态 脆断 剪断 屈服（2）强度