失效分析基础知识

2 2 失效分析基础知识失效分析基础知识2 2.1.1 失效的主要形式及其原因失效的主要形式及其原因序号序号失效类型失效类型失效形式失效形式直接原因直接原因1过量变形过量变形失效失效a. 扭曲（如花键）扭曲（如花键）b. 拉长（如紧固件）拉长（如紧固件）c. 胀大超限（如液压活塞缸体）胀大超限（如液压活塞缸体）d. 高低温下的蠕变（如动力机械）高低温下的蠕变（如动力机械）e. 弹性元件发生永久变形弹性元件发生永久变形 由于在一定载荷条件下发生过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量变形，零件失去应有功能不能正常使用2断裂失效断裂失效一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）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由于载荷或应力强度超过当时材料的承载能力而引起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）金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等） 由于环境介质、应力共同作用由于环境介质、应力共同作用引起的低应力脆断引起的低应力脆断。

疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳弯曲、扭转、疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳弯曲、扭转、接触、拉接触、拉-拉、拉拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等高温疲劳等 由于周期（交变）作用力引起由于周期（交变）作用力引起的低应力破坏的低应力破坏3表面损伤表面损伤失效失效磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤磨损：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（发生在有相对运动的表面）主要有粘着磨损和磨粒磨损损和磨粒磨损 由于两物体接触表面在接触应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力下有相对运动造成材料流失所引起的一种失效形式起的一种失效形式腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，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局部腐蚀和均匀腐蚀 环境气氛的化学和电化学作用环境气氛的化学和电化学作用引起2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源32.1.1 失效的主要形式及其原因失效的主要形式及其原因断裂失效的分类断裂失效的分类 失失效效分分析析工工作作者者通通常常从从致致断断原原因因（（断断裂裂机机理理或或断断裂裂模模式式））的的角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型： （（1 1）过载断裂失效；）过载断裂失效； （（2 2）疲劳断裂失效；）疲劳断裂失效； （（3 3）材料脆性断裂失效；）材料脆性断裂失效； （（4 4）环境诱发断裂失效；）环境诱发断裂失效； （（5 5）混合断裂失效。

混合断裂失效 2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源32.1.2 失效的来源失效的来源 引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下几方面：下几方面： 1 1、设计与选材上的问题；、设计与选材上的问题； 2 2、加工、热处理或材质上的问题；、加工、热处理或材质上的问题； 3 3、装配上的问题；、装配上的问题； 4 4、使用、操作和维护不当的问题使用、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工方面的问题占56%56%以上这是一个重要方面，在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失效分析和设计制造中都应引起足够重视2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源32.1.2 失效的来源失效的来源 1、设计问题、设计问题（（1 1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；（（2 2））应应力力计计算算方方面面的的错错误误。

对对于于结结构构比比较较复复杂杂的的零零件件，，所所承承受受的的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误3 3））设设计计判判据据不不正正确确由由于于对对产产品品的的服服役役条条件件了了解解不不够够，，设设计计判判据的选用错误造成失效的事例也时有发生据的选用错误造成失效的事例也时有发生 2、材料选择上的缺点、材料选择上的缺点 （（1 1）选材的判据有误）选材的判据有误 （（2 2）材料中的缺陷）材料中的缺陷2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源32.1.2 失效的来源失效的来源 3、加工制造及装配中存在的问题、加工制造及装配中存在的问题 加加工工方方法法不不正正确确，，技技术术要要求求不不合合理理及及操操作作者者失失误误也也是是引引起起设设备过早失效的重要原因备过早失效的重要原因 热热处处理理不不当当也也是是常常见见的的失失效效原原因因之之一一常常见见的的有有过过热热、、回回火火不不充充分分，，加加热热速速度度过过快快及及热热处处理理方方法法选选用用不不合合理理等等。

热热处处理理过过程程中中的的氧氧化化脱脱碳碳、、变变形形开开裂裂、、晶晶粒粒粗粗大大及及材材料料的的性性能能未未达达到到规规定定要要求等时有发生求等时有发生 酸酸洗洗及及电电镀镀时时引引起起对对材材料料的的充充氢氢而而导导致致的的氢氢致致损损伤伤也也是是常常见见的的失效形式失效形式 不不文文明明施施工工，，不不按按要要求求安安装装等等容容易易造造成成零零件件表表面面损损伤伤或或导导致致残残余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源32.1.2 失效的来源失效的来源 4、不合理的服役条件、不合理的服役条件 不不合合理理的的起起动动和和停停车车、、超超速速、、过过载载服服役役、、温温度度超超过过允允许许值值、、流流速速波波动动超超出出规规定定范范围围（（过过高高或或过过低低））以以及及异异常常介介质质的的引引入入都都可可能能成成为为设设备备过早失效的根源过早失效的根源2.12.1机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源机械零件失效形式与来源42.2.12.2.1应力状态分析与强度理论应力状态分析与强度理论（（1）材料的失效形式和应力状态）材料的失效形式和应力状态 脆断脆断 剪断剪断 屈服屈服（（2）强度理论）强度理论名名 称称基本假设基本假设相当应力表达式相当应力表达式强度条件强度条件应用范围应用范围第一强度理论（最大第一强度理论（最大拉应力理论）拉应力理论）最大拉应力是引起材料破最大拉应力是引起材料破坏的原因。

坏的原因极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）三向拉应力状态三向拉应力状态第二强度理论（最大第二强度理论（最大拉应变理论）拉应变理论）最大拉应变是引起材料破最大拉应变是引起材料破坏的原因坏的原因压、扭联合作用下的脆性材料压、扭联合作用下的脆性材料第三强度理论（最大第三强度理论（最大切应力理论）切应力理论）最大切应力是引起材料破最大切应力是引起材料破坏的原因坏的原因同第四强度理论同第四强度理论第四强度理论（统计第四强度理论（统计平均剪应力理论）平均剪应力理论）最大剪应力无疑是材料屈最大剪应力无疑是材料屈服的主要原因，但其他斜服的主要原因，但其他斜面上的切应力也有影响，面上的切应力也有影响，所以应用统计平均切应力所以应用统计平均切应力塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、退火球铁、铜、铝等）的单向或二向退火球铁、铜、铝等）的单向或二向应力状态应力状态任何材料在二向或三向压缩应力状态任何材料在二向或三向压缩应力状态莫尔理论（修正后的莫尔理论（修正后的第三强度理论）第三强度理论）在最大切应力的基础上，在最大切应力的基础上，应加正应力的影响应加正应力的影响。

拉压强度极限不等的脆性或低塑性材拉压强度极限不等的脆性或低塑性材料在二向应力状态（二向压缩除外）料在二向应力状态（二向压缩除外）的精确计算的精确计算2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算52.2.2 2.2.2 应力集中应力集中应力集中系数：应力集中系数：2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算52.2.2 2.2.2 应力集中应力集中裂隙附近应力集中：裂隙附近应力集中：2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算5形状形状形状形状应力集中类型应力集中类型应力集中类型应力集中类型载荷类型载荷类型载荷类型载荷类型应力集中系数应力集中系数应力集中系数应力集中系数（（（（   ）））） 集中特性集中特性集中特性集中特性 t / rt / r 5 51010板材板材板材板材细小的单边或双边切口细小的单边或双边切口细小的单边或双边切口细小的单边或双边切口r rH H    0.1mm 0.1mm 拉伸或压缩拉伸或压缩拉伸或压缩拉伸或压缩5.55.57.57.5棒材棒材棒材棒材细小的环形外部切口或内部细小的环形外部切口或内部细小的环形外部切口或内部细小的环形外部切口或内部小空腔小空腔小空腔小空腔r rH H    0.1mm 0.1mm 拉伸拉伸拉伸拉伸3.5-4.03.5-4.04.5-5.04.5-5.0弯曲弯曲弯曲弯曲2.7-2.82.7-2.83.53.5扭转扭转扭转扭转外部切口外部切口外部切口外部切口3.03.04.04.0内部切口内部切口内部切口内部切口1.61.62.02.0管材管材管材管材内部或外部的细小环形切口内部或外部的细小环形切口内部或外部的细小环形切口内部或外部的细小环形切口r rH H    0.1mm 0.1mm 拉伸或弯曲拉伸或弯曲拉伸或弯曲拉伸或弯曲3.5-4.03.5-4.04.5-5.04.5-5.0扭转扭转扭转扭转3.03.04.04.0不同试样的应力集中系数不同试样的应力集中系数 2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算52.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算6应力集中对零件失效的影响应力集中对零件失效的影响 1、材料的缺口敏感性、材料的缺口敏感性 应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有关。

缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向 2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算2、影响应力集中与断裂失效的因素、影响应力集中与断裂失效的因素 （（1）材料机械性能的影响）材料机械性能的影响 （（2）零件几何形状的影响）零件几何形状的影响 （（3）零件应力状态的影响）零件应力状态的影响 （（4）加工缺陷的影响）加工缺陷的影响 （（5）装配、检验产生缺陷的影响）装配、检验产生缺陷的影响6（（2）零件几何形状的影响）零件几何形状的影响 2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件在应力集中处产生零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图疲劳裂纹示意图零件在应力集中处产生零件在应力集中处产生淬火裂纹示意图淬火裂纹示意图6降低应力集中系数的措施降低应力集中系数的措施：：1 从设计方面降低应力集中系数从设计方面降低应力集中系数（（1）变截面部位的过渡）变截面部位的过渡 加大圆角或改变方式加大圆角或改变方式（（2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位（（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔2 采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（（1）表面处理强化）表面处理强化（（2）薄壳淬火）薄壳淬火（（3）喷丸强化）喷丸强化（（4）滚压强化）滚压强化 疲劳时的有效应力集中系数疲劳时的有效应力集中系数2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算6降低应力集中系数的措施降低应力集中系数的措施：：（（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算72.2.3 2.2.3 残余应力和装配应力残余应力和装配应力1 1 残余应力的产生残余应力的产生 （（1 1）热处理残余应力）热处理残余应力 （（2 2）焊接残余应力）焊接残余应力 （（3 3）表面化学热处理引起的残余应力）表面化学热处理引起的残余应力 （（4 4）电镀引起的残余应力）电镀引起的残余应力 （（5 5）切削加工残余应力）切削加工残余应力2 2 消除残余应力的方法消除残余应力的方法 （（1 1）去应力退火）去应力退火 （（2 2）回火或自然时效处理）回火或自然时效处理 （（3 3）加静载（或动载））加静载（或动载） （（4 4）火焰烘烤法）火焰烘烤法2.22.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算9（（1）热处理残余应力）热处理残余应力组织应力分布组织应力分布冷却初期冷却初期冷却后期冷却后期热应力分布热应力分布表面发生相变表面发生相变心部发生相变心部发生相变2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算9（（1）热处理残余应力）热处理残余应力热处理淬火残余应力类型热处理淬火残余应力类型K——表层，表层，R——心部心部2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算10（（1）热处理残余应力）热处理残余应力轧辊淬火残余应力轧辊淬火残余应力 中心表面材料：0.97%C 硬化深度：2.4～2.8mm心部轴向心部轴向心部周向心部周向表面轴向表面轴向表面周向表面周向火焰淬火残余应力分布火焰淬火残余应力分布2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算11（（2 2））化学热处理引起的残余应力化学热处理引起的残余应力（（D表示有效渗碳层深度）表示有效渗碳层深度） D=0.8mm 渗碳层残余应力分布渗碳层残余应力分布氮化层残余应力分布氮化层残余应力分布2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算8（（3）焊接残余应力）焊接残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力金属金属电镀溶液电镀溶液应力（应力（MPa））CrNiCuCoZnZdPb铬酸铬酸—硫酸硫酸 50°C铬酸铬酸—硫酸硫酸 65°C铬酸铬酸—硫酸硫酸 85°C光亮镀镍用液纯净光亮镀镍用液纯净光亮镀镍用液光亮镀镍用液+杂质杂质光亮镀镍用液光亮镀镍用液+糖精糖精酒石酸钾钠酒石酸钾钠—氰化物氰化物酒石酸钾钠酒石酸钾钠—氰化物氰化物+硫氰酸钾硫氰酸钾硫酸盐硫酸盐酸酸氰化物氰化物过氯酸盐过氯酸盐1072554321072251961-28315～～630-56 ～～ 12-8-312.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算 激光强化层的残余应力沿层深的分布激光强化层的残余应力沿层深的分布(a)σ(a)σX X—层深分布曲线　层深分布曲线　(b)σ(b)σY Y—层深分布曲线层深分布曲线 1-1500W1-1500W，，25mm/s25mm/s　　　　 2-1000W2-1000W，，25mm/s 25mm/s 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算喷涂工艺方法对喷涂工艺方法对NiCrSiNiCrSi 涂层残余应力的影响涂层残余应力的影响 火焰喷涂涂层内残余火焰喷涂涂层内残余应力与其厚度的关系应力与其厚度的关系 122.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算一个预测热喷涂涂层残余应力分布的解析模型：平面几何模型一个预测热喷涂涂层残余应力分布的解析模型：平面几何模型1 模型公式模型公式建立在平面几何的基础之上。

建立在平面几何的基础之上1.1 沉积应力沉积应力1.1.1 第一层第一层应变应变 （（1））  q——内（淬火）应力；内（淬火）应力；Ed——杨氏模量杨氏模量假设每一个部位产生的应变是不相等的，并产生反作用力假设每一个部位产生的应变是不相等的，并产生反作用力F，于是有，于是有(2) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算(3) 在涂层形成一个很大的拉应力，同时，在基板上上产生一个对等的在涂层形成一个很大的拉应力，同时，在基板上上产生一个对等的平衡的反作用力平衡的反作用力——压应力 形成弯矩（形成弯矩（banding moment）） (4)中性层中性层 1(5)12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算Composite beam stiffness (6)平衡弯矩平衡弯矩M1，产生曲率变化，，产生曲率变化， 1- 0 (7) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算假设双向应力相等（假设双向应力相等（ x =  z），厚度方向应力可以忽略（），厚度方向应力可以忽略（ y = 0）。

由泊松效应（由泊松效应（Poisson effect），）， z将在将在x方向导致一个应变方向导致一个应变 (8)x方向的应力应变关系可以表示为：方向的应力应变关系可以表示为： (9)Effective young’s modulus value.12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算从材料力学可以计算：从材料力学可以计算： (10) (11) 涂层第一层中部的应力：涂层第一层中部的应力： (12) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算 (13) 平衡应变平衡应变 等效杨氏模量等效杨氏模量 (14) F2的表达式的表达式 (15) F2分摊在镀层第一层和基板中分摊在镀层第一层和基板中12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算作用在基板上的力为：作用在基板上的力为： (16)作用在第一层镀层上的力为：作用在第一层镀层上的力为： (17)12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算大小相等方向相反的力对形成力矩大小相等方向相反的力对形成力矩M2：： F2s和和F2w都是压应力。

在镀层的第二层上存在与都是压应力在镀层的第二层上存在与F2大小相等的拉应力大小相等的拉应力18) 平衡弯矩平衡弯矩M2，产生曲率变化，，产生曲率变化， 2- 1(19) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算组合板的硬度（强度）可以写为：组合板的硬度（强度）可以写为：(20) 可以确定可以确定 2为：为： (21) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算基板底部和顶部的应力可以写为：基板底部和顶部的应力可以写为：和和(22) (23) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算镀层第一层中部（心）的应力变为：镀层第一层中部（心）的应力变为：镀层第二层中部（心）的应力可以计算为：镀层第二层中部（心）的应力可以计算为：(24) (25) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算1.1.3 nth 层的应力层的应力上述的分析和计算可以扩展到上述的分析和计算可以扩展到n层。

层26) (27) (28) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算(30) (29) (31) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算运用式运用式26-29可以估算第可以估算第j层的应力用层的应力用j代替各式中的代替各式中的n，，j层中部（心）的层中部（心）的应力为：应力为： (32) 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算这里，这里，1 j n，其分布如图，其分布如图3所示12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算1.2 冷却过程中不同的热收缩冷却过程中不同的热收缩 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算考虑两块板从无应力状态冷却考虑两块板从无应力状态冷却 T，则产生应变变量，则产生应变变量 =（（ s -  d）） T。

假设这一应变在板的底部和顶部产生大小相等的反作用的平衡力假设这一应变在板的底部和顶部产生大小相等的反作用的平衡力F(CTE)，则在，则在x轴上由力平衡可以得到：轴上由力平衡可以得到： （（33）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算这两个力行成力矩这两个力行成力矩M(CTE)为了平衡这一力矩，则有曲率变化为了平衡这一力矩，则有曲率变化 2- 1（（34）） （（35）） （（36）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算 是中性层（是中性层（yc=0）到表面（）到表面（y=0）的距离且等于）的距离且等于 n当在涂层中时，当在涂层中时， n是固是固定的，为：定的，为：从式（从式（34）和（）和（35），可以得出），可以得出F(CTE)的表达式：的表达式：结合式（结合式（33）和式（）和式（36））-（（38），曲率变化从应变变量），曲率变化从应变变量增加到增加到 c- n （（39）） （（38）） （（37）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算因而，可以从式（因而，可以从式（37）计算）计算(CET)导致的应力：导致的应力：（（40a）） （（40b）） （（40c）） （（40d）） （（40e）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算1.3 最终的应力水平最终的应力水平最终的基板底部和顶部的应力水平可以从式（最终的基板底部和顶部的应力水平可以从式（30）和式（）和式（40e）或）或者（者（31）和（）和（40d）来进行计算：）来进行计算：和和 （（41）） （（42）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算对于涂层，对于涂层，jth层中部（心）的应力为：层中部（心）的应力为：（（43）） 1≤j≤n 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算作为一个例子，作为一个例子，nth层中部（心）的应力为：层中部（心）的应力为： （（44）） 12（（4 4））涂镀层引起的残余应力涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算2 模型的应用模型的应用13（（5 5））切削加工残余应力切削加工残余应力 铣加工表面残余应力 B—侧刃铣（低速） C—端面铣（低速） D—滚铣（高速）砂轮太硬时的磨削应力2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算14金金 属属 材材 料料 种种 类类 温度温度 C 时间时间h 灰口铸铁灰口铸铁碳钢碳钢Mo钢（钢（C 0.2%））Mo钢（钢（0.2% C 0.35%））Cr—Mo钢（钢（2%Cr，，0.5%Mo））Cr—Mo钢（钢（9%Cr，，1%Mo））Cr不锈钢不锈钢Cr—Ni不锈钢（不锈钢（316））Cr—Ni不锈钢（不锈钢（310））铜合金（铜合金（Cu））铜合金（铜合金（80Cu—20Zn或或70Cu—30Zn））铜合金（铜合金（60Cu—40Zn））铜合金（铜合金（64Cu—18Zn—18Ni））镍和蒙乃尔合金（镍和蒙乃尔合金（Ni64～～69%—Cu26～～32%少量少量Fe，，Mn 430～～600600～～680600～～680680～～760720～～750750～～780780～～800820870150260190250280～～320 0.5～～5122～～3232220.51111～～3 去应力退火的温度及保温时间去应力退火的温度及保温时间 去应力退火去应力退火 2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算15 回回火火（（200200～～400400 C C））或或自自然然时时效效（（可可降降低低残残余余应力应力30%30%）） 加静载加静载——使有残余应力部位发生屈服。

使有残余应力部位发生屈服 加加动动载载——振振动动法法，，主主要要用用于于铸铸件件和和焊焊件件；；锤锤击击法，主要用于焊接件法，主要用于焊接件 火火焰焰烘烘烤烤法法——用用于于焊焊接接件件，，可可降降低低残残余余应应力力30%30%2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算152.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算16残余应力的测试方法残余应力的测试方法机械法机械法逐层剥除法逐层剥除法 切割法切割法 钻孔法钻孔法——机械测长法，电阻机械测长法，电阻应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法物理测定法物理测定法X X射射线线测测定定法法——测测定定晶晶粒粒内内的的特特定定晶晶面面的的面面间间距距发发生生的的变变化化，，求求得得应应力有照相法和计数管法有照相法和计数管法磁磁性性测测定定方方法法——铁铁磁磁体体的的磁磁化化，，受受到到晶晶体体的的各各向向异异性性、、晶晶粒粒大大小小、、合合金金元元素素、、夹夹杂杂物物及及应应力力的的影影响响残残余余应应力力对对磁磁畴畴的的旋旋转转和和唯唯一一会会产产生附加的阻力。

生附加的阻力其他其他 脆性涂层脆性涂层光学方法光学方法奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性）奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性）2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算16残余应力残余应力对静强度和变形的影响对静强度和变形的影响a）加载前的残余应力）加载前的残余应力 b）加载后的残余应力）加载后的残余应力 c）中央部分的应力）中央部分的应力-应变曲线应变曲线 d）两侧部分的应力）两侧部分的应力-应变曲线应变曲线 e）整体部分的应力）整体部分的应力-应变曲线应变曲线 塑性材料塑性材料——影响不大，或影响不大，或 没有影响没有影响淬火回火淬火回火——影响不可忽视影响不可忽视 2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算16残余应力残余应力对疲劳的影响对疲劳的影响 一般，当承受交变应力的构件存在压缩残一般，当承受交变应力的构件存在压缩残余应力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸余应力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸残余应力时，构件的疲劳强度下降残余应力时，构件的疲劳强度下降冷加工和热处理残余应力对疲劳强度的影响冷加工和热处理残余应力对疲劳强度的影响2.2零件受力分析及强度刚度计算零件受力分析及强度刚度计算172.3.1低应力脆断及材料的韧性低应力脆断及材料的韧性 脆性断裂的共性特点：脆性断裂的共性特点： （（1）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的安全的 （（2）脆断通常发生在比较低的工作温度下）脆断通常发生在比较低的工作温度下 （（3）脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材）脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处料的缺陷处 （（4）厚截面、高应变速率促进脆断。

厚截面、高应变速率促进脆断2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计17冲击韧性冲击韧性应力场强度因子应力场强度因子缺口敏感性缺口敏感性温度和应变速率对脆断的影响温度和应变速率对脆断的影响脆性转折温度脆性转折温度 FATT NDT SATT FTP METT2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计18结构设计应用例结构设计应用例（（1）一厚板零件，使用）一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造其钢制造其 如图所示如图所示无损检测发现裂纹长度在无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为以上，设计工作应力为 讨论：讨论：a 工作应力工作应力 d=750MNm-2 时，检测手段能否保证防止发生脆断？时，检测手段能否保证防止发生脆断？ b 企图通过提高强度以减轻零件重量，若企图通过提高强度以减轻零件重量，若 b提高到提高到1900MNm-2 是否合适？是否合适？ c 如果如果 b提高到提高到1900MNm-2 ，则零件的允许工作应力是多少？，则零件的允许工作应力是多少？2.3.2断裂韧性在结构设计断裂韧性在结构设计 和失效分析中的应用和失效分析中的应用2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计安全判据安全判据 ,是结构断裂设计的依据。

是结构断裂设计的依据18解：解：a 选用钢材，选用钢材， 为为66MNm-3/2 ，计算得，计算得 b 通过热处理提高材料强度通过热处理提高材料强度  b = 1900MNm-2 ，则，则 =34.5MNm-3/2 ，，计算得裂纹临界长度计算得裂纹临界长度2c=2.1mm小于检测范围，不能保证不发生脆性小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂 若改用钢材若改用钢材4，则可计算得，则可计算得2c约为约为4.35mm，满足要求满足要求 c 在在 b = 1900MNm-2时，对钢材时，对钢材1，在临界裂纹，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应时，其工作应力为力为 d=685MNm-2 对钢材对钢材4，在临界裂纹，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为时，其工作应力为 d=990MNm-2 19压力容器的防爆设计压力容器的防爆设计保证先泄漏，不爆裂保证先泄漏，不爆裂临界裂纹临界裂纹ac必须大于容器壁厚必须大于容器壁厚由由可得可得 则则 ac   t 则先泄漏则先泄漏 ac   t 则先爆破则先爆破2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计。