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1、1失效分析材料强度与断裂孙孙 智智 博士博士中中 国国 矿矿 业业 大大 学学 教授，博导教授，博导中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家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 2束德林：金属力学性能，机械工业出版社，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，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，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，郑修麟：材料力学性能，
2、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，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，俞茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社， TG0346/Y-526楮武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社，楮武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社， TG111.9142 2 本课程主要内容：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，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缺口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性
3、条件下裂纹前端的应力应变场及断裂韧性）。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）。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）。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）。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；
4、应力腐蚀机环境断裂（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）理及表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）。 52 2 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标拉伸曲线示意图拉伸曲线示意图 62 2 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标拉伸曲线示意图拉伸曲线示意图 72 2 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标强度指标：强度指标：比例极限比例极限 p p应力与应变成正比关系的
5、最大应力。应力与应变成正比关系的最大应力。弹弹性性极极限限 e e材材料料由由弹弹性性变变形形过过渡渡到到弹弹- -塑塑性性变变形形的的应应力力。应应力力超超过过弹弹性性极极限限，即即开开始始发发生生塑塑性性变变形形。微微量量塑塑性性变变形形。不不允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。屈服极限屈服极限金属发生明显塑性变形的抗力。金属发生明显塑性变形的抗力。屈服点屈服点 s s屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。屈服强度屈服强度 0.20.2规定产生规定产生0.2%0.2%残余伸长的应力。残余伸长的应力。抗拉强
6、度（强度极限）抗拉强度（强度极限） b b试样拉断前最大载荷所决定的试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力。条件临界应力。国家标准中规定：国家标准中规定： e e （ 0.010.01） ， S S（ 0.20.2），）， b b1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标82 2 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标塑性指标：塑性指标：塑性塑性断裂前金属发生塑性变形的能力断裂前金属发生塑性变形的能力伸长率伸长率 K K断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸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，长与试样原标距的比
7、值， 。伸长率与试样原始标距长度有关，伸长率与试样原始标距长度有关， 5 5， 1010断断面面收收缩缩率率 断断裂裂后后试试样样截截面面的的相相对对收收缩缩值值， ，与试样尺寸无关。与试样尺寸无关。 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标92 2 1.1.1 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标硬度硬度 衡衡量量金金属属材材料料软软硬硬程程度度的的一一种种性性能能指指标标。表表征征着着材材料料的的弹弹性性、塑塑性性、形形变变强强化化、强强度度和和韧韧性性等等一一系系列列不不同同物物理理量量组组合合的的一一种种综综合合性性能能指指标标，不不
8、是是一一个个单单纯纯的的物物理理量量，试试验验方方法法不同，其物理意义也不同。不同，其物理意义也不同。 一一般般可可以以认认为为硬硬度度是是金金属属表表面面抵抵抗抗局局部部压压入入变变形形或或刻刻划划破裂的能力。破裂的能力。 压入法、刻划法。压入法、刻划法。 压入法压入法静载和动载。静载和动载。 静载静载布氏、洛氏、维氏硬度。布氏、洛氏、维氏硬度。 动载动载肖氏硬度。肖氏硬度。 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标102 2 布氏硬度布氏硬度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
9、压入坑的直径。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。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。根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。 洛洛氏氏硬硬度度HRA、HRB、HRC：用用120 的的金金刚刚石石圆圆锥锥或或直直径径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。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。一般用于测量淬火回火态的钢试件。 表表面面硬硬度度计计：用用小小载载荷荷加加压压，用用于于测测量量薄薄试试件件
10、、氮氮化化层层、渗渗碳碳层层、金金属镀层等的硬度。属镀层等的硬度。 维维氏氏硬硬度度及及显显微微硬硬度度HV：用用金金刚刚石石的的正正四四棱棱锥锥体体压压入入试试件件，测测量量压压痕痕对角线长度。对角线长度。 肖肖氏氏硬硬度度HS：动动载载试试验验法法。用用一一定定质质量量的的带带有有金金刚刚石石圆圆头头或或钢钢球球的的重重锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。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。 肖氏硬度肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性
11、能指标金属机械性能指标112 2 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标硬度和抗拉强度之间的经验关系：硬度和抗拉强度之间的经验关系：未淬硬钢：未淬硬钢： b=0.362HB HB 175 b =0.345HB HB 175 b =2.64 103/（130-HRB） HRB 90 b =2.61 103/（130-HRB） 100 HRB 90碳钢：碳钢： b =2.5HS b =51.32 104/（100-HRC）2 HRC 27灰铸铁：灰铸铁： b =（HB-40）/6 b =48.46 104/（100-HRC）2 40 HRC 27铸钢：铸钢： b =（0.3 0.4）HB
12、 HRC 40 b =8.61 103/（100-HRC） HRC 40 1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标122 2 1.1.2 金属的其它性能指标金属的其它性能指标扭转扭转弯曲弯曲压缩压缩1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标132 2扭转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。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 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标142 2弯曲试验：弯曲试验： 表面强度。表面强度。 脆性材料，表面处理的工脆性
13、材料，表面处理的工件。铸铁，焊接接头等。评定件。铸铁，焊接接头等。评定塑性材料的塑性。塑性材料的塑性。 三点弯曲法。三点弯曲法。1.1 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标金属机械性能指标152 2 1.2.1 交变载荷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。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 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度 承受交变应力典型零件的应力循环特征承受交变应力典型零件的应力循环特征循环特征循环特征零件名称零件名称零件名称零件名称轴轴轴轴齿轮齿根齿轮齿根齿轮齿根齿轮齿根轴承轴承轴承轴承连杆连杆连杆连杆螺栓螺
14、栓螺栓螺栓应力变化应力变化应力变化应力变化循环特征循环特征循环特征循环特征对称循环对称循环对称循环对称循环脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环脉动循环大压小拉大压小拉大压小拉大压小拉大拉小压大拉小压大拉小压大拉小压应力性质应力性质应力性质应力性质r r = =- - - -1 1r r = = 0 0r r = = - - - - - - - - r r - - - -1 10 0 r r 1 1应力状态应力状态应力状态应力状态对称弯曲对称弯曲对称弯曲对称弯曲脉动弯曲脉动弯曲脉动弯曲脉动弯曲脉动压缩脉动压缩脉动压缩脉动压缩不对称不对称不对称不对称不对称不对称不对称不对称16
15、2 2 1.2.2 1.2.2 交变应力下材料的抗力指标及性质交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力）疲劳抗力 材料抵抗交变应力作用的能力称为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）疲劳抗力指标及性质 a 疲劳极限疲劳极限 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。称该材料的疲劳极限。 b 条件疲劳极限（疲劳强度）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条件下工作
16、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次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。称该材料的条件疲劳极限。 c 疲劳破坏的持久值疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（在一定的应力水平下（ r），破坏前的应力循），破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。环次数，叫疲劳破坏的持久值。 d 裂纹扩展速率裂纹扩展速率 1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度172 2 对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的：劳极限是
17、不同的： 对称弯曲对称弯曲 -1 = 0.4 b 对称拉压对称拉压 -1 = 0.28 b 对称扭转对称扭转 -1 = 0.22 b 脉动弯曲脉动弯曲 -1 = 0.65 b 1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度182 2 1.2.3 1.2.3 交变应力下的安全系数交变应力下的安全系数 （）应力集中和应变集中的影响（）应力集中和应变集中的影响 （）尺寸的影响（）尺寸的影响 一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。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尺寸的影响可用尺寸系数 来表示来表示1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度图2-25 锻钢疲劳极限的尺
18、寸系数192 2 （3）表面加工状态的影响）表面加工状态的影响 表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数 1来表示来表示 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 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度202 2 （4）表面腐蚀的影响）表面腐蚀的影响 腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数 2来表示。来表示。 （5）表面强化的影响）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一般来讲，材料强化能提高材料的疲劳极限，特
19、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来来表示。表示。强化方法强化方法心部强度心部强度 b b（MPaMPa）钢试样的表面强化系数钢试样的表面强化系数 3 3光滑试样光滑试样有应力集中试样有应力集中试样K Kf f 1.51.5K Kf f 2.02.0高频淬火高频淬火600600900900800800100010001.31.31.51.51.21.21.41.41.41.41.51.51.51.52.02.01.81.82.22.2渗渗 氮氮90090012001200400400600
20、6001.11.11.31.31.81.82.02.01.51.51.71.73 31.71.72.12.1渗渗 碳碳70070080080010001000120012001.41.41.51.51.21.21.31.32 2辊辊 压压600600150015001.11.11.41.41.41.41.61.61.61.62.02.0喷喷 丸丸600600150015001.11.11.41.41.11.11.41.41.61.62.02.01.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度212 2 1.2.4 1.2.4 接触应力接触应力 1、接触面间的赫兹应力、接触面间的赫兹应力
21、两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（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。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 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度222 2 2、沿圆柱体接触面的对称平面（、沿圆柱体接触面的对称平面（y = 0）上，各点的应力分量）上，各点的应力分量1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度232 2 3、最大切应力、最大切应力 数值计算式数值计算式 所在位置所在位置 切应力切应力 yz（45 ）在）
22、在z = 0.786 b处达最大值。处达最大值。 1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度242 2 4、交变切应力、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，交变切应力切应力 yzn的最大值在的最大值在z 0 = 0.5 b处，其值处，其值 yznmax= 0.25 j。 5、摩擦力对接触应力的影响、摩擦力对接触应力的影响 当摩擦系数为当摩擦系数为1/3时，将有如下变化：时，将有如下变化： 最大主应力分量将增加最大主应力分量将增加39%； 最大切应力分量将增加最大切应力分量将增加43%； 最大交变应力分量将增加最大交变应力分量将增加36%； 最大切应力所在位置，由距表面最大切应力所在位置，由距表面0.786 b处，移至表面，并向处，移至表面，并向y方向偏离方向偏离0.3 b。1.2 1.2 疲疲疲疲 劳劳劳劳 强强强强 度度度度25部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
