失效分析基础和程序2

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1、12零件断裂失效与材料强度22 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序号序号失效类型失效类型失效类型失效类型失效形式失效形式失效形式失效形式直接原因直接原因直接原因直接原因1 1过量变形过量变形过量变形过量变形失效失效失效失效a. a. 扭曲（如花键）扭曲（如花键）扭曲（如花键）扭曲（如花键）b. b. 拉长（如紧固件）拉长（如紧固件）拉长（如紧固件）拉长（如紧固件）c. c. 胀大超限（如液压活塞缸体）胀大超限（如液压活塞缸体）胀大超限（如液压活塞缸体）胀大超限（如液压活塞缸体）d. 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）高低温下的蠕变

2、（如动力机械）高低温下的蠕变（如动力机械）e. e. 弹性元件发生永久变形弹性元件发生永久变形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。常使用。常使用。常使用。2 2断裂失效断裂失效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）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

3、时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。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）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。引

4、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、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、拉接触、拉接触、拉- -拉、拉拉、拉拉、拉拉、拉- -压、复合载荷谱疲劳与热疲压、复合载荷谱疲劳与热疲压、复合载荷谱疲劳与热疲压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。劳，高温疲劳等。劳，高温疲劳等。劳，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。的低应力破坏。的低应力破坏。3 3表

5、面损伤表面损伤表面损伤表面损伤失效失效失效失效磨损：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（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。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力下有相对运

6、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。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，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。磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。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环境气氛的化学和电化学作用引起。引起。引起。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

7、机械零件失效形式与来源33 32.1.2 失效的来源失效的来源 引起零件早期时效的原因是很多的，主要有以引起零件早期时效的原因是很多的，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

8、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44 42.2.1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。极脆极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）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）

9、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。同同第四强度理论。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、

10、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）在在最大切应力的基础上，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54 42.2.12.2.1应力状态

11、分析与强度理论应力状态分析与强度理论（3）强度理论应用）强度理论应用 按这些理论，便可根据简单实验（如拉伸试验）所测得的材料抗力，分析计按这些理论，便可根据简单实验（如拉伸试验）所测得的材料抗力，分析计 算其他复杂应力状态下材料的强度。如按强度理论可以建立纯剪切应力状态的强算其他复杂应力状态下材料的强度。如按强度理论可以建立纯剪切应力状态的强 度条件并可以由此确立塑性材料许用剪应力度条件并可以由此确立塑性材料许用剪应力 与许用拉应力与许用拉应力 之间的关系：之间的关系： 如前所述，纯剪应力状态是一拉一压二向应力状态，且如前所述，纯剪应力状态是一拉一压二向应力状态，且 按第三强度理论得出的强度条

12、件为按第三强度理论得出的强度条件为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按第四强度理论，可得出按第四强度理论，可得出65 5注意：注意： 对于同一种材料，采用不同的强度理论进行分析，对于同一种材料，采用不同的强度理论进行分析，有时会得出不同的结果。如铸铁在二向拉伸一向压缩且压有时会得出不同的结果。如铸铁在二向拉伸一向压缩且压力较大的情况下，试验结果与按第二强度理论的计算结果力较大的情况下，试验结果与按第二强度理论的计算结果相近；而按照这一理论，铸铁在二向拉伸时应比单向拉伸相近；而按照这一理论，铸铁在二向拉伸时应比单向

13、拉伸安全，这显然与试验结果不相符，在这种情况下用第一理安全，这显然与试验结果不相符，在这种情况下用第一理论计算的结果就比较接近试验数据。论计算的结果就比较接近试验数据。因此在进行实际分析因此在进行实际分析时应按各种强度理论的适用范围选用。时应按各种强度理论的适用范围选用。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75 52.2.2 2.2.2 应力集中应力集中 零件截面有急剧变化处，零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中，表示

14、应现象称为应力集中，表示应力集中程度大小的系数称为力集中程度大小的系数称为应力集中系数：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85 5当构件承受图示的应力状态时，裂隙端点附近的应力分布为：当构件承受图示的应力状态时，裂隙端点附近的应力分布为：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95 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 当薄板或长柱在裂隙方向

15、及其垂直方向受有均布剪力当薄板或长柱在裂隙方向及其垂直方向受有均布剪力q时，其裂时，其裂隙端点（裂隙形式和前相同）附近的应力分布为：隙端点（裂隙形式和前相同）附近的应力分布为：105 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5.55.57.5

16、7.5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

17、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116 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

18、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126 6降低应力集中系数的措施降低应力集中系数的措施：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 表面感应加热淬火、渗碳、氮化和复合处理等表面感应加热淬火、渗碳、氮化和复合处理等 （2）薄壳淬火）薄壳淬火 直径大且有截面变化的短轴类零件，如选用低淬直径大且有截面变化的短轴类零件，如选用低淬透性钢，经强烈淬火后，可形成表面薄的淬硬层，其内存在残余

19、透性钢，经强烈淬火后，可形成表面薄的淬硬层，其内存在残余压应力，可降低应力集中的影响。压应力，可降低应力集中的影响。 （3）喷丸强化）喷丸强化 使金属表层强化且产生大的残余压应力，从而降使金属表层强化且产生大的残余压应力，从而降低应力集中的的危害。低应力集中的的危害。 （4）滚压强化）滚压强化 使零件表面形变强化并产生残余压应力，从而降使零件表面形变强化并产生残余压应力，从而降低应力集中的有害作用。低应力集中的有害作用。 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137 7

20、2.2.3 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）焊接残余应力焊接残余应力 （2 2）热处理残余应力热处理残余应力 （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

21、力分析及强度刚度计算148 8（1）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159 9（2）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161010（2）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：2.42.8mm心部轴向心部周向表面轴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171

22、111（3 3）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181212（4 4）电镀引起的残余应力电镀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 50C铬酸铬酸硫酸硫酸 65C铬酸铬酸硫酸硫酸 85C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

23、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1072554321072251961-28315630-56 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191313（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201414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%）CrMo钢（钢

24、（2%Cr，0.5%Mo）CrMo钢（钢（9%Cr，1%Mo）Cr不锈钢不锈钢CrNi不锈钢（不锈钢（316）CrNi不锈钢（不锈钢（310）铜合金（铜合金（Cu）铜合金（铜合金（80Cu20Zn或或70Cu30Zn）铜合金（铜合金（60Cu40Zn）铜合金（铜合金（64Cu18Zn18Ni）镍和蒙乃尔合金（镍和蒙乃尔合金（Ni6469%Cu2632%少量少量Fe，Mn 430600600680600680680760720750750780780800820870150260190250280320 0.551223232220.511113 去应力退火的温度及保温时间去应力退火的温度及保温

25、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211515 回回火火（200200400400 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221616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

26、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。力。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

27、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231616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241

28、616对硬度的影响对硬度的影响 从原理而言硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬从原理而言硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬度的测定值都在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测度的测定值都在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测得的硬度值有所变动。在压入硬度的情况，残余应力要影响得的硬度值有所变动。在压入硬度的情况，残余应力要影响到压入部分周围塑性变形。到压入部分周围塑性变形。 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251616 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余应一般，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

29、在拉伸残余应力力时，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。时，构件的疲劳强度下降。 对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响 对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的，有大量的事例效形式，残余应力的作用是显著的，有大量的事例和分析表明有许多类似的失效的应力是由残余应力和分析表明有许多类似的失效的应力是由残余应力提供的或残余应力起到了至关重要的作用。提供的或残余应力起到了至关重要的作用。 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2617172.3.1低应力脆断及材

30、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，按强度设计是安全的）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的 （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料的缺陷处）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 （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。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

31、 FTP METT2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计271818冲击韧性冲击韧性 在在材材料料测测试试和和工工程程实实践践中中应应用用比比较较广广泛泛的的是是缺缺口口冲冲击击实实验验。为为了了统统一一和和对对比比，人人们们对对冲冲击击实实验验的的试试样样、冲冲击击方方法法等等规规范范化化，形形成成了了标标准准的的冲冲击击韧韧性性实实验验方方法法和和试试样样标标准准。常常用用的的冲冲击击试试样样有有夏夏氏氏V V型型和和梅梅氏氏U U型型缺缺口口试试样样，如如图图所所示示，用用冲冲击击试试样样的的断断裂裂功功A AK K（J J）或或a ak k（J/cmJ/cm2 2）作为材料的

32、韧性指标。作为材料的韧性指标。2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计2818182.3.2断裂韧性在结构设计和失效分析中的应用断裂韧性在结构设计和失效分析中的应用安全判据安全判据 是结构断裂设计的依据。是结构断裂设计的依据。1结构设计应用例结构设计应用例2（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。3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 。4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？5

33、 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-26 是否合适？是否合适？ 7 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？8解：解：a 选用钢材，选用钢材， 为为66MNm-3/2 ，计算得计算得9 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 ，计算得裂纹临计算得裂纹临界长界长10 度度2c=2.1mm。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。11 若改用钢材若改用钢材4

34、，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。12 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，其工作应力为时，其工作应力为 d=685MNm-2 13 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 2919192.4.1 单向拉（压）应力单向拉（压）应力 在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、钢丝绳等。钢丝绳等。1、评定单向应力的指标、评定单向应力的指标（1）数学表达式）

35、数学表达式 对于脆性材料对于脆性材料 对于塑性材料对于塑性材料（2）安全系数）安全系数 2、提高材料强韧性能的措施、提高材料强韧性能的措施（1）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。2.4 2.4 负荷形式与零件断裂负荷形式与零件断裂3019193、断裂分析断裂分析

36、此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。 （）韧断（）韧断 a 首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，即安全系数是否太小或者未予以考虑；即安全系数是否太小或者未予以考虑； b 分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及心部是否淬硬等；心部是否淬硬等； c 如果上述问题不存在，应作化学成分分析。如果上述问题不存在，应作化学成分分析。 （）脆断（）脆断 除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微

37、观裂缝的存除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存在对韧性的影响。在对韧性的影响。2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计311919例例 国产国产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为a=0.5mm，半宽半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为的表面裂纹，其工作应力为 =960MPa。淬火并低温淬火并低温回火后材料的强度回火后材料的强度 b =2110MPa， s =1920MPa，KIC=39.50MPa m-1/2，在在使使用中发生脆断，试分析原因。用中发生脆断，试分析原因。分析一分析

38、一 按传统强度理论校核按传统强度理论校核2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计结论：应是安全的结论：应是安全的 。321919分析二分析二 因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件下，为下，为2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计 根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂纹形状因子根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂纹形状因子数据，将有关数据代入后得数据

39、，将有关数据代入后得 c =948.5MPa。 由此可见，零件最大承载能力为由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力低于实际的工作应力960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所以必然是脆性断裂。以必然是脆性断裂。 结论：材料韧性不足，脆断。结论：材料韧性不足，脆断。331919 若将淬火低温回火改为调质处理，则得若将淬火低温回火改为调质处理，则得 b =1540MPa， s =1440MPa，KIC =66.36 MPa m-1/2，其结果：其结果：2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性

40、与断裂设计 同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得 c =1564.5MPa （工作应力，工作应力，960MPa）。）。 在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。 3419192.4.4 扭转应力扭转应力 1、应力状态

41、、应力状态 此类零件垂直轴线的截面上只有剪切应力的作用，其最外层此类零件垂直轴线的截面上只有剪切应力的作用，其最外层的最大剪应力最大正应力为的最大剪应力最大正应力为2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计2、选材与热处理选材与热处理（1）选材）选材 通常选用中碳钢或中碳合金钢。过高碳量容易造成热处理后韧性不足，通常选用中碳钢或中碳合金钢。过高碳量容易造成热处理后韧性不足，过低碳量则易造成热处理后的强度不够，合金元素（淬透性的要求）应按零过低碳量则易造成热处理后的强度不够，合金元素（淬透性的要求）应按零件尺寸的大小适当选用。件尺寸的大小适当选用。（2）热处理）热处理 有两个特点：一是不要

42、淬透，二是采用中温回火，以便获得回火屈氏体有两个特点：一是不要淬透，二是采用中温回火，以便获得回火屈氏体组织，该组织具有适合组织，该组织具有适合 的应力作用特点。的应力作用特点。 351919例例： 在在汽汽车车变变速速箱箱的的传传动动系系统统中中，变变速速箱箱的的输输入入轴轴与与发发动动机机相相连连接接，其其转转速速为为2100r/min，输输出出轴轴与与传传动动轮轮相相联联，输输入入轴轴、输输出出轴轴间间的的传传动动比比为为2.81：1，传传动动轴轴的的传传递递功功率率50kW，材材料料的的许许用用剪剪切切应应力力 c=60MPa，该该轴轴的的直直径径为为35mm，在使用中发生韧断，试分析

43、原因。在使用中发生韧断，试分析原因。 强度校核强度校核 根据题意根据题意 传动轴的转速传动轴的转速 n=2100/2.81=747.3 r/min ， 传动轴的功率传动轴的功率 N=50 kW得：得： 传动轴的扭矩传动轴的扭矩n：传动轴的抗扭截面系数传动轴的抗扭截面系数Wp： 传动轴的最大剪切应力传动轴的最大剪切应力 max： 结论结论 设计选择材料不当。设计选择材料不当。 2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计361919 例例 一一台台125MW的的汽汽轮轮机机组组，转转子子轴轴的的外外径径为为464mm，中中心心孔孔径径为为70mm，探探伤伤发发现现距距内内孔孔表表面面82mm

44、处处，存存在在一一个个半半径径为为6mm的的圆圆片片缺缺陷陷（大大块块非非金金属属夹夹杂杂物物），转转子子用用钢钢为为CrMoV钢钢，其其 s =672MPa，KIC =1100 MPa m-1/2，此此处处的的工工作作应应力力为为 =375MPa。试试问问该该转转子子轴轴是是否否有有脆脆断断的的危危险险（能能否否继续使用）？继续使用）？分析分析 塑性区的尺寸为塑性区的尺寸为2.3 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计结论结论 实际裂缝半径尺寸实际裂缝半径尺寸a=6mm，而临界裂纹尺寸为而临界裂纹尺寸为6.75mm， 故此轴有脆断的危险。故此轴有脆断的危险。临界条件下临界条件下371919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