材料失效分析論文

1、.材料的疲勞斷裂失效與預(yù)防摘要:本文從材料疲勞斷裂的研究發(fā)展，破壞特點及斷口分析材料疲勞斷裂的原因，并介紹材料疲勞斷裂的預(yù)防。關(guān)鍵詞： 疲勞斷裂 斷口 預(yù)防前言作為科技支柱之一的材料技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到國家經(jīng)濟、科技的發(fā)展水平，材料失效問題普遍存在于各類材料中，它直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到企業(yè)的信譽和生存。材料失效分析的建立是發(fā)達國家工業(yè)革命的一個重要起點，材料的失效分析和預(yù)測預(yù)防工作在經(jīng)濟發(fā)展中占有十分重要的地位，對于材料失效問題的判斷和解決能力，代表了一個國家的科學技術(shù)發(fā)展水平和管理水平。磨損、腐蝕和斷裂是材料失效的3種主要形式。材料的疲勞斷裂失效的研究和發(fā)展 材料的疲勞與斷裂研究試圖尋

2、找材料宏觀疲勞斷裂行為與微觀組織形貌的關(guān)系。試圖探求材料疲勞與斷裂的微觀機制。金屬(非金屬)材料在應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化叫疲勞；雖然在一般情況下，這個術(shù)語特指那些導(dǎo)致開裂或破壞的性能變化。機械構(gòu)件由于材料疲勞損傷導(dǎo)致的斷裂往往沒有明顯的征兆，因此經(jīng)常引起巨大的災(zāi)難性事故，造成人民生命財產(chǎn)損失。因此各個先進的工業(yè)化國家都非常重視疲勞與斷裂的研究。材料疲勞與斷裂的研究經(jīng)歷了幾個階段。目前，人們已經(jīng)認識到在循環(huán)載荷作用下，金屬多晶材料的許多晶粒內(nèi)部會出現(xiàn)滑移帶。這些滑移帶會在疲勞形變中繼續(xù)變化，并導(dǎo)致形成裂紋，而試樣的突然破壞是由某條起主導(dǎo)作用的裂紋向前擴展造成的。現(xiàn)在，人們可以較好

3、的定量描述裂紋擴展的速率，但是，用材料顯微組織的特性可靠的預(yù)測其宏觀的疲勞斷裂性能，還有大量的極具挑戰(zhàn)性的工作需要開展，特別是在新材料迅猛發(fā)展的時代。雖然恒定循環(huán)應(yīng)力幅作用下的疲勞破壞是疲勞基本研究的主要內(nèi)容，但由于工程應(yīng)用中的服役條件不可避免的含有變幅載荷譜，苛刻環(huán)境，低溫或高溫及多軸應(yīng)力狀態(tài)，因此建立能夠處理這些復(fù)雜服役條件下的可靠壽命預(yù)測模型是疲勞研究中最棘手的挑戰(zhàn)之一。材料疲勞與斷裂的研究是材料科學與工程研究領(lǐng)域中的一個重要分支。 疲勞破壞的特點 盡管疲勞載荷有各種類型，但它們都有一些共同的特點。第一， 斷裂時并無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地破壞。第二， 引起疲

4、勞斷裂的應(yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強度。第三， 疲勞破壞能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴展和最后斷裂三個組成部份。 疲勞斷裂斷口組成(1)疲勞源：由于材料質(zhì)量缺陷、加工缺陷等原因，使得零件局部地區(qū)應(yīng)力集中，這些區(qū)域即為疲勞裂紋產(chǎn)生之處，成為疲勞源。零件表面的裂紋源多是表面上有油孔、過渡圓角、臺階、粗大刀痕等應(yīng)力集中處在交變應(yīng)力作用下形成的微裂紋；零件近表面材料內(nèi)部由于冶煉和冷、熱加工的缺陷、晶體滑移和晶界缺陷等在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微型紋。 (2)裂紋擴展區(qū)：裂紋產(chǎn)生之后，隨著應(yīng)力循環(huán)周期增加，裂紋逐漸擴展成貝殼狀或光滑狀條紋，即為疲勞輝紋。由于載荷的間斷和改變，裂紋時而擴展，時而停滯。零件裂

5、開處的兩個面時而閉合，時而分開，以致在兩個斷面上形成貝紋狀弧線。這種弧線就叫疲勞裂紋前沿線，其大小與工作應(yīng)力有關(guān)，工作應(yīng)力小，裂紋壽命長，斷口大。(3)最后斷裂區(qū)域：或稱脆斷區(qū)，由于疲勞裂紋的擴展，使得零件的有效斷面越來越小，應(yīng)力逐步增加，當最終超過材料強度極限時，零件瞬間突然斷裂，斷口晶粒較粗大，與發(fā)暗的裂紋擴展區(qū)明顯不同。脆性材料呈結(jié)晶狀斷口；塑性材料呈纖維狀，斷口呈灰色。疲勞斷裂斷口分析疲勞斷口上的三個區(qū)域的狀況與零件工作時的載荷、應(yīng)力狀態(tài)、零件材料性能及加工情況等有關(guān)。根據(jù)斷口形貌可以定性分析零件所受載荷、材料性能和壽命等，有助于分析零件疲勞斷裂產(chǎn)生的原因：(1)疲勞源大多分布于零件表

6、面，一般有1-2個。(2)疲勞裂紋擴展呈貝紋狀時，貝紋細密、間距小，表示材料抗疲勞性能好，疲勞強度高。貝紋稀疏、間距大。表示材料疲勞強度低。(3)最后斷裂區(qū)所占面積很大，甚至超過斷面的一半以上，說明零件嚴重過載；若所占面積較小或小于斷面一半時，說明零件無過載或過載很小。在相同條件下，高應(yīng)力狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積大于低應(yīng)力狀態(tài)零件的最后斷裂區(qū)的面積；承受單向彎曲的零件僅有l(wèi)個疲勞源，承受雙向彎曲的零件有2個疲勞源；承受單向彎曲的零件與承受扭轉(zhuǎn)彎曲的零件的最后斷裂區(qū)的形狀不同，后者的疲勞源與最后斷裂區(qū)的相對位置發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并由于零件上缺口應(yīng)力集中的影響較大，使最后斷裂面積很小且與零件斷面呈同心狀。疲勞斷裂的預(yù)防延緩疲勞斷裂的時間，延緩金屬零件疲勞斷裂的萌生時間的措施及方法主要有噴完強化、細化材料的晶粒尺寸及通過形變熱處理使晶界成鋸齒狀或使晶粒定向排列并與受力方向垂直等。 降低疲勞裂紋的擴展率，對于一定的材料及一定形狀的金屬零件，當其已經(jīng)產(chǎn)生疲勞裂紋后為了防止和降低疲勞裂紋的擴展，可采用以下措施：對板材零件上的表面局部裂紋可采取止裂孔法，即在裂紋擴展前沿鉆孔已組織裂紋進一步擴展；對于零件內(nèi)表面裂紋可采取扎孔法進行消除；對于表面局部裂紋可采取刮磨修理法等是行之有效的。除此之外，對于零件局部表面裂紋