第1章 機械零件的失效分析-2

1、第二節(jié)第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂 一、基本概念一、基本概念 靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下分為兩 個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。 斷裂的分類 力學力學 宏觀宏觀 微觀微觀 正斷正斷 切斷切斷 韌斷韌斷 脆斷脆斷 微孔聚合微孔聚合 解理解理 晶間晶間 晶內(nèi)晶內(nèi) “虹橋虹橋”系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名，系綦江縣形象工程，形似彩虹而得名， 該橋跨越長江支流該橋跨越長江支流綦河，連接城東城西，于綦河，連接城東城西，于 1994年年11月月5日動工建設(shè)，日動工建設(shè)，1996年年2月月16日竣工，日竣工， 橋凈空跨度橋凈空跨度120米，耗資米，耗資368萬

2、元。萬元。 1999年年1月月4日晚日晚6時時50分左右，彩虹橋整體垮塌，分左右，彩虹橋整體垮塌， 包括包括18名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的名年輕武警戰(zhàn)士在內(nèi)的40人遇難。人遇難。 調(diào)查組認為，這次垮塌事件由兩方面的原因造調(diào)查組認為，這次垮塌事件由兩方面的原因造 成。一是工程質(zhì)量問題；二是工程承發(fā)包不合成。一是工程質(zhì)量問題；二是工程承發(fā)包不合 法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災，而是法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災，而是 人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)建人禍。其根本原因，是由于政府在工程開發(fā)建 設(shè)上沒有遵循法律，履行必要的審核、論證程設(shè)上沒有遵循法律，履行必要的審核、論證程 序，采取了序，采

3、取了“特事特辦特事特辦”的方式，盲目追求效的方式，盲目追求效 率營造率營造“獻禮工程獻禮工程”，從而釀成大禍。，從而釀成大禍。 綦江彩虹橋垮塌案 1999年3、4月，重慶第一中級人民法院對“綦江彩虹橋垮 塌案”14名責任被告人進行一審宣判。其中10人不服，并上訴。 同年12月，重慶市高院作出終審判決。 林世元 男，原綦江縣委員會副書記，因受賄罪、玩忽職 守罪，被高級人民法院終審判處死刑，緩期2年執(zhí)行。 張基碧 男，原綦江縣城鄉(xiāng)建設(shè)管理委員會主任，因玩忽 職守罪，被判處有期徒刑6年。 趙祥忠 男，原重慶市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站站長，因工程 重大安全事故罪，被判處有期徒刑5年，并處以罰金2萬元。 賀際

4、慎 女，原綦江縣人大常委會副主任，因玩忽職守罪， 被判處有期徒刑3年。 費上利 男，“虹橋”工程組織承建者，因工程重大安全 事故罪，被判處有期徒刑10年，并處罰金50萬元。 此外，李蒙澤、孫立、段浩、夏福利、閻珂、劉澤均、胡 開明、王遠凱等人，及重慶通用工業(yè)技術(shù)服務部，因重大工程 重大安全事故罪、玩忽職守罪、生產(chǎn)銷售不符合安全標準的產(chǎn) 品罪等罪名，被判處6年至10年的有期徒刑，并處以3萬至25萬 元罰金。 綦江彩虹橋垮塌案例 微孔聚合型斷口微孔聚合型斷口 解理型斷口解理型斷口 晶間斷裂晶間斷裂 晶內(nèi)斷裂晶內(nèi)斷裂 裂紋形成（萌生）階段裂紋形成（萌生）階段 裂紋擴展階段裂紋擴展階段 斷裂過程斷裂過

5、程 裂紋萌生：材料在外力作用下，形成微裂紋裂紋萌生：材料在外力作用下，形成微裂紋 或以內(nèi)部缺陷作為裂紋源。或以內(nèi)部缺陷作為裂紋源。 裂紋擴展：微裂紋或裂紋源逐漸擴展至一臨界裂紋擴展：微裂紋或裂紋源逐漸擴展至一臨界 尺寸時，立即發(fā)生斷裂。前者段尺寸時，立即發(fā)生斷裂。前者段 稱裂紋亞穩(wěn)擴展階段，后者稱裂稱裂紋亞穩(wěn)擴展階段，后者稱裂 紋失穩(wěn)擴展階段。紋失穩(wěn)擴展階段。 裂紋亞穩(wěn)擴展時，裂紋擴展裂紋亞穩(wěn)擴展時，裂紋擴展 阻力大，阻力大，da/dt較??；較??； 裂紋失穩(wěn)擴展時，裂紋擴展裂紋失穩(wěn)擴展時，裂紋擴展 阻力小，阻力小， da/dt大，最大可達該材大，最大可達該材 料的聲速。料的聲速。 韌斷時，裂紋

6、的亞穩(wěn)擴展階段較長， 裂紋的擴展與塑性變形同時進行， 故有明顯的塑性變形，斷裂慢。 脆斷時，幾乎沒有亞穩(wěn)擴展階段， 故無明顯塑性變形，斷裂快。 韌性 韌性越好，脆斷傾向越??；韌性越好，脆斷傾向越?。?力學性能指標：力學性能指標： 沖擊韌性沖擊韌性 斷裂韌性斷裂韌性 材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能 量的能力，是材料強度和塑性的綜合量的能力，是材料強度和塑性的綜合 表現(xiàn)。表現(xiàn)。 二、沖擊韌性二、沖擊韌性 衡量指標：沖擊吸收功衡量指標：沖擊吸收功 Ak 沖擊韌度沖擊韌度 ak (ak Ak/Fk ) 材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷 裂功的能力。是材料強度和塑性的

7、綜合 表現(xiàn)。 () k Amg h h 工程中常將材料的屈服強度與沖工程中常將材料的屈服強度與沖 擊韌性結(jié)合在一起用于零件及結(jié)構(gòu)的擊韌性結(jié)合在一起用于零件及結(jié)構(gòu)的 設(shè)計。設(shè)計。 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了強度的要焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了強度的要 求外，規(guī)定焊接接頭沖擊吸收功求外，規(guī)定焊接接頭沖擊吸收功 Ak 27J 沖擊韌性的應用沖擊韌性的應用 -59-124162479 低強度鐵素體鋼沖擊斷口照片低強度鐵素體鋼沖擊斷口照片 系列沖擊試驗 奧氏體鋼 低強度鐵素體鋼 高強度鋼 沖擊吸收功 Ak 溫度 T Tk 溫度對材料的韌性影響很大，材料由 韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度稱為韌脆 轉(zhuǎn)變溫度，Tk。 Ak越

8、高，Tk越低，則材料的韌性越好。 Ak是對材料的成分和組織敏感的力學 性能指標。鋼韌性最高，無明顯的Tk ，低 溫韌性好；低強度鐵素體鋼韌性次之，有 明顯的Tk，低溫韌性差；高強度M鋼韌性 最差，即使室溫韌性好很低。 三、斷裂韌性 傳統(tǒng)的零件及結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于“材料 是一個連續(xù)均質(zhì)的整體”假設(shè)之上的，為 防止脆性斷裂，除強度要求之外，還加上 了材料的塑性和韌性指標。 五大力學五大力學 性能指標性能指標 強度 b, s 塑性 , 韌性 Ak/ak 實際材料中是存在微裂紋及各種冶金 缺陷的，而其中裂紋是最危險的一類缺陷， 因此有必要研究帶裂紋體的問題。 斷裂力學斷裂力學 應力強度因子應力強度因子 斷

9、裂力學研 究表明：裂 紋尖端的應 力應變場可 用物理量 來表征。 x x , , y , xy x x , , y , xy 張開型裂紋張開型裂紋 I型型 滑移型裂紋滑移型裂紋 II型型 撕裂型裂紋撕裂型裂紋 III型型 : 幾何形狀因子， Y12； : 工作應力； a : 裂紋半長度。 I KYa 2a 研究表明：當KI較小時，裂紋不會 擴展，零件是安全的；當KI達到一 個臨界值時，裂紋才會擴展，這 個臨界值KIC是材料的性質(zhì)。 斷裂韌度 斷裂韌度斷裂韌度KIC: 是評定材料抵抗脆性斷 裂的力學性能指標，指的是材料抵抗 裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 單位：單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/

10、2 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件構(gòu)件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件 斷裂判據(jù)斷裂判據(jù) 應用 已知應力，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的 最大裂紋長度 2 IC c K a Y 已知裂紋長度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的 最大應力 IC c K Ya 已知應力，裂紋長度，確定結(jié)構(gòu) 安全的材料 IIC KYaK 斷裂韌度是用高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭 的零件，及用中低強度鋼制造氣輪機轉(zhuǎn)子、大型 發(fā)電機轉(zhuǎn)子等大型零件的重要性能指標。 加載方式加載方式 材料本質(zhì)材料本質(zhì) 溫度和加載速度溫度和加載速度 應力集中應力集中 零件尺寸零件尺寸 四、影響脆性斷裂的

11、因素四、影響脆性斷裂的因素 （一）加載方式和材料本質(zhì) 零件受外力作用時，零件受外力作用時， 其內(nèi)部各點的應力其內(nèi)部各點的應力 狀態(tài)可用三個主應狀態(tài)可用三個主應 力力 1、 、 2、 、 3來 來 （ 1 2 3）來）來 表示。表示。 材料力學知識材料力學知識 max123 13 max max max () 2 ：應力狀態(tài)軟性系數(shù)，零件加載方式由表示。 max max k s k 側(cè)壓側(cè)壓 22 單向壓單向壓 2 2 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 0.80.8 單向拉單向拉 0.50.5 三向不等拉三向不等拉 0.522 單向壓單向壓 2 2 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 0.80.8 單向拉單向拉 0.50.5 三向不等拉三向不等

12、拉 0.50.5 加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同加載方式相同，材料本質(zhì)不同，斷裂方式不同 （二）溫度和加載速度 T k s TkTk （三）應力集中 應力集中改變了應力狀態(tài)， max，max max, , 。 單向拉伸單向拉伸0.50.5，而缺口拉伸，而缺口拉伸 試樣試樣 0.50.5，易引起脆斷。，易引起脆斷。 因此，應力集中會引起材料脆化。因此，應力集中會引起材料脆化。 （四）零件尺寸 薄板處于平面應力狀態(tài)， 較大； 厚板處于平面應變狀態(tài)， 較小， 易產(chǎn)生脆斷。 第三節(jié) 零件在交變載荷 下的疲勞斷裂 基本概念 斷口特征 抗力指標 一、基本概念一、基本概念 交變載荷：載荷大小和交變

13、載荷：載荷大小和 方向隨時間發(fā)生周期變化的載方向隨時間發(fā)生周期變化的載 荷。荷。 疲勞斷裂：零件在交變疲勞斷裂：零件在交變 載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生 斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。 最大應力最大應力 max 最小應力最小應力 min 幅應力幅應力 a 平均應力平均應力 m 應力比應力比 r maxmin maxmin min max 2 2 a m r min min 0 0 2 m r max max 0 0 2 m r min max 1 0 m r 火車軸（彎曲）火車軸（彎曲） 曲軸（扭轉(zhuǎn)）曲軸（扭轉(zhuǎn)） 齒輪齒根齒輪齒根 （彎曲）（彎曲） 球

14、軸承球軸承 （壓縮）（壓縮） 0 0 m r 連桿連桿 （小拉大壓）（小拉大壓） 01 0 m r 缸蓋螺釘缸蓋螺釘 （大拉小拉）（大拉小拉） 疲勞斷裂的特點疲勞斷裂的特點 應力很低，常小于靜載屈服強度； 斷裂時無明顯宏觀塑性變形，脆斷； 斷口顯示出裂紋形成、擴展和最后 斷裂三個階段。 二、疲勞斷口的特征二、疲勞斷口的特征 零件所用材料的內(nèi)部缺陷、 加工缺陷、設(shè)計欠缺等引起局 部應力集中，這些局部區(qū)域成 為裂紋的產(chǎn)生地，即疲勞裂紋 源區(qū)。 疲勞源區(qū)疲勞源區(qū) 疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū) 疲勞裂紋形成后，在交變應力 的作用下，裂紋口不斷張開和閉合， 裂紋表面相互摩擦，裂紋向前擴展 的同時留下一條

15、條光亮的弧線，稱 疲勞線。 疲勞線呈“貝殼狀”或“海灘 狀”，這是疲勞斷裂的重要特征。 最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū) 隨著裂紋的擴展，有效 承載面積減小，應力增加， 當應力超過材料的斷裂強度 時，即發(fā)生快速斷裂。 此區(qū)同靜載脆斷斷口， 呈放射狀。 疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌 一個疲一個疲 勞源勞源 兩個疲兩個疲 勞源勞源 微裂紋微裂紋 疲勞疲勞 條紋條紋 疲疲 勞勞 裂裂 紋紋 擴擴 展展 區(qū)區(qū) 疲疲 勞勞 源源 區(qū)區(qū) 三、疲勞抗力指標及其影響因素 無裂紋零件的疲勞抗力指標 疲勞極限、過載持久值、缺口敏感度疲勞極限、過載持久值、缺口敏感度 帶裂紋零件的疲勞抗力

16、指標 疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展門檻值 Kth 影響疲勞裂紋抗力的因素 載荷類型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)載荷類型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì) （一）無裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標 材料經(jīng)過無限次 應力循環(huán)不發(fā)生 斷裂的最大應力。 對應于疲勞曲線 上水平部分對應 的應力值。 疲勞極限疲勞極限 材料在高于疲勞極材料在高于疲勞極 限的應力作用下發(fā)限的應力作用下發(fā) 生疲勞斷裂的循環(huán)生疲勞斷裂的循環(huán) 周次。周次。 過載持久值過載持久值 N1、 N2、 N3、 N4均為疲勞過載持久值。 試 驗 測 定 材 料 的 疲 勞 極 限 常 用 旋 轉(zhuǎn) 彎 曲 疲 勞 試 驗，r=-1， 結(jié)果用

17、- 1 表示。 鋼鐵材料 部分在色金屬（Al合金） 條 件 疲 勞條 件 疲 勞 極限極限 應用 多數(shù)零件按疲勞極限進行設(shè)計； 有些零件承受的交變應力遠高于疲 勞極限，用過載持久值進行設(shè)計。 低周疲勞 N105 。 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度 1 1 f t K q K 常用q來衡量 缺口對疲勞極 限的影響 max1 1 ; tf mN KK 其中，Kt為理論應力集中系數(shù)，與零件的幾何 形狀有關(guān)，與材料無關(guān)，可從手冊中查到； Kf為有效應力集中系數(shù)，即光滑試樣和缺口試 樣疲勞極限之比，與零件幾何形狀及材料有關(guān)。 max maxm m lg N -1 -1 -1N -1N 0q1； Kf1，-

18、1N -1，即缺口不降低疲 勞極限，對缺口不敏感，此時q0； KtKf時，q1，缺口嚴重降低疲 勞極限； q越小越好。 （二）帶裂紋零構(gòu)件的疲勞抗力指標 a N 1 aC1 Np1 在固定應力比和應 力幅時，可測得a-N 曲線，裂紋擴展速 率da/dN隨a增加而 增大； 21 2 Np2 aC2 增加應力幅，在相 同 循 環(huán) 次 數(shù) 下 ， da/dN增大； da/dN與與 a、有關(guān)有關(guān) maxmin maxmin KKK YaYa Ya KYa lg K lg da dN A B C I IIIII th K 10-810-6mm/cyc10-510-2mm/cyc nda cK dN K=

19、KIC 應用 選材 th K Ya th KYaK 確定帶裂紋零（構(gòu)）件的最大承載能力 確定零（構(gòu)）件的允許的最大裂紋長度 2 2 1 th c K a Y （三）影響疲勞抗力的因素（三）影響疲勞抗力的因素 載荷類型載荷類型 材料本質(zhì)材料本質(zhì) 零件表面狀態(tài)零件表面狀態(tài) 工作溫度工作溫度 腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì) 1. 載荷類型 載荷類型對疲勞極限及疲勞裂紋擴展門 檻值均有重要影響。 拉拉-壓疲勞壓疲勞 -1p 0.85-1 （鋼）（鋼） 0.65-1 （鑄鐵）（鑄鐵） 扭轉(zhuǎn)疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞 -1p 0.55-1 （鋼）（鋼） 0.8-1 （鑄鐵）（鑄鐵） 2. 材料本質(zhì) 不同材料有不同的疲勞曲線， r、q

20、、 da/dN、KIC及Kth不同； -1 0.5 b 中、低強度鋼 0.42 b 灰鑄鐵 0.48 b 球墨鑄鐵 0.350.4 b 鑄鐵銅合金 材料的純度及組 織狀態(tài)對疲勞抗 力有顯著影響 組織狀態(tài)b /MPa-1 /MPa 退火（鐵素體珠光體） 650314 淬火（馬氏體） 2080775 40Cr鋼組織類型對疲勞極限的影響鋼組織類型對疲勞極限的影響 3. 零件的表面狀態(tài) 零件的表面缺陷（如裂紋、刀痕等）對其 強度影響不大，但疲勞極限有顯著影響。 材料表面狀態(tài)b /MPa-1 /MPa 45鋼（正火） 光滑656280 有刀痕654145 40Cr（淬火 200回火） 光滑1947780 有刀痕1922300 4. 工作溫度 T，r，Kth ，da/dN 5. 腐蝕介質(zhì) 在腐蝕介質(zhì)作用下， r，Kth ，da/dN 腐蝕疲勞 小結(jié) 疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式， 它是一種脆性斷裂，危害很大；它是一種脆性斷裂，危害很大； 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、裂疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、裂 紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)，斷口是判斷是紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)，斷口是判斷是 判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)；判斷疲勞斷裂的重要依據(jù)； 無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指 標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口標