第1章 機(jī)械零件失效分析-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(gè)或者兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類(lèi)力學(xué)力學(xué)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(zhǎng)江支流該橋跨越長(zhǎng)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(dòng)工建設(shè)，日動(dòng)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(wàn)元。萬(wàn)元。1999年年1月月4日晚日晚6

2、時(shí)時(shí)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(rèn)為，這次垮塌事件由兩方面的原因造調(diào)查組認(rèn)為，這次垮塌事件由兩方面的原因造成。一是工程質(zhì)量問(wèn)題；二是工程承發(fā)包不合成。一是工程質(zhì)量問(wèn)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(zāi)，而是法。調(diào)查結(jié)果表明，這次慘劇不是天災(zāi)，而是人禍。其根本原因，是由于政府在工程開(kāi)發(fā)建人禍。其根本原因，是由于政府在工程開(kāi)發(fā)建設(shè)上沒(méi)有遵循法律，履行必要的審核、論證程設(shè)上沒(méi)有遵循法律，履行必要的審核、論證程序，采取了序，采取了“特事特辦特事特辦”的方式，盲目追求效的方式，盲目追

3、求效率營(yíng)造率營(yíng)造“獻(xiàn)禮工程獻(xiàn)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(jí)人民法院對(duì)“綦江彩虹橋垮塌案”14名責(zé)任被告人進(jìn)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(huì)副書(shū)記，因受賄罪、玩忽職守罪，被高級(jí)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(huì)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(zhǎng)，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(wàn)元。賀際慎 女，原綦江縣人大常委會(huì)副主任，因玩忽職守罪，被判處有期徒刑3年。費(fèi)上利 男，

4、“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(wàn)元。此外，李蒙澤、孫立、段浩、夏福利、閻珂、劉澤均、胡開(kāi)明、王遠(yuǎn)凱等人，及重慶通用工業(yè)技術(shù)服務(wù)部，因重大工程重大安全事故罪、玩忽職守罪、生產(chǎn)銷(xiāo)售不符合安全標(biāo)準(zhǔn)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(wàn)至25萬(wàn)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(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展階段斷裂過(guò)程斷裂過(guò)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?；蛞詢?nèi)部缺

5、陷作為裂紋源。裂紋擴(kuò)展：微裂紋或裂紋源逐漸擴(kuò)展至一臨界裂紋擴(kuò)展：微裂紋或裂紋源逐漸擴(kuò)展至一臨界尺寸時(shí)，立即發(fā)生斷裂。前者段尺寸時(shí)，立即發(fā)生斷裂。前者段稱裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，后者稱裂稱裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，后者稱裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段。裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展阻力大，阻力大，da/dt較小；較??；裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展時(shí)，裂紋擴(kuò)展阻力小，阻力小， da/dt大，最大可達(dá)該材大，最大可達(dá)該材料的聲速。料的聲速。韌斷時(shí)，裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展階段較長(zhǎng)，裂紋的擴(kuò)展與塑性變形同時(shí)進(jìn)行，故有明顯的塑性變形，斷裂慢。脆斷時(shí)，幾乎沒(méi)有亞穩(wěn)擴(kuò)展階段，故無(wú)明顯塑性變形，斷裂快。韌

6、性韌性越好，脆斷傾向越??；韌性越好，脆斷傾向越??；力學(xué)性能指標(biāo)：力學(xué)性能指標(biāo)： 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(guò)程中吸收能材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，是材料強(qiáng)度和塑性的綜合量的能力，是材料強(qiáng)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(biāo)：沖擊吸收功衡量指標(biāo)：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(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。()kAmg hh工程中常將材料的屈服強(qiáng)度與沖工程中常將材料的屈服強(qiáng)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(jì)。設(shè)計(jì)。焊接

7、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了強(qiáng)度的要焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了強(qiáng)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(yīng)用沖擊韌性的應(yīng)用-59-124162479低強(qiáng)度鐵素體鋼沖擊斷口照片低強(qiáng)度鐵素體鋼沖擊斷口照片系列沖擊試驗(yàn)奧氏體鋼低強(qiáng)度鐵素體鋼高強(qiáng)度鋼沖擊吸收功 Ak溫度 TTk溫度對(duì)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越高，Tk越低，則材料的韌性越好。Ak是對(duì)材料的成分和組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。鋼韌性最高，無(wú)明顯的Tk ，低溫韌性好；低強(qiáng)度鐵素體鋼韌性次之，有明顯的Tk，低溫韌性差；高強(qiáng)度M鋼韌性最差，即使室溫韌性好很低。三、斷

8、裂韌性傳統(tǒng)的零件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于“材料是一個(gè)連續(xù)均質(zhì)的整體”假設(shè)之上的，為防止脆性斷裂，除強(qiáng)度要求之外，還加上了材料的塑性和韌性指標(biāo)。五大力學(xué)五大力學(xué)性能指標(biāo)性能指標(biāo)強(qiáng)度 b, s塑性 ,韌性 Ak/ak實(shí)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(xiǎn)的一類(lèi)缺陷，因此有必要研究帶裂紋體的問(wèn)題。斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂力學(xué)研究表明：裂紋尖端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)可用物理量來(lái)表征。x x , , y , xyx x , , y , xy張開(kāi)型裂紋張開(kāi)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(yīng)力； a : 裂紋半長(zhǎng)度

9、。IKYa2a研究表明：當(dāng)KI較小時(shí)，裂紋不會(huì)擴(kuò)展，零件是安全的；當(dāng)KI達(dá)到一個(gè)臨界值時(shí)，裂紋才會(huì)擴(kuò)展，這個(gè)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(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位：?jiǎn)挝唬篗Pam 1/2 或者 MN m-3/2KI 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(yīng)力脆性斷裂的臨界條件構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件斷裂判據(jù)斷裂判據(jù)應(yīng)用已知應(yīng)力，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大裂紋長(zhǎng)度2ICcKaY已知裂紋長(zhǎng)度，材料，確定結(jié)構(gòu)安全的最大應(yīng)力ICcKYa已知應(yīng)力，裂紋長(zhǎng)度，確定結(jié)構(gòu)安全的材料IICKYaK斷

10、裂韌度是用高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，及用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等大型零件的重要性能指標(biāo)。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(yīng)力集中應(yīng)力集中零件尺寸零件尺寸四、影響脆性斷裂的因素四、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(shí)，零件受外力作用時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力其內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可用三個(gè)主應(yīng)狀態(tài)可用三個(gè)主應(yīng)力力1、 2、 3來(lái)來(lái)（ 1 2 3）來(lái)）來(lái)表示。表示。材料力學(xué)知識(shí)材料力學(xué)知識(shí)max12313maxmaxmax()2 ：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)，零件加載方式由表示。maxmaxksk側(cè)壓側(cè)壓22單向壓?jiǎn)蜗驂? 2扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)0.

11、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?jiǎn)蜗驂? 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0.50.5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TksTkTk（三）應(yīng)力集中應(yīng)力集中改變了應(yīng)力狀態(tài)，max，maxmax, , 。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(yīng)力集中會(huì)引起材料脆化。因此，應(yīng)力集中會(huì)引起材料脆化。（四）零件尺寸薄板處于平面應(yīng)力狀態(tài)， 較大；厚板處于平面應(yīng)變狀態(tài)， 較小，易產(chǎn)生脆斷。第三節(jié) 零件在

12、交變載荷 下的疲勞斷裂基本概念斷口特征抗力指標(biāo)一、基本概念一、基本概念交變載荷：載荷大小和交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載方向隨時(shí)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生載荷下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(yīng)力最大應(yīng)力 max最小應(yīng)力最小應(yīng)力 min幅應(yīng)力幅應(yīng)力 a平均應(yīng)力平均應(yīng)力 m應(yīng)力比應(yīng)力比 rmaxminmaxminminmax22amrminmin002mr maxmax002mrminmax10mr 火車(chē)軸（彎曲）火車(chē)軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）曲軸（扭轉(zhuǎn)）齒輪齒根齒輪齒根（彎曲）

13、（彎曲）球軸承球軸承（壓縮）（壓縮）00mr連桿連桿（小拉大壓）（小拉大壓）010mr缸蓋螺釘缸蓋螺釘（大拉小拉）（大拉小拉）疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)應(yīng)力很低，常小于靜載屈服強(qiáng)度；斷裂時(shí)無(wú)明顯宏觀塑性變形，脆斷；斷口顯示出裂紋形成、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)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(jì)欠缺等引起局部應(yīng)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(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋形成后，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋口不斷張開(kāi)和閉合，裂紋表面相互摩擦，裂紋向前擴(kuò)展的同時(shí)留下一條條光亮的弧線，稱疲勞線。疲勞線呈“貝殼狀”或“海灘

14、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(kuò)展，有效承載面積減小，應(yīng)力增加，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，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(kuò)展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌一個(gè)疲一個(gè)疲勞源勞源兩個(gè)疲兩個(gè)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(kuò)擴(kuò)展展區(qū)區(qū)疲疲勞勞源源區(qū)區(qū)三、疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素?zé)o裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞極限、過(guò)載持久值、缺口敏感度疲勞極限、過(guò)載持久值、缺口敏感度帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo)疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值 Kth影響疲勞裂紋抗力的因素載荷類(lèi)型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)載荷類(lèi)

15、型、材料本質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度、介質(zhì)（一）無(wú)裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標(biāo)材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)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(yīng)力作用下發(fā)限的應(yīng)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(guò)載持久值過(guò)載持久值N1、 N2、 N3、 N4均為疲勞過(guò)載持久值。試 驗(yàn) 測(cè) 定材 料 的 疲勞 極 限 常用 旋 轉(zhuǎn) 彎曲 疲 勞 試驗(yàn)，r=-1，結(jié)果用- 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(yīng)用多數(shù)零件按疲勞極限進(jìn)行設(shè)計(jì)；有些零件承受的交變應(yīng)力遠(yuǎn)高于疲勞極限，用過(guò)載持久值

16、進(jìn)行設(shè)計(jì)。低周疲勞 N105 。疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度11ftKqK常用q來(lái)衡量缺口對(duì)疲勞極限的影響max11;tfmNKK其中，Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)，與零件的幾何形狀有關(guān)，與材料無(wú)關(guān)，可從手冊(cè)中查到； Kf為有效應(yīng)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)。maxmaxm mlg N-1-1-1N-1N0q1；Kf1，-1N -1，即缺口不降低疲勞極限，對(duì)缺口不敏感，此時(shí)q0；KtKf時(shí)，q1，缺口嚴(yán)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(biāo)aN1aC1Np1在固定應(yīng)力比和應(yīng)力幅時(shí)，可測(cè)得a-N曲線，裂紋擴(kuò)展速率da/dN隨a增加而增大；

17、21 2Np2aC2增加應(yīng)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)maxminmaxminKKKYaYaYaKYalg KlgdadNABCIIIIIIthK10-810-6mm/cyc10-510-2mm/cycndacKdNK=KIC應(yīng)用選材thKYathKYaK 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(zhǎng)度221thcKaY（三）影響疲勞抗力的因素（三）影響疲勞抗力的因素載荷類(lèi)型載荷類(lèi)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(lèi)型載荷類(lèi)型對(duì)疲勞極限及疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值均有重要影響。拉拉

18、-壓疲勞壓疲勞-1p0.85-1 （鋼）（鋼）0.65-1 （鑄鐵）（鑄鐵）扭轉(zhuǎn)疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞-1p0.55-1 （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、da/dN、KIC及Kth不同；-10.5 b 中、低強(qiáng)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(duì)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）208077540Cr鋼組織類(lèi)型對(duì)疲勞極限的影響鋼組織類(lèi)型對(duì)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(duì)其強(qiáng)度影響不大，但疲

19、勞極限有顯著影響。材料表面狀態(tài)b /MPa-1 /MPa45鋼（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火200回火）光滑1947780有刀痕19223004. 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(jiàn)的一種失效形式，疲勞斷裂是零構(gòu)件常見(jiàn)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(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)，斷口是判斷是紋擴(kuò)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(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指無(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過(guò)載持久值和疲勞缺口標(biāo)是疲勞極限、過(guò)載持久值和疲勞缺口敏感度；敏感度；r