金屬構(gòu)件常見失效形式ppt課件

1、13 構(gòu)件常見失效方式構(gòu)件常見失效方式 3.1 變形失效變形失效3 金屬構(gòu)件常見失效方式及其判別金屬構(gòu)件常見失效方式及其判別失效方式：變形、斷裂、腐蝕和磨損等失效方式：變形、斷裂、腐蝕和磨損等學習內(nèi)容：失效條件、特征及判別根據(jù)學習內(nèi)容：失效條件、特征及判別根據(jù)3.1 變形失效變形失效虎克定律：虎克定律：E一、彈性變形失效一、彈性變形失效 E彈性模量；彈性模量；鋼：約鋼：約2105MPa；鋁：約鋁：約0.7105MPa；1. 彈性變形彈性變形2一一 彈性變形失效彈性變形失效 可逆性可逆性 單值性單值性(線性線性) 變形量很小變形量很小2. 彈性變形的特點彈性變形的特點 提高彈性方法提高彈性方法

2、提高資料的彈性極限；提高資料的彈性極限； 降低彈性模量。降低彈性模量。34. 失去彈性功能的彈性變形失效失去彈性功能的彈性變形失效指構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超越構(gòu)件匹配所允許的值。指構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超越構(gòu)件匹配所允許的值。判別過量的彈性變形失效比較難。判別過量的彈性變形失效比較難。3. 過量的彈性變形失效過量的彈性變形失效 當彈性變形已不遵照變形可逆性、單值性和小變當彈性變形已不遵照變形可逆性、單值性和小變形量的特征時，構(gòu)件就失去了彈性功能而失效。形量的特征時，構(gòu)件就失去了彈性功能而失效。 失去功能的彈性變形失效容易判別失去功能的彈性變形失效容易判別, 如彈簧被拉如彈簧被拉得很長得很長; 平安

3、閥彈簧平安閥彈簧, 壓力沒超壓壓力沒超壓, 就把閥芯頂起。就把閥芯頂起。4選擇適宜的資料或構(gòu)件構(gòu)造：選用選擇適宜的資料或構(gòu)件構(gòu)造：選用E值高的資值高的資料或改善構(gòu)件構(gòu)造盡能夠獲得大的剛度；料或改善構(gòu)件構(gòu)造盡能夠獲得大的剛度；確定適當?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件；確定適當?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件；采用減少變形影響的銜接件，如皮帶傳動、采用減少變形影響的銜接件，如皮帶傳動、軟管銜接、柔性軸、橢圓管板等。軟管銜接、柔性軸、橢圓管板等。5. 彈性變形失效的緣由及防護措施彈性變形失效的緣由及防護措施 過載、超溫或資料蛻變是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效過載、超溫或資料蛻變是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的緣由，而這

4、些緣由往往是由于構(gòu)件原設(shè)計的思索不的緣由，而這些緣由往往是由于構(gòu)件原設(shè)計的思索不周、計算錯誤或選材不當呵斥的。周、計算錯誤或選材不當呵斥的。防防護護措措施施5二二 塑性變形失效塑性變形失效二、塑性變形失效二、塑性變形失效1. 塑性變形塑性變形2. 金屬塑性變形的特點金屬塑性變形的特點資料中的應(yīng)力超越屈服極限后產(chǎn)生顯著的不可逆變形。資料中的應(yīng)力超越屈服極限后產(chǎn)生顯著的不可逆變形。資料塑性好壞的衡量目的：伸長率資料塑性好壞的衡量目的：伸長率、斷面收縮率、斷面收縮率不可逆性不可逆性變形量不恒定變形量不恒定慢速變形慢速變形伴隨資料性能的變化伴隨資料性能的變化63. 塑性變形失效塑性變形失效失效方式：鼓

5、脹、橢圓度增大、翹曲、凹陷及歪扭畸變等。失效方式：鼓脹、橢圓度增大、翹曲、凹陷及歪扭畸變等。塑性變形失效：金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超越允許的數(shù)值。塑性變形失效：金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超越允許的數(shù)值。 (a) 未加壓的圓筒形未加壓的圓筒形 (b)塑性變形后的鼓脹及斷裂塑性變形后的鼓脹及斷裂圖圖3-3 接受內(nèi)壓的接受內(nèi)壓的304不銹鋼塑性變形及斷裂實驗不銹鋼塑性變形及斷裂實驗74. 塑性變形失效的緣由及防護措施塑性變形失效的緣由及防護措施合理選材，選擇適宜的屈服強度，保證資料質(zhì)量、組織合理選材，選擇適宜的屈服強度，保證資料質(zhì)量、組織形狀及冶金缺陷；形狀及冶金缺陷；準確地確定構(gòu)件的任務(wù)載荷，正確計

6、算應(yīng)力，合理選取準確地確定構(gòu)件的任務(wù)載荷，正確計算應(yīng)力，合理選取平安系數(shù)及進展構(gòu)造設(shè)計，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集平安系數(shù)及進展構(gòu)造設(shè)計，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中程度；中程度；嚴厲按照加工工藝規(guī)程對構(gòu)件成形，減少剩余應(yīng)力；嚴厲按照加工工藝規(guī)程對構(gòu)件成形，減少剩余應(yīng)力；嚴禁構(gòu)件運轉(zhuǎn)超載；嚴禁構(gòu)件運轉(zhuǎn)超載；監(jiān)測腐蝕環(huán)境構(gòu)件強度尺寸的減小。監(jiān)測腐蝕環(huán)境構(gòu)件強度尺寸的減小。8三三 高溫變形失效高溫變形失效三、高溫變形失效三、高溫變形失效1. 蠕變變形失效蠕變變形失效高溫：高于高溫：高于0.3 Tm ( Tm是以絕對溫度表示的金屬資料是以絕對溫度表示的金屬資料的熔點的熔點)，普通碳鋼構(gòu)件，普通碳鋼構(gòu)件3

7、00，低合金鋼構(gòu)件，低合金鋼構(gòu)件400。蠕變：金屬資料在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使蠕變：金屬資料在長時間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形。應(yīng)力低于屈服強度，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形。減速恒速加速圖圖3-4 典型的蠕變曲線典型的蠕變曲線9 壓力容器的蠕變變形量普通規(guī)定在壓力容器的蠕變變形量普通規(guī)定在105 h為為1，即蠕變速，即蠕變速率為率為107 mm(mmh)。1) 資料抗蠕變好壞的衡量目的：蠕變極限和耐久強度資料抗蠕變好壞的衡量目的：蠕變極限和耐久強度2) 抗蠕變措施：抗蠕變措施： 選用抗蠕變性能適宜的資選用抗蠕變性能適宜的資料；料； 防止配備中構(gòu)件的超溫

8、運防止配備中構(gòu)件的超溫運用。用。7000.2/1000a.a.蠕變極限：在給定溫度下，一定時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定蠕變極限：在給定溫度下，一定時間內(nèi)產(chǎn)生規(guī)定 蠕變量的應(yīng)力值。如：蠕變量的應(yīng)力值。如：7001000b.b.耐久強度：資料在某一恒定溫度下，經(jīng)過一定時間耐久強度：資料在某一恒定溫度下，經(jīng)過一定時間 而引起斷裂的應(yīng)力值。如：而引起斷裂的應(yīng)力值。如：10圖圖 3-5 過熱管蠕變變形及脹裂過熱管蠕變變形及脹裂112. 應(yīng)力松弛變形失效應(yīng)力松弛變形失效 在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低的過程。從而使應(yīng)力不斷降低的過程

9、。 用用殘衡量資料抵抗應(yīng)殘衡量資料抵抗應(yīng)力松弛的性能力松弛的性能(松弛穩(wěn)定性松弛穩(wěn)定性) 。預(yù)防應(yīng)力松弛失效的措施：預(yù)防應(yīng)力松弛失效的措施：選用松弛穩(wěn)定性好的資料；選用松弛穩(wěn)定性好的資料；對運用過程中的構(gòu)件進展對運用過程中的構(gòu)件進展 一一次或多次再緊固。次或多次再緊固。圖圖 3-6 金屬的應(yīng)力松弛曲線金屬的應(yīng)力松弛曲線123.2 斷裂失效斷裂失效3.2 斷斷 裂裂 失失 效效斷裂斷裂 是金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下資料分別為互不相連是金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下資料分別為互不相連的兩個或兩個以上部分的景象。的兩個或兩個以上部分的景象。斷裂的危害：甚大，特別是脆性斷裂。斷裂的危害：甚大，特別是脆性斷裂。斷裂過程

10、：裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴展及失穩(wěn)擴展、斷裂過程：裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)擴展及失穩(wěn)擴展、斷裂。斷裂。斷斷 口：資料斷裂后在斷裂部位相匹配的兩個斷裂口：資料斷裂后在斷裂部位相匹配的兩個斷裂外表。外表。斷口分析：經(jīng)過斷口及其周圍與斷裂過程有關(guān)信息斷口分析：經(jīng)過斷口及其周圍與斷裂過程有關(guān)信息的分析，判別斷裂的類型、斷裂過程的機理，找出的分析，判別斷裂的類型、斷裂過程的機理，找出斷裂的緣由和預(yù)防斷裂的措施。斷裂的緣由和預(yù)防斷裂的措施。13加載條件：中、低速加載條件：中、低速-靜載荷，高速靜載荷，高速-沖擊載荷；交變沖擊載荷；交變載荷指循環(huán)載荷。用拉伸、緊縮、彎曲、改動、剪切、載荷指循環(huán)載荷。用拉伸、緊縮、彎曲

11、、改動、剪切、接觸作為加載方向。接觸作為加載方向。裂紋擴展速率：低速裂紋擴展速率：低速(5m/s)穩(wěn)態(tài)擴展；非穩(wěn)態(tài)快速穩(wěn)態(tài)擴展；非穩(wěn)態(tài)快速(1Km/s)擴展，。擴展，。斷裂前應(yīng)變形狀：脆性或即韌性；宏觀斷裂方向：平直斷裂前應(yīng)變形狀：脆性或即韌性；宏觀斷裂方向：平直面面(平面應(yīng)變形狀平面應(yīng)變形狀)或剪切面或剪切面(平面應(yīng)力形狀平面應(yīng)力形狀) 。斷口宏觀形貌用肉眼、放大鏡或低倍顯微鏡察看后用光斷口宏觀形貌用肉眼、放大鏡或低倍顯微鏡察看后用光反射反射(發(fā)亮或發(fā)灰發(fā)亮或發(fā)灰)和紋理和紋理(光滑或粗糙、結(jié)晶或絲光、顆光滑或粗糙、結(jié)晶或絲光、顆?；蚶w維、自然景象景觀等?；蚶w維、自然景象景觀等)來表示。來表

12、示。斷口微觀形貌用顯微鏡察看的圖像像形來表示斷口微觀形貌用顯微鏡察看的圖像像形來表示(韌窩、韌窩、解理小平面、輝紋、自然景象景觀等解理小平面、輝紋、自然景象景觀等)。斷裂要素的一致斷裂要素的一致14一 斷裂失效分類一、斷裂失效的分類一、斷裂失效的分類混合斷裂混合斷裂脆性斷裂脆性斷裂變變形形程程度度韌性斷裂韌性斷裂切斷切斷(韌性韌性)正斷正斷應(yīng)力類型應(yīng)力類型混晶斷裂混晶斷裂沿晶斷裂沿晶斷裂裂裂紋紋途途徑徑穿晶斷裂穿晶斷裂環(huán)境斷裂環(huán)境斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂其其 它它斷斷裂裂失失效效微觀微觀 機理機理韌窩韌窩斷裂斷裂疲勞疲勞斷裂斷裂蠕變?nèi)渥償嗔褦嗔呀饫斫饫頂嗔褦嗔呀Y(jié)合力結(jié)合力弱化斷裂弱化斷裂15二 韌

13、性斷裂二、韌性斷裂二、韌性斷裂 構(gòu)件斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。構(gòu)件斷裂前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂。圖圖 3-8 液氨管韌性斷裂失效液氨管韌性斷裂失效161 斷裂特征斷裂特征1. 韌性斷裂特征韌性斷裂特征 緩慢的斷裂過程：裂紋萌生及亞穩(wěn)擴展阻力大、速度慢；緩慢的斷裂過程：裂紋萌生及亞穩(wěn)擴展阻力大、速度慢； 斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形；斷前產(chǎn)生顯著的塑性變形； 兩種宏觀斷裂形貌：兩種宏觀斷裂形貌： 正斷正斷 (或平斷或平斷)-宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直；宏觀斷面取向與最大正應(yīng)力相垂直；剪斷剪斷(或斜斷或斜斷)-宏觀斷面取向與最大切應(yīng)力方向相宏觀斷面取向與最大切

14、應(yīng)力方向相一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈一致的切斷，即與最大正應(yīng)力約呈45角。角。17圖圖3-9 韌性斷裂宏觀形貌韌性斷裂宏觀形貌182 斷口形貌斷口形貌2. 斷口形貌斷口形貌1) 斷口宏觀形貌斷口宏觀形貌圖圖3-10 光滑圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌光滑圓棒試樣韌性斷口宏觀形貌19圖圖3-11 非杯非杯-錐狀韌性斷口宏觀形貌錐狀韌性斷口宏觀形貌20 根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初根據(jù)纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇區(qū)在斷口上所占的比例可初步評價資料的性能。步評價資料的性能。 纖維區(qū)較大纖維區(qū)較大-資料的塑性和韌性比較好；資料的塑性和韌性比較好； 放射區(qū)較大放射區(qū)較大-資料的塑性降低，而

15、脆性增大。資料的塑性降低，而脆性增大。 按三區(qū)評價資料性能要思索構(gòu)件截面外形及尺寸的影響，按三區(qū)評價資料性能要思索構(gòu)件截面外形及尺寸的影響，另外還要思索隨環(huán)境條件的影響。另外還要思索隨環(huán)境條件的影響。 如溫度降低、加載速度升高等，纖維區(qū)及剪切唇區(qū)減小、如溫度降低、加載速度升高等，纖維區(qū)及剪切唇區(qū)減小、放射區(qū)增大，因溫度降低會引起低溫脆性，加載速度升高使裂放射區(qū)增大，因溫度降低會引起低溫脆性，加載速度升高使裂紋擴展速率添加。紋擴展速率添加。 從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂從韌性斷裂宏觀形貌三區(qū)的特征可分析斷口的類型、斷裂的方式及性質(zhì)，有助于判別失效的機理及找出失效的緣由。的方

16、式及性質(zhì)，有助于判別失效的機理及找出失效的緣由。212) 斷口微觀形貌斷口微觀形貌 韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀，韌性斷裂斷口的微觀形貌呈現(xiàn)出韌窩狀， 在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點。在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點。 韌窩花樣：微孔聚集韌窩花樣：微孔聚集蛇行花樣：純剪切蛇行花樣：純剪切漣波花樣：由蛇行滑動構(gòu)成漣波花樣：由蛇行滑動構(gòu)成a. 韌窩韌窩 韌窩的分類韌窩的分類 三種形狀：等軸韌窩三種形狀：等軸韌窩 剪切韌窩剪切韌窩 撕裂韌窩撕裂韌窩22圖圖3-12 在三種應(yīng)力作用在三種應(yīng)力作用下由顯微孔洞聚集所構(gòu)下由顯微孔洞聚集所構(gòu)成的韌窩形狀表示圖成的韌窩形狀表示圖23圖圖3-13 2

17、0鋼拉桿韌窩碳復(fù)型透射電鏡形貌鋼拉桿韌窩碳復(fù)型透射電鏡形貌24 取決于資料斷裂時微孔的中心數(shù)量和資料的相取決于資料斷裂時微孔的中心數(shù)量和資料的相對塑性。對塑性。 韌窩的大小、深淺和數(shù)量韌窩的大小、深淺和數(shù)量30CrMo鋼拉伸斷口等軸韌窩形貌鋼拉伸斷口等軸韌窩形貌(SEM)25b. 蛇行花樣和漣波花樣蛇行花樣和漣波花樣圖圖3-15 大韌窩的底部可察看有蛇行大韌窩的底部可察看有蛇行花樣條紋花樣條紋 TEM l0000X圖圖3-16 剪切韌窩及漣波花樣剪切韌窩及漣波花樣 TEM l0000X263 防止措施防止措施3. 產(chǎn)生緣由及防止措施產(chǎn)生緣由及防止措施 設(shè)計時充分思索構(gòu)件的承載才干，盡能夠使塑性

18、變形不要設(shè)計時充分思索構(gòu)件的承載才干，盡能夠使塑性變形不要開展為斷裂；開展為斷裂； 操作時堅持儀表完好的形狀，準確顯示操作工況；操作時堅持儀表完好的形狀，準確顯示操作工況； 嚴厲遵守操作規(guī)程，嚴禁超載、超溫、超速等；嚴厲遵守操作規(guī)程，嚴禁超載、超溫、超速等； 隨時留意有無異常變形；隨時留意有無異常變形； 定期測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起壁厚減薄的工況。定期測厚，尤其有腐蝕、高溫氧化等引起壁厚減薄的工況。 韌性斷裂的緣由多是各種影響要素呵斥的資料強度缺乏，韌性斷裂的緣由多是各種影響要素呵斥的資料強度缺乏，如構(gòu)件遭到較大的載荷或過載、部分應(yīng)力集中等。如構(gòu)件遭到較大的載荷或過載、部分應(yīng)力集中等。

19、27三 脆性斷裂1 脆性斷裂特征三、脆性斷裂三、脆性斷裂1. 脆性斷裂特征脆性斷裂特征低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂(高高/低強低強度鋼都能夠發(fā)生度鋼都能夠發(fā)生)；低溫脆性斷裂低溫脆性斷裂(中中/低強度低強度鋼，見圖鋼，見圖3-17)；突發(fā)性斷裂，斷前變形極突發(fā)性斷裂，斷前變形極小，無明顯的先兆；小，無明顯的先兆；通常在體心立方和密排六通常在體心立方和密排六方金屬資料中出現(xiàn)；方金屬資料中出現(xiàn)；圖圖3-17 體心立方體心立方Fe和面心立方和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服強度隨溫度的變化的塑性和屈服強度隨溫度的變化28 解理是金屬在正應(yīng)力的作用下沿解理面發(fā)生的一種低能斷解理是金屬在正應(yīng)力的作用下沿解

20、理面發(fā)生的一種低能斷裂。絕大多數(shù)解理面是原子密排面。裂。絕大多數(shù)解理面是原子密排面。表表3-2 常見純金屬的解理面常見純金屬的解理面111菱形菱形Sb111菱形菱形Bi0001密排六方密排六方Ti0001密排六方密排六方Zn0001密排六方密排六方Mg100體心立方體心立方-Fe解理面解理面晶晶 系系金金 屬屬普通沿低指數(shù)晶面穿晶解理斷裂。普通沿低指數(shù)晶面穿晶解理斷裂。292 斷口形貌斷口形貌2. 脆性斷口形貌脆性斷口形貌1) 宏觀形貌宏觀形貌小刻面：平滑亮堂、小刻面：平滑亮堂、 結(jié)晶狀結(jié)晶狀脆性斷口的宏觀形貌有兩種明顯的特征脆性斷口的宏觀形貌有兩種明顯的特征30根據(jù)斷口人字條紋或山根據(jù)斷口人

21、字條紋或山形條紋的圖形可以判別形條紋的圖形可以判別脆性斷裂的裂紋擴展方脆性斷裂的裂紋擴展方向和尋覓斷裂來源點。向和尋覓斷裂來源點。(這是很有實踐意義的這是很有實踐意義的)人字或山形條紋人字或山形條紋圖圖3-18 容器脆性宏觀斷口的容器脆性宏觀斷口的人字條紋和山形條紋人字條紋和山形條紋(箭頭所指方向為微裂紋擴展箭頭所指方向為微裂紋擴展方向方向)31舉例：舉例： 由人字條紋方向?qū)ひ捔鸭y源由人字條紋方向?qū)ひ捔鸭y源球罐脆性斷裂分區(qū)低視圖球罐脆性斷裂分區(qū)低視圖 美國順納德球形儲氫壓力容器美國順納德球形儲氫壓力容器(直徑直徑11.7m)爆炸成為爆炸成為20個個碎片，斷口呈人字條紋，脆性斷裂總長達碎片，斷口

22、呈人字條紋，脆性斷裂總長達198m。322) 微觀形貌微觀形貌 普通是解理特征，不同組織的解理斷口具有不同的形貌：普通是解理特征，不同組織的解理斷口具有不同的形貌：鐵素體鐵素體-河流條紋、舌狀花樣；珠光體河流條紋、舌狀花樣；珠光體-不延續(xù)片層狀；不延續(xù)片層狀；馬氏體馬氏體-由許多細小的解理面組成，且有針狀刻面。由許多細小的解理面組成，且有針狀刻面。 幾乎一切的解理斷口上均有二次裂紋。幾乎一切的解理斷口上均有二次裂紋。 河流條紋河流條紋河流流向是裂紋的擴展方向，上游是裂紋源。河流流向是裂紋的擴展方向，上游是裂紋源。33 舌狀花樣舌狀花樣 資料脆性大、溫度低，臨資料脆性大、溫度低，臨界變形困難時界

23、變形困難時, 晶體變形以形變晶體變形以形變孿晶方式進展孿晶方式進展, 易構(gòu)成解理舌狀易構(gòu)成解理舌狀花樣?；?。圖圖3-23 解理舌狀花樣構(gòu)成表示圖解理舌狀花樣構(gòu)成表示圖34 其它花樣其它花樣圖圖3-24 青魚骨狀花樣青魚骨狀花樣 SEM 2000X 羽毛狀花樣羽毛狀花樣 SEM 2000X韌窩韌窩河流花樣河流花樣353 影響要素影響要素3. 脆性斷裂的影響要素脆性斷裂的影響要素 應(yīng)力形狀指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。應(yīng)力形狀指構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。 最大切應(yīng)力促進塑性滑移的開展，它對形變和斷裂的最大切應(yīng)力促進塑性滑移的開展，它對形變和斷裂的發(fā)生及開展過程都產(chǎn)生影響；最大拉

24、伸應(yīng)力只促進脆性裂發(fā)生及開展過程都產(chǎn)生影響；最大拉伸應(yīng)力只促進脆性裂紋的擴展。紋的擴展。 maxmax 越大，脆性斷裂能夠性越大；三向拉伸越大，脆性斷裂能夠性越大；三向拉伸應(yīng)力形狀下，應(yīng)力形狀下， maxmax 最大，極易導致脆性斷裂。最大，極易導致脆性斷裂。 構(gòu)件的截面忽然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀構(gòu)件的截面忽然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、鋒利缺口尖端處極易呵斥三向拉伸應(yīng)力形狀，這是呵痕、鋒利缺口尖端處極易呵斥三向拉伸應(yīng)力形狀，這是呵斥金屬構(gòu)件在靜態(tài)低負荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要緣由。斥金屬構(gòu)件在靜態(tài)低負荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要緣由。應(yīng)力形狀與缺口效應(yīng)應(yīng)力形狀與缺口效應(yīng)36溫度是呵斥

25、工程構(gòu)件脆性斷裂的重要要素之一。溫度是呵斥工程構(gòu)件脆性斷裂的重要要素之一。低溫下，資料韌性降低，脆性斷裂的能夠性大大添加。低溫下，資料韌性降低，脆性斷裂的能夠性大大添加。溫溫 度度 隨著鋼板厚度的添加，脆性轉(zhuǎn)隨著鋼板厚度的添加，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，鋼材的缺口脆性添加。變溫度升高，鋼材的缺口脆性添加。尺寸效應(yīng)尺寸效應(yīng)焊接質(zhì)量焊接質(zhì)量任務(wù)介質(zhì)任務(wù)介質(zhì)資料和組織要素資料和組織要素374 防止措施防止措施4. 預(yù)防脆性斷裂的途徑預(yù)防脆性斷裂的途徑 防脆性斷裂的合理構(gòu)造設(shè)計：應(yīng)思索資料的斷裂韌性程防脆性斷裂的合理構(gòu)造設(shè)計：應(yīng)思索資料的斷裂韌性程度、構(gòu)件的最低任務(wù)溫度和應(yīng)力形狀、接受的裁荷類型度、構(gòu)件的最低

26、任務(wù)溫度和應(yīng)力形狀、接受的裁荷類型(交變載荷、沖擊載荷等交變載荷、沖擊載荷等)以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)；以及環(huán)境腐蝕介質(zhì)；構(gòu)件的最低任務(wù)溫度應(yīng)高于資料的脆性轉(zhuǎn)變溫度；構(gòu)件的最低任務(wù)溫度應(yīng)高于資料的脆性轉(zhuǎn)變溫度；以斷裂力學觀念選材，除強度外，還應(yīng)保證足夠的韌性；以斷裂力學觀念選材，除強度外，還應(yīng)保證足夠的韌性；設(shè)計和消費中，要防止應(yīng)力集中；設(shè)計和消費中，要防止應(yīng)力集中；采用正確的焊接方法和合理的焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。采用正確的焊接方法和合理的焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。 傳統(tǒng)強度設(shè)計不包含脆性強度概念，沒有思索溫度、加載傳統(tǒng)強度設(shè)計不包含脆性強度概念，沒有思索溫度、加載速度、構(gòu)件尺寸效應(yīng)、三向應(yīng)力形狀等引

27、起脆性斷裂的要素，速度、構(gòu)件尺寸效應(yīng)、三向應(yīng)力形狀等引起脆性斷裂的要素，構(gòu)件的脆性斷裂是不能防止的。構(gòu)件的脆性斷裂是不能防止的。38四四 疲勞斷裂疲勞斷裂四、疲勞斷裂四、疲勞斷裂疲勞疲勞疲 勞 的 分 類疲 勞 的 分 類接觸疲勞接觸疲勞高溫疲勞高溫疲勞腐蝕疲勞腐蝕疲勞微振疲勞微振疲勞環(huán)環(huán)境境高應(yīng)力疲勞高應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞低應(yīng)力疲勞應(yīng)力應(yīng)力 大小大小改動疲勞改動疲勞拉壓疲勞拉壓疲勞拉伸疲勞拉伸疲勞彎曲疲勞彎曲疲勞混合疲勞混合疲勞載載荷荷低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞交變交變 頻率頻率391 疲勞斷裂特征疲勞斷裂特征1. 疲勞斷裂的景象及特征疲勞斷裂的景象及特征載荷是交變負荷。載荷是交變負荷。

28、40疲勞斷裂是在負荷多次循環(huán)后發(fā)生的疲勞斷裂是在負荷多次循環(huán)后發(fā)生的(累進式累進式)。疲勞斷裂是反復(fù)拉伸應(yīng)力和反復(fù)切應(yīng)力的結(jié)果。疲勞斷裂是反復(fù)拉伸應(yīng)力和反復(fù)切應(yīng)力的結(jié)果。疲勞曲線疲勞曲線41過程包括疲勞裂紋萌生、擴展和瞬時斷裂三個階段。過程包括疲勞裂紋萌生、擴展和瞬時斷裂三個階段。疲勞裂紋的萌生疲勞裂紋的萌生 疲勞裂紋都是由不均勻的部分滑移和顯微開裂引起的，疲勞裂紋都是由不均勻的部分滑移和顯微開裂引起的，主要方式有外表滑移帶構(gòu)成，第二相、夾雜物或其界面開裂，主要方式有外表滑移帶構(gòu)成，第二相、夾雜物或其界面開裂，晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷等。晶界或亞晶界開裂及各類冶金缺陷，工藝缺陷

29、等。圖圖3-29 滑移帶中產(chǎn)生的滑移帶中產(chǎn)生的“擠入及擠入及“擠出表示擠出表示42疲勞裂紋的擴展疲勞裂紋的擴展 是一個包括滑移塑性形變與不穩(wěn)定斷裂是一個包括滑移塑性形變與不穩(wěn)定斷裂交替作用的復(fù)雜過程，通常有切向擴展和正向擴展兩個階段。交替作用的復(fù)雜過程，通常有切向擴展和正向擴展兩個階段。圖圖3-30 疲勞裂紋擴展的兩個階段疲勞裂紋擴展的兩個階段(a) 疲勞裂紋擴展現(xiàn)意圖疲勞裂紋擴展現(xiàn)意圖(b) 螺栓實踐運用中的疲勞裂紋螺栓實踐運用中的疲勞裂紋43即使是塑性良好的合金鋼即使是塑性良好的合金鋼或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件或鋁合金，疲勞斷裂構(gòu)件斷口附近通常也察看不到斷口附近通常也察看不到宏觀的塑性變形。宏

30、觀的塑性變形。圖圖3-31 軟鋼斷裂試樣軟鋼斷裂試樣(a)疲疲勞勞斷斷裂裂(b)靜靜拉拉伸伸斷斷裂裂 442 斷口形貌斷口形貌2. 疲勞斷口形貌疲勞斷口形貌 三個區(qū)域：裂紋來源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)(瞬斷區(qū))。1) 斷口的宏觀形貌斷口的宏觀形貌圖圖-3-32 疲勞斷口的宏觀形貌疲勞斷口的宏觀形貌45 裂紋來源區(qū)裂紋來源區(qū) 裂紋擴展區(qū)裂紋擴展區(qū)呈河灘花樣呈河灘花樣 (或貝殼狀條紋或疲勞弧帶或貝殼狀條紋或疲勞弧帶) 最終斷裂區(qū)最終斷裂區(qū)呈宏觀脆性斷裂特征呈宏觀脆性斷裂特征 ( 粗糙粗糙“晶粒構(gòu)造晶粒構(gòu)造 ) 疲勞源普通只需一個，所占的斷面比例很?。黄谠雌胀ㄖ恍枰粋€，所占的斷面比例很??； 疲勞

31、源普通位于外表應(yīng)力集中處或缺陷部位。疲勞源普通位于外表應(yīng)力集中處或缺陷部位。外表缺陷：刀痕、劃傷、燒傷、銹蝕、淬火裂等；外表缺陷：刀痕、劃傷、燒傷、銹蝕、淬火裂等；心部或亞外表缺陷：夾雜物、氣孔、夾渣、白點、內(nèi)裂等；心部或亞外表缺陷：夾雜物、氣孔、夾渣、白點、內(nèi)裂等；外表硬化層：外表淬火層、化學熱處置層；外表硬化層：外表淬火層、化學熱處置層；應(yīng)力集中部位應(yīng)力集中部位: 缺口、溝槽、臺階、尖角、小孔、突變截面等。缺口、溝槽、臺階、尖角、小孔、突變截面等。46判別疲勞來源點及裂紋擴展方向判別疲勞來源點及裂紋擴展方向判別應(yīng)力大小判別應(yīng)力大小 終斷區(qū)在中心，疲勞斷裂應(yīng)力很高，超越疲終斷區(qū)在中心，疲勞斷

32、裂應(yīng)力很高，超越疲勞極限的勞極限的30100%，普通，普通n3105 次；次； 終斷區(qū)在外表或近外表，疲勞斷裂應(yīng)力高出疲終斷區(qū)在外表或近外表，疲勞斷裂應(yīng)力高出疲勞極限不多，最多高出勞極限不多，最多高出10左右，普通左右，普通n106 次；次； 終斷區(qū)的面積大，那么應(yīng)力大；反之那么應(yīng)力終斷區(qū)的面積大，那么應(yīng)力大；反之那么應(yīng)力小。小。根據(jù)疲勞斷口的宏觀特征根據(jù)疲勞斷口的宏觀特征, 可做如下判別可做如下判別47判別資料的缺口敏感性判別資料的缺口敏感性 資料對缺口敏感，那么疲勞資料對缺口敏感，那么疲勞條紋繞著裂源開場較為平坦，向條紋繞著裂源開場較為平坦，向前擴展一定間隔后即以反弧形向前擴展一定間隔后即

33、以反弧形向前擴展前擴展( 圖圖3-34(b) )。判別負荷類型判別負荷類型 圖圖3-34 缺缺口口敏敏感感性性對對疲疲勞勞斷斷口口形形態(tài)態(tài)的的影影響響 資料對缺口不敏感，那么疲資料對缺口不敏感，那么疲勞條紋繞著裂源或為向外凸起的勞條紋繞著裂源或為向外凸起的同心圓狀同心圓狀( 圖圖3-34(a) )；48 負荷類型、應(yīng)力集中程度和負荷大小對疲勞斷口形狀的影響負荷類型、應(yīng)力集中程度和負荷大小對疲勞斷口形狀的影響49圖圖3-36 不同資料疲勞試樣斷口的疲勞輝紋不同資料疲勞試樣斷口的疲勞輝紋(a) 40MnB TEM 5000X (b) 20g TEM 5000X (c) 鋁合金鋁合金 TEM 500

34、0X2) 斷口的微觀形貌斷口的微觀形貌 當宏觀判別不充分時，微觀判據(jù)為疲勞斷裂提供可靠定當宏觀判別不充分時，微觀判據(jù)為疲勞斷裂提供可靠定性的判據(jù)，如斷裂條件、裂紋擴展速率等。性的判據(jù)，如斷裂條件、裂紋擴展速率等。 疲勞輝紋疲勞輝紋50 疲勞輝紋是一系列根本上相互平行的條紋，略帶疲勞輝紋是一系列根本上相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴展方向相垂直；彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴展方向相垂直； 裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)；裂紋的擴展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)； 輝紋的間距在很大程度上與外加交變負荷的大小輝紋的間距在很大程度上與外加交變負荷的大小有關(guān)；有關(guān)； 條紋的明晰度那么取

35、決于資料的韌性。條紋的明晰度那么取決于資料的韌性。疲勞極限應(yīng)力越高，疲勞輝紋越容易察看到；疲勞極限應(yīng)力越高，疲勞輝紋越容易察看到；高強鋼疲勞輝紋不如鋁合金疲勞輝紋容易察看到。高強鋼疲勞輝紋不如鋁合金疲勞輝紋容易察看到。疲勞輝紋有以下特征疲勞輝紋有以下特征51 裂紋三階段有不同的微觀特征：疲勞來源部位裂紋三階段有不同的微觀特征：疲勞來源部位由很多細滑移線組成，以后構(gòu)成致密的條紋，由很多細滑移線組成，以后構(gòu)成致密的條紋，隨著裂紋的擴展，應(yīng)力逐漸添加，疲勞條紋的隨著裂紋的擴展，應(yīng)力逐漸添加，疲勞條紋的間距也隨之添加。間距也隨之添加。圖圖3-37 疲勞斷面不同部位疲勞輝紋形狀疲勞斷面不同部位疲勞輝紋形

36、狀(a) 疲勞源處構(gòu)成大量的疲勞源處構(gòu)成大量的 滑移線滑移線 2500X(b) 疲勞裂紋擴展初期構(gòu)成疲勞裂紋擴展初期構(gòu)成 的疲勞條紋較密的疲勞條紋較密 3000X(c) 疲勞裂紋擴展后期構(gòu)成疲勞裂紋擴展后期構(gòu)成 的疲勞條紋較疏的疲勞條紋較疏 3000X52圖圖3-38 韌性和脆性疲勞輝紋韌性和脆性疲勞輝紋(a) 韌性條帶韌性條帶 TEM X10000(b) 脆性條帶脆性條帶 TEM X15000 韌性疲勞輝紋較為常見，輝紋間距均勻規(guī)那么。韌性疲勞輝紋較為常見，輝紋間距均勻規(guī)那么。 脆性疲勞輝紋普通不常見，它被切割成一段段的解理臺階，脆性疲勞輝紋普通不常見，它被切割成一段段的解理臺階，間距不均勻

37、，斷斷續(xù)續(xù)。間距不均勻，斷斷續(xù)續(xù)。 疲勞輝紋分為韌性輝紋和脆性輝紋。疲勞輝紋分為韌性輝紋和脆性輝紋。53 疲勞斷口的微觀范圍疲勞斷口的微觀范圍內(nèi)，通常由許多大小內(nèi)，通常由許多大小不同、高低不同的小不同、高低不同的小斷片組成。疲勞輝紋斷片組成。疲勞輝紋均勻分布在斷片上，均勻分布在斷片上，每一小斷片上的疲勞每一小斷片上的疲勞輝紋延續(xù)且相互平行輝紋延續(xù)且相互平行分布，但相鄰斷片上分布，但相鄰斷片上的疲勞輝紋不延續(xù)、的疲勞輝紋不延續(xù)、不平行。不平行。圖圖3-39 疲勞輝紋與小斷片表示圖疲勞輝紋與小斷片表示圖54 圖圖3-40 一次載荷循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞輝紋的過程表示圖一次載荷循環(huán)產(chǎn)生一條疲勞輝紋的過程表

38、示圖 一條輝紋代表一次載荷循環(huán)，其數(shù)目與載荷循環(huán)一條輝紋代表一次載荷循環(huán)，其數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。次數(shù)相等。55 圖圖3-41 不銹鋼氣閥頭疲勞斷口上的不銹鋼氣閥頭疲勞斷口上的輪胎壓痕花樣輪胎壓痕花樣 輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形狀，卻是輪胎壓痕花樣不是疲勞本身的形狀，卻是疲勞斷裂的一個表征。疲勞斷裂的一個表征。 輪胎壓痕花樣輪胎壓痕花樣563 改善途徑改善途徑3. 影響疲勞斷裂的要素及其改善途徑影響疲勞斷裂的要素及其改善途徑構(gòu)件外表形狀構(gòu)件外表形狀 凡是制造工藝過凡是制造工藝過程中產(chǎn)生預(yù)生裂紋程中產(chǎn)生預(yù)生裂紋(如如淬火裂紋淬火裂紋)、鋒利缺口、鋒利缺口(如外表粗糙度不符合如外表粗糙度不符合

39、要求，有加工刀痕等要求，有加工刀痕等)和任何減弱外表強度和任何減弱外表強度的弊病的弊病(如外表氧化、如外表氧化、脫碳等脫碳等)都將嚴重地影都將嚴重地影響構(gòu)件的疲勞壽命。響構(gòu)件的疲勞壽命。 資料的強度越高，資料的強度越高，外表形狀對疲勞的影外表形狀對疲勞的影響越大。響越大。57 構(gòu)件外表脫碳對靜強度影響不大，但是嚴重地影響過載構(gòu)件外表脫碳對靜強度影響不大，但是嚴重地影響過載疲勞壽命，特別是在過載不很高的情況下疲勞壽命，特別是在過載不很高的情況下(在在s以下以下)影響尤影響尤其嚴重。其嚴重。提高外表質(zhì)量是提高構(gòu)件疲勞抗力的重要途徑！提高外表質(zhì)量是提高構(gòu)件疲勞抗力的重要途徑！粗糙度對不同資料抗拉強度

40、鋼材疲勞強度的影響粗糙度對不同資料抗拉強度鋼材疲勞強度的影響外表形狀外表形狀疲勞強度的變化疲勞強度的變化(%)s =480MPas =960MPas =1400MPa拋光拋光100100100超級精磨加工超級精磨加工959390精磨精磨939088粗磨粗磨908070銑削銑削70503558 構(gòu)件包含有缺口、螺紋、構(gòu)件包含有缺口、螺紋、孔洞、臺階以及與其相類似孔洞、臺階以及與其相類似的外表幾何外形，也能夠有的外表幾何外形，也能夠有刀痕、機械劃傷等外表缺陷，刀痕、機械劃傷等外表缺陷，這些部位使外表應(yīng)力提高和這些部位使外表應(yīng)力提高和構(gòu)成應(yīng)力集中區(qū)，且往往成構(gòu)成應(yīng)力集中區(qū)，且往往成為疲勞斷裂的來源。

41、為疲勞斷裂的來源。圖圖3-43 缺口附近的應(yīng)力分布缺口附近的應(yīng)力分布 缺口效應(yīng)與應(yīng)力集中缺口效應(yīng)與應(yīng)力集中59圖圖3-44 鋒利缺口對疲勞強度的影響鋒利缺口對疲勞強度的影響 應(yīng)力峰引起疲勞斷裂的能夠應(yīng)力峰引起疲勞斷裂的能夠性特別大。在低應(yīng)力疲勞中應(yīng)力性特別大。在低應(yīng)力疲勞中應(yīng)力峰的存在峰的存在 , 使屈服部分化使屈服部分化 , 往往往往是極為有害的。是極為有害的。設(shè)計中應(yīng)盡量防止應(yīng)力集中，制造工藝要確保缺口設(shè)計中應(yīng)盡量防止應(yīng)力集中，制造工藝要確保缺口質(zhì)量，有缺口的構(gòu)件應(yīng)防止選用缺口敏感的資料。質(zhì)量，有缺口的構(gòu)件應(yīng)防止選用缺口敏感的資料。 資料的應(yīng)力程度越高，缺資料的應(yīng)力程度越高，缺口對疲勞強度

42、的減弱越大?？趯ζ趶姸鹊臏p弱越大。 用高強度鋼制造的構(gòu)件該用高強度鋼制造的構(gòu)件該當特別留意缺口對疲勞強度的當特別留意缺口對疲勞強度的減弱作用。減弱作用。60工程構(gòu)件在制造時不可防止地產(chǎn)生一定程度的剩余應(yīng)力。工程構(gòu)件在制造時不可防止地產(chǎn)生一定程度的剩余應(yīng)力。剩余應(yīng)力剩余應(yīng)力 剩余應(yīng)力的危害取決于其方向，當剩余應(yīng)力與施加應(yīng)力反剩余應(yīng)力的危害取決于其方向，當剩余應(yīng)力與施加應(yīng)力反向時，剩余應(yīng)力是有益的，反之那么是有害的。向時，剩余應(yīng)力是有益的，反之那么是有害的。 構(gòu)件外表的剩余拉應(yīng)力對疲勞極為不利；外表剩余壓應(yīng)力構(gòu)件外表的剩余拉應(yīng)力對疲勞極為不利；外表剩余壓應(yīng)力對疲勞大有益處。對疲勞大有益處。 外表淬火、滲碳和氮化等外表熱處置，噴丸、外表淬火、滲碳和氮化等外表熱處置，噴丸、外表滾壓、冷拔、擠壓和拋光等機械加工外表滾壓、冷拔、擠壓和拋光等機械加工, 都產(chǎn)生都產(chǎn)生有利的剩余壓應(yīng)力。有利的剩余壓應(yīng)力。 工程上常用這些方法提高構(gòu)件的疲勞抗力。工程上常用這些方法提高構(gòu)件的疲勞抗力。61 在構(gòu)造鋼中，疲勞強度隨著含碳量添加而增高，鉬、在構(gòu)造鋼中，疲勞強度隨著含碳量