失效分析——材料強(qiáng)度與斷裂基本概念

1、1孫孫 智智 博士博士中中 國(guó)國(guó) 礦礦 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 教授，博導(dǎo)教授，博導(dǎo)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析學(xué)會(huì)失效分析專家中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)失效分析學(xué)會(huì)失效分析專家21基本概念3束德林：金屬力學(xué)性能，機(jī)械工業(yè)出版社，束德林：金屬力學(xué)性能，機(jī)械工業(yè)出版社，TG113.2/S-253，TG113.2/S-253.2孫茂才：金屬力學(xué)性能，哈工大出版社，孫茂才：金屬力學(xué)性能，哈工大出版社， TB3-51/C-532/10徐積善：強(qiáng)度理論及其應(yīng)用，水電出版社，徐積善：強(qiáng)度理論及其應(yīng)用，水電出版社， TG0346/X-432鄭修麟：材料力學(xué)性能，西北工大出版社，鄭修麟：材料力學(xué)性能，西北工大出版社， TG133

2、01/Z-883楊道明：金屬力學(xué)性能與失效分析，冶金工業(yè)出版社，楊道明：金屬力學(xué)性能與失效分析，冶金工業(yè)出版社， TG115/Y-254俞茂宏，強(qiáng)度理論研究進(jìn)展，西安交大出版社，俞茂宏，強(qiáng)度理論研究進(jìn)展，西安交大出版社， TG0346/Y-526楮武揚(yáng)，斷裂與環(huán)境斷裂，冶金工業(yè)出版社，楮武揚(yáng)，斷裂與環(huán)境斷裂，冶金工業(yè)出版社， TG111.914 本課程主要內(nèi)容：本課程主要內(nèi)容： 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)（線彈性條件下的斷裂韌性和斷裂應(yīng)力，缺斷裂力學(xué)基礎(chǔ)（線彈性條件下的斷裂韌性和斷裂應(yīng)力，缺口斷裂力學(xué)及缺口斷裂韌性；彈塑性條件下裂紋前端的應(yīng)力應(yīng)口斷裂力學(xué)及缺口斷裂韌性；彈塑性條件下裂紋前端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及斷裂

3、韌性）。變場(chǎng)及斷裂韌性）。 斷裂物理基礎(chǔ)（斷裂類型及斷裂強(qiáng)度；韌斷與脆斷的特點(diǎn)、斷裂物理基礎(chǔ)（斷裂類型及斷裂強(qiáng)度；韌斷與脆斷的特點(diǎn)、斷裂判據(jù)及斷口特征）。斷裂判據(jù)及斷口特征）。 斷裂的微觀機(jī)理（裂紋的形成理論與裂紋擴(kuò)展途徑分析）。斷裂的微觀機(jī)理（裂紋的形成理論與裂紋擴(kuò)展途徑分析）。韌化原理及工藝（影響韌性的因素及韌化工藝）。韌化原理及工藝（影響韌性的因素及韌化工藝）。 疲勞斷裂（疲勞斷裂的機(jī)理，疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，疲疲勞斷裂（疲勞斷裂的機(jī)理，疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，疲勞短裂紋及疲勞的閉合效應(yīng)）。勞短裂紋及疲勞的閉合效應(yīng)）。 環(huán)境斷裂（氫致斷裂的機(jī)理及力學(xué)參量；應(yīng)力腐蝕機(jī)理及環(huán)境斷裂（氫致斷裂的

4、機(jī)理及力學(xué)參量；應(yīng)力腐蝕機(jī)理及表征參量；高溫蠕變變形與斷裂機(jī)理）表征參量；高溫蠕變變形與斷裂機(jī)理）。 5 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo) 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)拉伸曲線示意圖拉伸曲線示意圖 6 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo) 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)拉伸曲線示意圖拉伸曲線示意圖 7 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)：強(qiáng)度指標(biāo)：比例極限比例極限 p p應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。彈性極限彈性極限 e e材料由彈性變形過渡到彈材料由彈性變形過渡到彈- -塑性變形的應(yīng)力。

5、塑性變形的應(yīng)力。應(yīng)力超過彈性極限，即開始發(fā)生塑性變形。微量塑性變形。不應(yīng)力超過彈性極限，即開始發(fā)生塑性變形。微量塑性變形。不允許有微量塑性變形的零件，應(yīng)根據(jù)此極限設(shè)計(jì)。允許有微量塑性變形的零件，應(yīng)根據(jù)此極限設(shè)計(jì)。屈服極限屈服極限金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力。金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力。屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) s s屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，有上、下屈服極限。屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，有上、下屈服極限。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 0.20.2規(guī)定產(chǎn)生規(guī)定產(chǎn)生0.2%0.2%殘余伸長(zhǎng)的應(yīng)力。殘余伸長(zhǎng)的應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度（強(qiáng)度極限）抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限） b b試樣拉斷前最大載荷所決定的試樣拉斷前最大載荷所決定的條件臨界應(yīng)力。條件臨界應(yīng)力。國(guó)

6、家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定： e e （ 0.010.01） ， S S（ 0.20.2），）， b b1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)8 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo)塑性指標(biāo)：塑性指標(biāo)：塑性塑性斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 K K斷裂后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值。標(biāo)距的絕對(duì)伸斷裂后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值。標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)與試樣原標(biāo)距的比值，長(zhǎng)與試樣原標(biāo)距的比值， 。伸長(zhǎng)率與試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)，伸長(zhǎng)率與試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度有關(guān)， 5 5， 1010斷面收縮率斷面收縮率 斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮值，斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮值， ，

7、與試樣尺寸無關(guān)。與試樣尺寸無關(guān)。 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)%10000lllKK%10000FFFK9 1.1.1 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo)硬度硬度 衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。表征著材料的衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。表征著材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種合的一種綜合性能指標(biāo)綜合性能指標(biāo)，不是一個(gè)單純的物理量，試驗(yàn)方法，不是一個(gè)單純的物理量，試驗(yàn)方法不同，其物理意義也不同。不同，其物理意義也不同。 一般可以認(rèn)為硬度是金屬表面抵抗局部壓入變形或刻劃一般可以

8、認(rèn)為硬度是金屬表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。破裂的能力。 壓入法、刻劃法。壓入法、刻劃法。 壓入法壓入法靜載和動(dòng)載。靜載和動(dòng)載。 靜載靜載布氏、洛氏、維氏硬度。布氏、洛氏、維氏硬度。 動(dòng)載動(dòng)載肖氏硬度。肖氏硬度。 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)10 布氏硬度布氏硬度HBxxxX：一定直徑的鋼球壓入試件，用壓入深度表征材料一定直徑的鋼球壓入試件，用壓入深度表征材料的硬度。測(cè)量壓入坑的直徑。的硬度。測(cè)量壓入坑的直徑。 一般用于測(cè)試有色金屬、調(diào)質(zhì)和正火、退火態(tài)的黑色金屬。一般用于測(cè)試有色金屬、調(diào)質(zhì)和正火、退火態(tài)的黑色金屬。 根據(jù)硬度范圍和試件尺寸選擇試驗(yàn)時(shí)的鋼球和載荷大小。根據(jù)硬度

9、范圍和試件尺寸選擇試驗(yàn)時(shí)的鋼球和載荷大小。 洛氏硬度洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用用120 的金剛石圓錐或直徑的金剛石圓錐或直徑1.588mm壓壓入試件，測(cè)量壓入深度，以深度大小表征材料的硬度值。入試件，測(cè)量壓入深度，以深度大小表征材料的硬度值。 一般用于測(cè)量淬火回火態(tài)的鋼試件。一般用于測(cè)量淬火回火態(tài)的鋼試件。 表面硬度計(jì)：表面硬度計(jì)：用小載荷加壓，用于測(cè)量薄試件、氮化層、滲碳層、金用小載荷加壓，用于測(cè)量薄試件、氮化層、滲碳層、金屬鍍層等的硬度。屬鍍層等的硬度。 維氏硬度及顯微硬度維氏硬度及顯微硬度HV：用金剛石的正四棱錐體壓入試件，測(cè)量壓痕用金剛石的正四棱錐體壓入試件，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度

10、。對(duì)角線長(zhǎng)度。 肖氏硬度肖氏硬度HS：動(dòng)載試驗(yàn)法。用一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重動(dòng)載試驗(yàn)法。用一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落下，根據(jù)鋼球回跳的高度來衡量試件的硬度。錘，從一定高度落下，根據(jù)鋼球回跳的高度來衡量試件的硬度。 肖氏硬度肖氏硬度只能在相同彈性模量的材料之間進(jìn)行硬度對(duì)比。只能在相同彈性模量的材料之間進(jìn)行硬度對(duì)比。 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)11 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)金屬的常規(guī)性能指標(biāo)硬度和抗拉強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：硬度和抗拉強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：未淬硬鋼：未淬硬鋼： b=0.362HB HB 175 b =0.345HB HB 175 b

11、=2.64 103/（130-HRB） HRB 90 b =2.61 103/（130-HRB） 100 HRB 90碳鋼：碳鋼： b =2.5HS b =51.32 104/（100-HRC）2 HRC 27灰鑄鐵：灰鑄鐵： b =（HB-40）/6 b =48.46 104/（100-HRC）2 40 HRC 27鑄鋼：鑄鋼： b =（0.3 0.4）HB HRC 40 b =8.61 103/（100-HRC） HRC 40 1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)12 1.1.2 金屬的其它性能指標(biāo)金屬的其它性能指標(biāo)扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)彎曲彎曲壓縮壓縮1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)13扭

12、轉(zhuǎn)試驗(yàn)：材料的剪切扭轉(zhuǎn)機(jī)械性能。鉚釘、傳動(dòng)主軸等工件。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)：材料的剪切扭轉(zhuǎn)機(jī)械性能。鉚釘、傳動(dòng)主軸等工件。1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)14彎曲試驗(yàn)：彎曲試驗(yàn)： 表面強(qiáng)度。表面強(qiáng)度。 脆性材料，表面處理的工脆性材料，表面處理的工件。鑄鐵，焊接接頭等。評(píng)定件。鑄鐵，焊接接頭等。評(píng)定塑性材料的塑性。塑性材料的塑性。 三點(diǎn)彎曲法。三點(diǎn)彎曲法。1.1 金屬機(jī)械性能指標(biāo)金屬機(jī)械性能指標(biāo)WMbbb15 1.2.1 交變載荷交變載荷在交變應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生損傷的現(xiàn)象稱為疲勞。在交變應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生損傷的現(xiàn)象稱為疲勞。 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度maxminr 承受交變應(yīng)力典型

13、零件的應(yīng)力循環(huán)特征承受交變應(yīng)力典型零件的應(yīng)力循環(huán)特征循環(huán)特征循環(huán)特征零件名稱零件名稱軸軸齒輪齒根齒輪齒根軸承軸承連桿連桿螺栓螺栓應(yīng)力變化應(yīng)力變化循環(huán)特征循環(huán)特征對(duì)稱循環(huán)對(duì)稱循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)脈動(dòng)循環(huán)大壓小拉大壓小拉大拉小壓大拉小壓應(yīng)力性質(zhì)應(yīng)力性質(zhì)r =- -1r = 0r = - - - - r - -10 r 1應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)稱彎曲對(duì)稱彎曲脈動(dòng)彎曲脈動(dòng)彎曲脈動(dòng)壓縮脈動(dòng)壓縮不對(duì)稱不對(duì)稱不對(duì)稱不對(duì)稱16 1.2.2 1.2.2 交變應(yīng)力下材料的抗力指標(biāo)及性質(zhì)交變應(yīng)力下材料的抗力指標(biāo)及性質(zhì)（1）疲勞抗力）疲勞抗力 材料抵抗交變應(yīng)力作用的能力稱為疲勞抗力材料抵抗交變應(yīng)力作用的能力稱為疲

14、勞抗力。（2）疲勞抗力指標(biāo)及性質(zhì)）疲勞抗力指標(biāo)及性質(zhì) a 疲勞極限疲勞極限 應(yīng)力循環(huán)變化無限次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)變化無限次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力 r，稱該材料的疲勞極限。稱該材料的疲勞極限。 b 條件疲勞極限（疲勞強(qiáng)度）條件疲勞極限（疲勞強(qiáng)度） 對(duì)于鋁合金等有色金屬及在高溫和腐蝕對(duì)于鋁合金等有色金屬及在高溫和腐蝕條件下工作的黑色金屬，無疲勞極限，其疲勞抗力指標(biāo)常用條件疲勞極限條件下工作的黑色金屬，無疲勞極限，其疲勞抗力指標(biāo)常用條件疲勞極限表示。一般規(guī)定，承受大于表示。一般規(guī)定，承受大于51075108次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力稱該材料的條件疲

15、勞極限。力稱該材料的條件疲勞極限。 c 疲勞破壞的持久值疲勞破壞的持久值 在一定的應(yīng)力水平下（在一定的應(yīng)力水平下（ r），破壞前的應(yīng)力循），破壞前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，叫疲勞破壞的持久值。環(huán)次數(shù)，叫疲勞破壞的持久值。 d 裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度nKCdNda)(17 對(duì)于同一種材料，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其疲對(duì)于同一種材料，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其疲勞極限是不同的：勞極限是不同的： 對(duì)稱彎曲對(duì)稱彎曲 -1 = 0.4 b 對(duì)稱拉壓對(duì)稱拉壓 -1 = 0.28 b 對(duì)稱扭轉(zhuǎn)對(duì)稱扭轉(zhuǎn) -1 = 0.22 b 脈動(dòng)彎曲脈動(dòng)彎曲 -1 = 0.65 b 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng)

16、 度度18 1.2.3 1.2.3 交變應(yīng)力下的安全系數(shù)交變應(yīng)力下的安全系數(shù) （）應(yīng)力集中和應(yīng)變集中的影響（）應(yīng)力集中和應(yīng)變集中的影響 （）尺寸的影響（）尺寸的影響 一般當(dāng)尺寸增大時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低。一般當(dāng)尺寸增大時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低。尺寸的影響可用尺寸系數(shù)尺寸的影響可用尺寸系數(shù) 來表示來表示1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度kfK)(11缺口試件的疲勞極限光滑試件的疲勞極限111)(圖2-25 鍛鋼疲勞極限的尺寸系數(shù)19 （3）表面加工狀態(tài)的影響）表面加工狀態(tài)的影響 表面狀態(tài)對(duì)對(duì)疲勞極限的影響可用表面加工系數(shù)表面狀態(tài)對(duì)對(duì)疲勞極限的影響可用表面加工系數(shù) 1來表示來表示 111)(鋼件表面加工系數(shù) 1拋光

17、，2磨削，3精車，4粗車，5軋制，6淡水腐蝕表，7海水腐蝕表面1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度20 （4）表面腐蝕的影響）表面腐蝕的影響 腐蝕環(huán)境對(duì)材料疲勞極限的影響，可用腐蝕系數(shù)腐蝕環(huán)境對(duì)材料疲勞極限的影響，可用腐蝕系數(shù) 2來表示。來表示。 （5）表面強(qiáng)化的影響）表面強(qiáng)化的影響 一般來講，材料強(qiáng)化能提高材料的疲勞極限，特別是存在應(yīng)力集中一般來講，材料強(qiáng)化能提高材料的疲勞極限，特別是存在應(yīng)力集中時(shí)，效果更顯著。表面強(qiáng)化對(duì)材料疲勞極限的影響可用表面強(qiáng)化系數(shù)時(shí)，效果更顯著。表面強(qiáng)化對(duì)材料疲勞極限的影響可用表面強(qiáng)化系數(shù) 3來來表示。表示。強(qiáng)化方法心部強(qiáng)度 b（MPa）鋼試樣的表面強(qiáng)化系數(shù)3光滑試樣有應(yīng)

18、力集中試樣Kf 1.5Kf 2.0高頻淬火60090080010001.31.51.21.41.41.51.52.01.82.2滲 氮90012004006001.11.31.82.01.51.731.72.1滲 碳700800100012001.41.51.21.32輥 壓60015001.11.41.41.61.62.0噴 丸60015001.11.41.11.41.62.01.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度21 1.2.4 1.2.4 接觸應(yīng)力接觸應(yīng)力 1、接觸面間的赫茲應(yīng)力、接觸面間的赫茲應(yīng)力 兩物體接觸表面附近的應(yīng)力場(chǎng)理論是根據(jù)赫茲（兩物體接觸表面附近的應(yīng)力場(chǎng)理論是根據(jù)赫茲（Hertz）的彈性理論提出）的彈性理論提出的。該理論認(rèn)為，接觸表面的接觸應(yīng)力按橢圓規(guī)律分布，其中心達(dá)最大值。的。該理論認(rèn)為，接觸表面的接觸應(yīng)力按橢圓規(guī)律分布，其中心達(dá)最大值。 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度LERPbN52. 1LREPNj418. 022 2、沿圓柱體接觸面的對(duì)稱平面（、沿圓柱體接觸面的對(duì)稱平面（y = 0）上，各點(diǎn)的應(yīng)力分量）上，各點(diǎn)的應(yīng)力分量222222222