零件斷裂失效與材料強(qiáng)度

1、12零件斷裂失效與材料強(qiáng)度2 2.1.1 失效的主要形式及其原因失效的主要形式及其原因2.1機(jī)械零件失效形式與來(lái)源機(jī)械零件失效形式與來(lái)源32.1.2 失效的來(lái)源失效的來(lái)源 引起零件早期時(shí)效的原因是很多的，主要有以引起零件早期時(shí)效的原因是很多的，主要有以下幾方面：下幾方面： 1 1、設(shè)計(jì)與選材上的問(wèn)題；、設(shè)計(jì)與選材上的問(wèn)題； 2 2、加工、熱處理或材質(zhì)上的問(wèn)題；、加工、熱處理或材質(zhì)上的問(wèn)題； 3 3、裝配上的問(wèn)題；、裝配上的問(wèn)題； 4 4、使用、操作和維護(hù)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。、使用、操作和維護(hù)不當(dāng)?shù)膯?wèn)題。 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在失效的原因中，設(shè)計(jì)和制造加工據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在失效的原因中，設(shè)計(jì)和制造加工方面的問(wèn)題占方

2、面的問(wèn)題占56%56%以上。這是一個(gè)重要方面，在失以上。這是一個(gè)重要方面，在失效分析和設(shè)計(jì)制造中都應(yīng)引起足夠重視。效分析和設(shè)計(jì)制造中都應(yīng)引起足夠重視。2.1機(jī)械零件失效形式與來(lái)源機(jī)械零件失效形式與來(lái)源42.2.1應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論（1）材料的失效形式和應(yīng)力狀態(tài) 脆斷 剪斷 屈服（2）強(qiáng)度理論名名 稱稱基本假設(shè)基本假設(shè)相當(dāng)應(yīng)力表達(dá)式相當(dāng)應(yīng)力表達(dá)式強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍第一強(qiáng)度理論（最第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）大拉應(yīng)力理論）最大拉應(yīng)力是引起材料最大拉應(yīng)力是引起材料破壞的原因。破壞的原因。極脆材料（淬火鋼、鑄鐵、陶瓷等極脆材料（淬火鋼、鑄鐵、陶瓷等）。三向拉應(yīng)力狀態(tài)。）。三向拉應(yīng)力

3、狀態(tài)。第二強(qiáng)度理論（最第二強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)變理論）大拉應(yīng)變理論）最大拉應(yīng)變是引起材料最大拉應(yīng)變是引起材料破壞的原因。破壞的原因。壓、扭聯(lián)合作用下的脆性材料。壓、扭聯(lián)合作用下的脆性材料。第三強(qiáng)度理論（最第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）大切應(yīng)力理論）最大切應(yīng)力是引起材料最大切應(yīng)力是引起材料破壞的原因。破壞的原因。同第四強(qiáng)度理論。同第四強(qiáng)度理論。第四強(qiáng)度理論（統(tǒng)第四強(qiáng)度理論（統(tǒng)計(jì)平均剪應(yīng)力理論計(jì)平均剪應(yīng)力理論）最大剪應(yīng)力無(wú)疑是材料最大剪應(yīng)力無(wú)疑是材料屈服的主要原因，但其屈服的主要原因，但其他斜面上的切應(yīng)力也有他斜面上的切應(yīng)力也有影響，所以應(yīng)用統(tǒng)計(jì)平影響，所以應(yīng)用統(tǒng)計(jì)平均切應(yīng)力。均切應(yīng)力。塑性材料（低

4、碳鋼、非淬硬中碳鋼塑性材料（低碳鋼、非淬硬中碳鋼、退火球鐵、銅、鋁等）的單向或、退火球鐵、銅、鋁等）的單向或二向應(yīng)力狀態(tài)。二向應(yīng)力狀態(tài)。任何材料在二向或三向壓縮應(yīng)力狀任何材料在二向或三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)。態(tài)。莫爾理論（修正后莫爾理論（修正后的第三強(qiáng)度理論）的第三強(qiáng)度理論）在最大切應(yīng)力的基礎(chǔ)上在最大切應(yīng)力的基礎(chǔ)上，應(yīng)加正應(yīng)力的影響。，應(yīng)加正應(yīng)力的影響。拉壓強(qiáng)度極限不等的脆性或低塑性拉壓強(qiáng)度極限不等的脆性或低塑性材料在二向應(yīng)力狀態(tài)（二向壓縮除材料在二向應(yīng)力狀態(tài)（二向壓縮除外）的精確計(jì)算。外）的精確計(jì)算。1I)(321I31III2/1213232221IV)()()(2131M壓縮強(qiáng)度極限拉伸強(qiáng)度極限

5、IIIIIIIVM2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算.1應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論（3）強(qiáng)度理論應(yīng)用）強(qiáng)度理論應(yīng)用 按這些理論，便可根據(jù)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)（如拉伸試驗(yàn)）所測(cè)得的材料抗力，分析計(jì)按這些理論，便可根據(jù)簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)（如拉伸試驗(yàn)）所測(cè)得的材料抗力，分析計(jì) 算其他復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的強(qiáng)度。如按強(qiáng)度理論可以建立純剪切應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)算其他復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的強(qiáng)度。如按強(qiáng)度理論可以建立純剪切應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng) 度條件并可以由此確立塑性材料許用剪應(yīng)力度條件并可以由此確立塑性材料許用剪應(yīng)力 與許用拉應(yīng)力與許用拉應(yīng)力 之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： 如前所述，純剪應(yīng)力

6、狀態(tài)是一拉一壓二向應(yīng)力狀態(tài)，且如前所述，純剪應(yīng)力狀態(tài)是一拉一壓二向應(yīng)力狀態(tài)，且 按第三強(qiáng)度理論得出的強(qiáng)度條件為按第三強(qiáng)度理論得出的強(qiáng)度條件為2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算3210，2)(312 5 . 0按第四強(qiáng)度理論，可得出按第四強(qiáng)度理論，可得出577. 036注意：注意： 對(duì)于同一種材料，采用不同的強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，有對(duì)于同一種材料，采用不同的強(qiáng)度理論進(jìn)行分析，有時(shí)會(huì)得出不同的結(jié)果。如鑄鐵在二向拉伸一向壓縮且壓力時(shí)會(huì)得出不同的結(jié)果。如鑄鐵在二向拉伸一向壓縮且壓力較大的情況下，試驗(yàn)結(jié)果與按第二強(qiáng)度理論的計(jì)算結(jié)果相較大的情況下，試驗(yàn)結(jié)果與按第二強(qiáng)度理論的計(jì)算結(jié)果相近

7、；而按照這一理論，鑄鐵在二向拉伸時(shí)應(yīng)比單向拉伸安近；而按照這一理論，鑄鐵在二向拉伸時(shí)應(yīng)比單向拉伸安全，這顯然與試驗(yàn)結(jié)果不相符，在這種情況下用第一理論全，這顯然與試驗(yàn)結(jié)果不相符，在這種情況下用第一理論計(jì)算的結(jié)果就比較接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算的結(jié)果就比較接近試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此在進(jìn)行實(shí)際分析時(shí)因此在進(jìn)行實(shí)際分析時(shí)應(yīng)按各種強(qiáng)度理論的適用范圍選用。應(yīng)按各種強(qiáng)度理論的適用范圍選用。2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算72.2.2 2.2.2 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 零件截面有急劇變化處零件截面有急劇變化處，就會(huì)引起局部地區(qū)的應(yīng)力，就會(huì)引起局部地區(qū)的應(yīng)力高于受力體的平均應(yīng)力，這高于受力體的平均應(yīng)力，這

8、一現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，表示一現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中，表示應(yīng)力集中程度大小的系數(shù)稱應(yīng)力集中程度大小的系數(shù)稱為為應(yīng)力集中系數(shù)：應(yīng)力集中系數(shù)： ba21max平均/21maxa平均2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算8當(dāng)構(gòu)件承受圖示的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，裂隙端點(diǎn)附近的應(yīng)力分布為：當(dāng)構(gòu)件承受圖示的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，裂隙端點(diǎn)附近的應(yīng)力分布為：2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算23cos2cos2sin2)23sin2sin1 (2cos2)23sin2sin1 (2cos2raqraqraqxyyx92.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算 當(dāng)薄板或長(zhǎng)柱在裂隙方

9、向及其垂直方向受有均布剪力當(dāng)薄板或長(zhǎng)柱在裂隙方向及其垂直方向受有均布剪力q時(shí)，其裂時(shí)，其裂隙端點(diǎn)（裂隙形式和前相同）附近的應(yīng)力分布為：隙端點(diǎn)（裂隙形式和前相同）附近的應(yīng)力分布為：)23sin2sin1 (2cos2)23cos2cos2sin2)23cos2cos2(2sin2raqraqraqxyyx10不同試樣的應(yīng)力集中系數(shù)不同試樣的應(yīng)力集中系數(shù) 2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算11降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施：1 從設(shè)計(jì)方面降低應(yīng)力集中系數(shù)從設(shè)計(jì)方面降低應(yīng)力集中系數(shù)（1）變截面部位的過(guò)渡）變截面部位的過(guò)渡 加大圓角或改變方式加大圓角或改變方式（2

10、）根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔部位）根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔部位（3）在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開(kāi)缺口和圓孔）在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開(kāi)缺口和圓孔2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算12降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施：2 采取局部強(qiáng)化以提高應(yīng)力集中處的材料疲勞強(qiáng)度采取局部強(qiáng)化以提高應(yīng)力集中處的材料疲勞強(qiáng)度（1）表面處理強(qiáng)化）表面處理強(qiáng)化 表面感應(yīng)加熱淬火、滲碳、氮化和復(fù)合處理等表面感應(yīng)加熱淬火、滲碳、氮化和復(fù)合處理等 （2）薄殼淬火）薄殼淬火 直徑大且有截面變化的短軸類零件，如選用低淬直徑大且有截面變化的短軸類零件，如選用低

11、淬透性鋼，經(jīng)強(qiáng)烈淬火后，可形成表面薄的淬硬層，其內(nèi)存在殘余透性鋼，經(jīng)強(qiáng)烈淬火后，可形成表面薄的淬硬層，其內(nèi)存在殘余壓應(yīng)力，可降低應(yīng)力集中的影響。壓應(yīng)力，可降低應(yīng)力集中的影響。 （3）噴丸強(qiáng)化）噴丸強(qiáng)化 使金屬表層強(qiáng)化且產(chǎn)生大的殘余壓應(yīng)力，從而降使金屬表層強(qiáng)化且產(chǎn)生大的殘余壓應(yīng)力，從而降低應(yīng)力集中的的危害。低應(yīng)力集中的的危害。 （4）滾壓強(qiáng)化）滾壓強(qiáng)化 使零件表面形變強(qiáng)化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而降使零件表面形變強(qiáng)化并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而降低應(yīng)力集中的有害作用。低應(yīng)力集中的有害作用。 疲勞時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)疲勞時(shí)的有效應(yīng)力集中系數(shù)wnwfK缺口試件的疲勞極限光滑試件的疲勞極限2.2零件受力分析及強(qiáng)

12、度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算132.2.3 殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力1 1 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生殘余應(yīng)力的產(chǎn)生 （1 1）焊接殘余應(yīng)力）焊接殘余應(yīng)力 （2 2）熱處理殘余應(yīng)力）熱處理殘余應(yīng)力 （3 3）表面化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力）表面化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力 （4 4）電鍍引起的殘余應(yīng)力）電鍍引起的殘余應(yīng)力 （5 5）切削加工殘余應(yīng)力）切削加工殘余應(yīng)力2 2 消除殘余應(yīng)力的方法消除殘余應(yīng)力的方法 （1 1）去應(yīng)力退火）去應(yīng)力退火 （2 2）回火或自然時(shí)效處理）回火或自然時(shí)效處理 （3 3）加靜載（或動(dòng)載）加靜載（或動(dòng)載） （4 4）火焰烘烤法）火焰烘烤法2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分

13、析及強(qiáng)度剛度計(jì)算14（1）焊接殘余應(yīng)力）焊接殘余應(yīng)力-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60-200-1000100200300400 y x,MPaDistance to center,mm-40 -30 -20 -10010203040-200-1000100200300400 x y,MPaDistance to center,mm2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算15（2）熱處理殘余應(yīng)力）熱處理殘余應(yīng)力組織應(yīng)力分布組織應(yīng)力分布冷卻初期冷卻初期冷卻后期冷卻后期熱應(yīng)力分布熱應(yīng)力分布表面發(fā)生相表面發(fā)生相變變心部發(fā)生相心部發(fā)生相變變2

14、.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算16（2）熱處理殘余應(yīng)力軋輥淬火殘余應(yīng)力軋輥淬火殘余應(yīng)力 中心表面050 100150200-1200-1000-800-600-400-2000200400600800 周 向 軸 向 徑 向殘余 應(yīng)力，MPa軋 輥 徑 向 尺寸，mm0200 400 600 800 1000-1200-1000-800-600-400-2000200400600800 殘余 應(yīng)力，MPa試 樣 直 徑 ，mm材料：0.97%C 硬化深度：2.42.8mm心部軸向心部周向表面軸向表面周向火焰淬火殘余應(yīng)力分布火焰淬火殘余應(yīng)力分布2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛

15、度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算17（3 3）化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力100806040200-800-600-400-2000200400 周 向 軸 向 徑 向殘余 應(yīng)力，MPa截 面 積，mm 2（D表示有效滲碳層深度）表示有效滲碳層深度） D=0.8mm 0.00.40.5-1200-1000-800-600-400-2000 殘余 應(yīng)力，MPa距 表 面 深 度 ，mm滲碳層殘余應(yīng)力分布滲碳層殘余應(yīng)力分布氮化層殘余應(yīng)力分布氮化層殘余應(yīng)力分布2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算18（4 4）電鍍引起的殘余應(yīng)力電鍍引起的殘余

16、應(yīng)力金屬金屬電鍍?nèi)芤弘婂內(nèi)芤簯?yīng)力（應(yīng)力（MPa）CrNiCuCoZnZdPb鉻酸鉻酸硫酸硫酸 50C鉻酸鉻酸硫酸硫酸 65C鉻酸鉻酸硫酸硫酸 85C光亮鍍鎳用液純凈光亮鍍鎳用液純凈光亮鍍鎳用液光亮鍍鎳用液+雜質(zhì)雜質(zhì)光亮鍍鎳用液光亮鍍鎳用液+糖精糖精酒石酸鉀鈉酒石酸鉀鈉氰化物氰化物酒石酸鉀鈉酒石酸鉀鈉氰化物氰化物+硫氰酸鉀硫氰酸鉀硫酸鹽硫酸鹽酸酸氰化物氰化物過(guò)氯酸鹽過(guò)氯酸鹽1072554321072251961-28315630-56 12-8-312.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算算19（5 5）切削加工殘余應(yīng)力切削加工殘余應(yīng)力0.000.050.100.15-300-2

17、00-1000100200300 B C D殘余 應(yīng)力，MPa深度 ，mm0.00-800-4000400800 殘余 應(yīng)力，MPa深度 ，mm 銑加工表面殘余應(yīng)力 B側(cè)刃銑（低速） C端面銑（低速） D滾銑（高速）砂輪太硬時(shí)的磨削應(yīng)力2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算20金金 屬屬 材材 料料 種種 類類 溫度溫度 C 時(shí)間時(shí)間h 灰口鑄鐵灰口鑄鐵碳鋼碳鋼Mo鋼（鋼（C 0.2%）Mo鋼（鋼（0.2% C 0.35%）CrMo鋼（鋼（2%Cr，0.5%Mo）CrMo鋼（鋼（9%Cr，1%Mo）Cr不銹鋼不銹鋼CrNi不銹鋼（不銹鋼（316）Cr

18、Ni不銹鋼（不銹鋼（310）銅合金（銅合金（Cu）銅合金（銅合金（80Cu20Zn或或70Cu30Zn）銅合金（銅合金（60Cu40Zn）銅合金（銅合金（64Cu18Zn18Ni）鎳和蒙乃爾合金（鎳和蒙乃爾合金（Ni6469%Cu2632%少量少量Fe，Mn 430600600680600680680760720750750780780800820870150260190250280320 0.551223232220.511113 去應(yīng)力退火的溫度及保溫時(shí)間去應(yīng)力退火的溫度及保溫時(shí)間 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火 2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算21 回火（回火（20020

19、0400400 C C）或自然時(shí)效（可降低殘余應(yīng)）或自然時(shí)效（可降低殘余應(yīng)力力30%30%） 加靜載加靜載使有殘余應(yīng)力部位發(fā)生屈服。使有殘余應(yīng)力部位發(fā)生屈服。 加動(dòng)載加動(dòng)載振動(dòng)法，主要用于鑄件和焊件；錘振動(dòng)法，主要用于鑄件和焊件；錘擊法，主要用于焊接件。擊法，主要用于焊接件。 火焰烘烤法火焰烘烤法用于焊接件，可降低殘余應(yīng)力用于焊接件，可降低殘余應(yīng)力30%30%2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算22殘余應(yīng)力的測(cè)試方法殘余應(yīng)力的測(cè)試方法機(jī)械法機(jī)械法逐層剝除法逐層剝除法 切割法切割法 鉆孔法鉆孔法機(jī)械測(cè)長(zhǎng)法，電阻機(jī)械測(cè)長(zhǎng)法，電阻應(yīng)變儀法，應(yīng)用脆性涂料法，光彈覆膜法應(yīng)變儀法，應(yīng)

20、用脆性涂料法，光彈覆膜法物理測(cè)定法物理測(cè)定法X X射線測(cè)定法射線測(cè)定法測(cè)定晶粒內(nèi)的特定晶面的面間距發(fā)生的變化，求得應(yīng)測(cè)定晶粒內(nèi)的特定晶面的面間距發(fā)生的變化，求得應(yīng)力。有照相法和計(jì)數(shù)管法。力。有照相法和計(jì)數(shù)管法。磁性測(cè)定方法磁性測(cè)定方法鐵磁體的磁化，受到晶體的各向異性、晶粒大小、鐵磁體的磁化，受到晶體的各向異性、晶粒大小、合金元素、夾雜物及應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力對(duì)磁疇的旋轉(zhuǎn)和唯一會(huì)合金元素、夾雜物及應(yīng)力的影響。殘余應(yīng)力對(duì)磁疇的旋轉(zhuǎn)和唯一會(huì)產(chǎn)生附加的阻力。產(chǎn)生附加的阻力。其他其他 脆性涂層脆性涂層光學(xué)方法光學(xué)方法奧氏體鋼和黃銅氨熏試驗(yàn)（定性）奧氏體鋼和黃銅氨熏試驗(yàn)（定性）2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度

21、計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算23殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力對(duì)靜強(qiáng)度和變形的影響對(duì)靜強(qiáng)度和變形的影響a）加載前的殘余應(yīng)力）加載前的殘余應(yīng)力 b）加載后的殘余應(yīng)力）加載后的殘余應(yīng)力 c）中央部分的應(yīng)力）中央部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 d）兩側(cè)部分的應(yīng)力）兩側(cè)部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 e）整體部分的應(yīng)力）整體部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 塑性材料塑性材料影響不大，或影響不大，或 沒(méi)有影響沒(méi)有影響淬火回火淬火回火影響不可忽視影響不可忽視 2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算24對(duì)硬度的影響對(duì)硬度的影響 從原理而言硬度可分為壓入硬度和回彈硬度。無(wú)論哪種硬從原理而言硬度可分為壓入硬度和

22、回彈硬度。無(wú)論哪種硬度的測(cè)定值都在一定程度上受到殘余應(yīng)力的影響，從而使測(cè)度的測(cè)定值都在一定程度上受到殘余應(yīng)力的影響，從而使測(cè)得的硬度值有所變動(dòng)。在壓入硬度的情況，殘余應(yīng)力要影響得的硬度值有所變動(dòng)。在壓入硬度的情況，殘余應(yīng)力要影響到壓入部分周?chē)苄宰冃?。到壓入部分周?chē)苄宰冃巍?2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算25 對(duì)疲勞的影響對(duì)疲勞的影響 一般，當(dāng)承受交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng)一般，當(dāng)承受交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng) 力時(shí)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度提高；當(dāng)存在拉伸殘余應(yīng)力力時(shí)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度提高；當(dāng)存在拉伸殘余應(yīng)力 時(shí)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降。時(shí)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度下降。 對(duì)脆性破壞

23、和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響對(duì)脆性破壞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響 對(duì)低溫脆性破壞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等突然性的失對(duì)低溫脆性破壞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等突然性的失效形式，殘余應(yīng)力的作用是顯著的，有大量的事效形式，殘余應(yīng)力的作用是顯著的，有大量的事例和分析表明有許多類似的失效的應(yīng)力是由殘余例和分析表明有許多類似的失效的應(yīng)力是由殘余應(yīng)力提供的或殘余應(yīng)力起到了至關(guān)重要的作用。應(yīng)力提供的或殘余應(yīng)力起到了至關(guān)重要的作用。 2.2零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算零件受力分析及強(qiáng)度剛度計(jì)算262.3.1低應(yīng)力脆斷及材料的韌性低應(yīng)力脆斷及材料的韌性 脆性斷裂的共性特點(diǎn)：脆性斷裂的共性特點(diǎn)： （1）通常發(fā)生脆斷時(shí)的宏觀應(yīng)力很低，按強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的

24、）通常發(fā)生脆斷時(shí)的宏觀應(yīng)力很低，按強(qiáng)度設(shè)計(jì)是安全的 （2）脆斷通常發(fā)生在比較低的工作溫度下）脆斷通常發(fā)生在比較低的工作溫度下 （3）脆斷從應(yīng)力集中處開(kāi)始，裂紋源通常在結(jié)構(gòu)或材料的缺陷處）脆斷從應(yīng)力集中處開(kāi)始，裂紋源通常在結(jié)構(gòu)或材料的缺陷處 （4）厚截面、高應(yīng)變速率促進(jìn)脆斷。）厚截面、高應(yīng)變速率促進(jìn)脆斷。沖擊韌性沖擊韌性應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子缺口敏感性缺口敏感性溫度和應(yīng)變速率對(duì)脆斷的影響溫度和應(yīng)變速率對(duì)脆斷的影響脆性轉(zhuǎn)折溫度脆性轉(zhuǎn)折溫度 FATT NDT SATT FTP METTaYKaYKcKbNFNSRRTQXexp2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)27沖擊韌性沖擊韌性

25、 在材料測(cè)試和工程實(shí)踐中在材料測(cè)試和工程實(shí)踐中應(yīng)用比較廣泛的是缺口沖擊應(yīng)用比較廣泛的是缺口沖擊實(shí)驗(yàn)。為了統(tǒng)一和對(duì)比，人實(shí)驗(yàn)。為了統(tǒng)一和對(duì)比，人們對(duì)沖擊實(shí)驗(yàn)的試樣、沖擊們對(duì)沖擊實(shí)驗(yàn)的試樣、沖擊方法等規(guī)范化，形成了標(biāo)準(zhǔn)方法等規(guī)范化，形成了標(biāo)準(zhǔn)的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)方法和試樣的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)方法和試樣標(biāo)準(zhǔn)。常用的沖擊試樣有夏標(biāo)準(zhǔn)。常用的沖擊試樣有夏氏氏V V型和梅氏型和梅氏U U型缺口試樣，型缺口試樣，如圖所示，用沖擊試樣的斷如圖所示，用沖擊試樣的斷裂功裂功A AK K（J J）或）或a ak k（J/cmJ/cm2 2）作為材料的韌性指標(biāo)。作為材料的韌性指標(biāo)。2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)

26、282.3.2斷裂韌性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和失效分析中的應(yīng)用斷裂韌性在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和失效分析中的應(yīng)用安全判據(jù)安全判據(jù) 是結(jié)構(gòu)斷裂設(shè)計(jì)的依據(jù)。是結(jié)構(gòu)斷裂設(shè)計(jì)的依據(jù)。1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用例結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用例（1）一厚板零件，使用）一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo鋼制造。其鋼制造。其 如圖所示。如圖所示。無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度在無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋長(zhǎng)度在4mm以上，設(shè)計(jì)工作應(yīng)力為以上，設(shè)計(jì)工作應(yīng)力為 。討論：討論：a 工作應(yīng)力工作應(yīng)力 d=750MNm-2 時(shí)，檢測(cè)手段能否保證防止發(fā)生脆斷？時(shí)，檢測(cè)手段能否保證防止發(fā)生脆斷？ b 企圖通過(guò)提高強(qiáng)度以減輕零件重量，若企圖通過(guò)提高強(qiáng)度以減輕零件重量，若 b提高到提高到19

27、00MNm-2 是否合適？是否合適？ c 如果如果 b提高到提高到1900MNm-2 ，則零件的允許工作應(yīng)力是多少？，則零件的允許工作應(yīng)力是多少？解：解：a 選用鋼材，選用鋼材， 為為66MNm-3/2 ，計(jì)算得，計(jì)算得 b 通過(guò)熱處理提高材料強(qiáng)度通過(guò)熱處理提高材料強(qiáng)度 b = 1900MNm-2 ，則，則 =34.5MNm-3/2 ，計(jì)算得裂紋臨界長(zhǎng)，計(jì)算得裂紋臨界長(zhǎng) 度度2c=2.1mm。小于檢測(cè)范圍，不能保證不發(fā)生脆性斷裂。小于檢測(cè)范圍，不能保證不發(fā)生脆性斷裂。 若改用鋼材若改用鋼材4，則可計(jì)算得，則可計(jì)算得2c約為約為4.35mm，滿足要求。，滿足要求。 c 在在 b = 1900MN

28、m-2時(shí)，對(duì)鋼材時(shí)，對(duì)鋼材1，在臨界裂紋，在臨界裂紋2c=4mm時(shí)，其工作應(yīng)力為時(shí)，其工作應(yīng)力為 d=685MNm-2 對(duì)鋼材對(duì)鋼材4，在臨界裂紋，在臨界裂紋2c=4mm時(shí)，其工作應(yīng)力為時(shí)，其工作應(yīng)力為 d=990MNm-2 aYKIcKIcKbd21IcKcMNmKdc2663/21mmmc1 .12101 .1223IcK292.4.1 單向拉（壓）應(yīng)力單向拉（壓）應(yīng)力 在生產(chǎn)實(shí)際中，受拉（壓）應(yīng)力的構(gòu)件是多種多樣的，如連桿、螺栓、在生產(chǎn)實(shí)際中，受拉（壓）應(yīng)力的構(gòu)件是多種多樣的，如連桿、螺栓、鋼絲繩等。鋼絲繩等。1、評(píng)定單向應(yīng)力的指標(biāo)、評(píng)定單向應(yīng)力的指標(biāo)（1）數(shù)學(xué)表達(dá)式）數(shù)學(xué)表達(dá)式 對(duì)于脆

29、性材料對(duì)于脆性材料 對(duì)于塑性材料對(duì)于塑性材料（2）安全系數(shù)）安全系數(shù) 2、提高材料強(qiáng)韌性能的措施、提高材料強(qiáng)韌性能的措施（1）零件承受拉應(yīng)力，并且在整個(gè)截面上的分布是均勻的，此時(shí)，在選材和）零件承受拉應(yīng)力，并且在整個(gè)截面上的分布是均勻的，此時(shí)，在選材和確定熱處理工藝時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件的截面大小，確保零件內(nèi)部完全淬；確定熱處理工藝時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)零件的截面大小，確保零件內(nèi)部完全淬；（2）防止氧化、脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等一切降低材料性能的缺陷發(fā)生。）防止氧化、脫碳、過(guò)熱、過(guò)燒等一切降低材料性能的缺陷發(fā)生。2.4 2.4 負(fù)荷形式與零件斷裂負(fù)荷形式與零件斷裂bbnn0ssnn0303、斷裂分析、斷裂分析 此類

30、零件的斷裂應(yīng)首先區(qū)分是韌斷還是脆斷。此類零件的斷裂應(yīng)首先區(qū)分是韌斷還是脆斷。 （）韌斷（）韌斷 a 首先按傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，檢查一下載荷是否估計(jì)不足，首先按傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核，檢查一下載荷是否估計(jì)不足，即安全系數(shù)是否太小或者未予以考慮；即安全系數(shù)是否太小或者未予以考慮； b 分析材料的組織狀態(tài)，檢查硬度，檢查是否有氧化脫碳、淬火裂紋及分析材料的組織狀態(tài)，檢查硬度，檢查是否有氧化脫碳、淬火裂紋及心部是否淬硬等；心部是否淬硬等； c 如果上述問(wèn)題不存在，應(yīng)作化學(xué)成分分析。如果上述問(wèn)題不存在，應(yīng)作化學(xué)成分分析。 （）脆斷（）脆斷 除作上述考慮外，尚需進(jìn)行斷裂韌性檢查，主要分析微觀裂

31、縫的存除作上述考慮外，尚需進(jìn)行斷裂韌性檢查，主要分析微觀裂縫的存在對(duì)韌性的影響。在對(duì)韌性的影響。2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)31例例 國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)45Si2Mn高強(qiáng)度螺栓，在加工制造過(guò)程中，不可避免地存在著深為高強(qiáng)度螺栓，在加工制造過(guò)程中，不可避免地存在著深為a=0.5mm，半寬，半寬c=2.0mm的表面裂紋，其工作應(yīng)力為的表面裂紋，其工作應(yīng)力為 =960MPa。淬火并低溫。淬火并低溫回火后材料的強(qiáng)度回火后材料的強(qiáng)度 b =2110MPa， s =1920MPa，KIC=39.50MPa m-1/2，在使，在使用中發(fā)生脆斷，試分析原因。用中發(fā)生脆斷，試分析原因。分析一分析一 按

32、傳統(tǒng)強(qiáng)度理論校核按傳統(tǒng)強(qiáng)度理論校核2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)2 . 29602110bbn0 . 29601920ssn結(jié)論：應(yīng)是安全的結(jié)論：應(yīng)是安全的 。32分析二分析二 因?yàn)槭歉邚?qiáng)度材料，還需進(jìn)行斷裂力學(xué)方面的校核。作為近似計(jì)因?yàn)槭歉邚?qiáng)度材料，還需進(jìn)行斷裂力學(xué)方面的校核。作為近似計(jì)算，該裂紋認(rèn)為是一個(gè)張開(kāi)型的表面裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子在臨界條件算，該裂紋認(rèn)為是一個(gè)張開(kāi)型的表面裂紋，其應(yīng)力強(qiáng)度因子在臨界條件下，為下，為2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì) 根據(jù)裂紋形狀和應(yīng)力狀態(tài)，查有關(guān)手冊(cè)后可得與此有關(guān)的裂紋形狀因子根據(jù)裂紋形狀和應(yīng)力狀態(tài)，查有關(guān)手冊(cè)后可得與此

33、有關(guān)的裂紋形狀因子數(shù)據(jù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入后得數(shù)據(jù)，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入后得 c =948.5MPa。 由此可見(jiàn)，零件最大承載能力為由此可見(jiàn)，零件最大承載能力為948.5MPa，低于實(shí)際的工作應(yīng)力，低于實(shí)際的工作應(yīng)力960MPa，故發(fā)生斷裂失效，又因其斷裂時(shí)的應(yīng)力小于材料的屈服極限，所，故發(fā)生斷裂失效，又因其斷裂時(shí)的應(yīng)力小于材料的屈服極限，所以必然是脆性斷裂。以必然是脆性斷裂。 結(jié)論：材料韌性不足，脆斷。結(jié)論：材料韌性不足，脆斷。aYKcICaYKICc33 若將淬火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得若將淬火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得 b =1540MPa， s =1440MPa，KIC =66.36 MPa

34、m-1/2，其結(jié)果：，其結(jié)果：2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì) 同樣，在有裂紋存在情況下由斷裂韌性求得同樣，在有裂紋存在情況下由斷裂韌性求得 c =1564.5MPa （工作應(yīng)力，（工作應(yīng)力，960MPa）。）。 在具有脆斷傾向的構(gòu)件中，決定零件或構(gòu)件斷裂與否的關(guān)在具有脆斷傾向的構(gòu)件中，決定零件或構(gòu)件斷裂與否的關(guān)鍵因素是材料的韌性，而不是傳統(tǒng)的強(qiáng)度指標(biāo)，片面地追求高鍵因素是材料的韌性，而不是傳統(tǒng)的強(qiáng)度指標(biāo)，片面地追求高強(qiáng)度和較大的強(qiáng)度安全系數(shù)，往往導(dǎo)致韌性的降低，反而容易強(qiáng)度和較大的強(qiáng)度安全系數(shù)，往往導(dǎo)致韌性的降低，反而容易促使宏觀脆性的、危險(xiǎn)的低應(yīng)力斷裂。促使宏觀脆性的、危險(xiǎn)

35、的低應(yīng)力斷裂。 6 . 19601540bbn5 . 19601440ssn342.4.4 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 1、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài) 此類零件垂直軸線的截面上只有剪切應(yīng)力的作用，其最外層此類零件垂直軸線的截面上只有剪切應(yīng)力的作用，其最外層的最大剪應(yīng)力最大正應(yīng)力為的最大剪應(yīng)力最大正應(yīng)力為2.3 材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)2、選材與熱處理、選材與熱處理（1）選材）選材 通常選用中碳鋼或中碳合金鋼。過(guò)高碳量容易造成熱處理后韌性不足，通常選用中碳鋼或中碳合金鋼。過(guò)高碳量容易造成熱處理后韌性不足，過(guò)低碳量則易造成熱處理后的強(qiáng)度不夠，合金元素（淬透性的要求）應(yīng)按零過(guò)低碳量則易造成熱處理后的強(qiáng)度不夠，合金元素（淬透性的要求）應(yīng)按零件尺寸的大小適當(dāng)選用。件尺寸的大小適當(dāng)選用。（2）熱處