失效分析基礎(chǔ)知識

關(guān)于失效分析基礎(chǔ)知識第一頁，共六十二頁，2022年，8月28日2

2.1.1失效的主要形式及其原因2.1機械零件失效形式與來源第二頁，共六十二頁，2022年，8月28日32.1.1失效的主要形式及其原因斷裂失效的分類

失效分析工作者通常從致斷原因（斷裂機理或斷裂模式）的角度出發(fā)將機械零件的斷裂失效分為下述幾種類型：（1）過載斷裂失效；（2）疲勞斷裂失效；（3）材料脆性斷裂失效；（4）環(huán)境誘發(fā)斷裂失效；（5）混合斷裂失效。

2.1機械零件失效形式與來源第三頁，共六十二頁，2022年，8月28日32.1.2失效的來源

引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下幾方面：

1、設(shè)計與選材上的問題；

2、加工、熱處理或材質(zhì)上的問題；

3、裝配上的問題；

4、使用、操作和維護不當(dāng)?shù)膯栴}。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，在失效的原因中，設(shè)計和制造加工方面的問題占56%以上。這是一個重要方面，在失效分析和設(shè)計制造中都應(yīng)引起足夠重視。2.1機械零件失效形式與來源第四頁，共六十二頁，2022年，8月28日32.1.2失效的來源

1、設(shè)計問題（1）在高應(yīng)力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半徑過小等；（2）應(yīng)力計算方面的錯誤。對于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件，所承受的載荷性質(zhì)、大小缺少足夠的資料易引起計算方面的錯誤。（3）設(shè)計判據(jù)不正確。由于對產(chǎn)品的服役條件了解不夠，設(shè)計判據(jù)的選用錯誤造成失效的事例也時有發(fā)生。

2、材料選擇上的缺點

（1）選材的判據(jù)有誤（2）材料中的缺陷2.1機械零件失效形式與來源第五頁，共六十二頁，2022年，8月28日32.1.2失效的來源

3、加工制造及裝配中存在的問題

加工方法不正確，技術(shù)要求不合理及操作者失誤也是引起設(shè)備過早失效的重要原因。熱處理不當(dāng)也是常見的失效原因之一。常見的有過熱、回火不充分，加熱速度過快及熱處理方法選用不合理等。熱處理過程中的氧化脫碳、變形開裂、晶粒粗大及材料的性能未達到規(guī)定要求等時有發(fā)生。酸洗及電鍍時引起對材料的充氫而導(dǎo)致的氫致?lián)p傷也是常見的失效形式。不文明施工，不按要求安裝等容易造成零件表面損傷或?qū)е職堄鄳?yīng)力、附加應(yīng)力等，都可以引起零件的早期失效。2.1機械零件失效形式與來源第六頁，共六十二頁，2022年，8月28日32.1.2失效的來源

4、不合理的服役條件

不合理的起動和停車、超速、過載服役、溫度超過允許值、流速波動超出規(guī)定范圍（過高或過低）以及異常介質(zhì)的引入都可能成為設(shè)備過早失效的根源。2.1機械零件失效形式與來源第七頁，共六十二頁，2022年，8月28日4應(yīng)力狀態(tài)分析與強度理論（1）材料的失效形式和應(yīng)力狀態(tài)脆斷剪斷屈服（2）強度理論2.2零件受力分析及強度剛度計算第八頁，共六十二頁，2022年，8月28日52.2.2應(yīng)力集中應(yīng)力集中系數(shù)：2.2零件受力分析及強度剛度計算第九頁，共六十二頁，2022年，8月28日52.2.2應(yīng)力集中裂隙附近應(yīng)力集中：2.2零件受力分析及強度剛度計算第十頁，共六十二頁，2022年，8月28日5不同試樣的應(yīng)力集中系數(shù)

2.2零件受力分析及強度剛度計算第十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日52.2零件受力分析及強度剛度計算第十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日6應(yīng)力集中對零件失效的影響

1、材料的缺口敏感性應(yīng)力集中對零件失效的影響，在一定程度上與材料的缺口敏感性有關(guān)。缺口導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)的變化和應(yīng)力集中，有使材料變脆的趨向。

2.2零件受力分析及強度剛度計算2、影響應(yīng)力集中與斷裂失效的因素

（1）材料機械性能的影響

（2）零件幾何形狀的影響

（3）零件應(yīng)力狀態(tài)的影響（4）加工缺陷的影響（5）裝配、檢驗產(chǎn)生缺陷的影響第十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日6（2）零件幾何形狀的影響

2.2零件受力分析及強度剛度計算零件在應(yīng)力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋示意圖零件在應(yīng)力集中處產(chǎn)生淬火裂紋示意圖第十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日6降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施：1從設(shè)計方面降低應(yīng)力集中系數(shù)（1）變截面部位的過渡加大圓角或改變方式（2）根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_孔部位（3）在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔2采取局部強化以提高應(yīng)力集中處的材料疲勞強度（1）表面處理強化（2）薄殼淬火（3）噴丸強化（4）滾壓強化疲勞時的有效應(yīng)力集中系數(shù)2.2零件受力分析及強度剛度計算第十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日6降低應(yīng)力集中系數(shù)的措施：（3）在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔2.2零件受力分析及強度剛度計算第十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日72.2.3殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力1殘余應(yīng)力的產(chǎn)生（1）熱處理殘余應(yīng)力（2）焊接殘余應(yīng)力（3）表面化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力（4）電鍍引起的殘余應(yīng)力（5）切削加工殘余應(yīng)力2消除殘余應(yīng)力的方法（1）去應(yīng)力退火（2）回火或自然時效處理（3）加靜載（或動載）（4）火焰烘烤法2.2零件受力分析及強度剛度計算第十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日9（1）熱處理殘余應(yīng)力組織應(yīng)力分布冷卻初期冷卻后期熱應(yīng)力分布表面發(fā)生相變心部發(fā)生相變2.2零件受力分析及強度剛度計算第十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日9（1）熱處理殘余應(yīng)力熱處理淬火殘余應(yīng)力類型K——表層，R——心部2.2零件受力分析及強度剛度計算第十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日10（1）熱處理殘余應(yīng)力軋輥淬火殘余應(yīng)力

中心表面材料：0.97%C硬化深度：2.4～2.8mm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2.2零件受力分析及強度剛度計算第二十頁，共六十二頁，2022年，8月28日11（2）化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力（D表示有效滲碳層深度）

D=0.8mm

滲碳層殘余應(yīng)力分布氮化層殘余應(yīng)力分布2.2零件受力分析及強度剛度計算第二十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日8（3）焊接殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算第二十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算第二十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算

激光強化層的殘余應(yīng)力沿層深的分布(a)σX—層深分布曲線(b)σY—層深分布曲線

1-1500W，25mm/s

2-1000W，25mm/s第二十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算噴涂工藝方法對NiCrSi

涂層殘余應(yīng)力的影響

火焰噴涂涂層內(nèi)殘余應(yīng)力與其厚度的關(guān)系第二十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日122.2零件受力分析及強度剛度計算一個預(yù)測熱噴涂涂層殘余應(yīng)力分布的解析模型：平面幾何模型1模型公式建立在平面幾何的基礎(chǔ)之上。1.1沉積應(yīng)力1.1.1第一層應(yīng)變（1）

q——內(nèi)（淬火）應(yīng)力；Ed——楊氏模量假設(shè)每一個部位產(chǎn)生的應(yīng)變是不相等的，并產(chǎn)生反作用力F，于是有(2)

第二十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算(3)

在涂層形成一個很大的拉應(yīng)力，同時，在基板上上產(chǎn)生一個對等的平衡的反作用力——壓應(yīng)力。形成彎矩（bandingmoment）

(4)中性層1(5)第二十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算Compositebeamstiffness

(6)平衡彎矩M1，產(chǎn)生曲率變化，1-0

(7)

第二十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算假設(shè)雙向應(yīng)力相等（x

=z），厚度方向應(yīng)力可以忽略（y

=0）。由泊松效應(yīng)（Poissoneffect），z將在x方向?qū)е乱粋€應(yīng)變。

(8)x方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可以表示為：

(9)Effectiveyoung’smodulusvalue.第二十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算從材料力學(xué)可以計算：

(10)

(11)

涂層第一層中部的應(yīng)力：

(12)

第三十頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算

(13)平衡應(yīng)變

等效楊氏模量

(14)F2的表達式

(15)F2分攤在鍍層第一層和基板中。第三十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算作用在基板上的力為：

(16)作用在第一層鍍層上的力為：

(17)第三十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算大小相等方向相反的力對形成力矩M2：

F2s和F2w都是壓應(yīng)力。在鍍層的第二層上存在與F2大小相等的拉應(yīng)力。(18)平衡彎矩M2，產(chǎn)生曲率變化，2-1(19)第三十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算組合板的硬度（強度）可以寫為：(20)可以確定2為：

(21)第三十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算基板底部和頂部的應(yīng)力可以寫為：和(22)

(23)

第三十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算鍍層第一層中部（心）的應(yīng)力變?yōu)椋哄儗拥诙又胁浚ㄐ模┑膽?yīng)力可以計算為：(24)

(25)

第三十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算1.1.3nth層的應(yīng)力上述的分析和計算可以擴展到n層。(26)

(27)

(28)

第三十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算(30)

(29)

(31)

第三十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算運用式26-29可以估算第j層的應(yīng)力。用j代替各式中的n，j層中部（心）的應(yīng)力為：(32)

第三十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算這里，1jn，其分布如圖3所示。第四十頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算1.2冷卻過程中不同的熱收縮

第四十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算第四十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算考慮兩塊板從無應(yīng)力狀態(tài)冷卻T，則產(chǎn)生應(yīng)變變量

=（s-d）T。假設(shè)這一應(yīng)變在板的底部和頂部產(chǎn)生大小相等的反作用的平衡力F(CTE)，則在x軸上由力平衡可以得到：（33）第四十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算這兩個力行成力矩M(CTE)。為了平衡這一力矩，則有曲率變化2-1（34）（35）（36）第四十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算是中性層（yc=0）到表面（y=0）的距離且等于n。當(dāng)在涂層中時，n是固定的，為：從式（34）和（35），可以得出F(CTE)的表達式：結(jié)合式（33）和式（36）-（38），曲率變化從應(yīng)變變量增加到c-n

（39）

（38）

（37）

第四十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算因而，可以從式（37）計算(CET)導(dǎo)致的應(yīng)力：（40a）

（40b）

（40c）

（40d）

（40e）

第四十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算1.3最終的應(yīng)力水平最終的基板底部和頂部的應(yīng)力水平可以從式（30）和式（40e）或者（31）和（40d）來進行計算：和（41）

（42）

第四十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算對于涂層，jth層中部（心）的應(yīng)力為：（43）

1≤j≤n第四十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算作為一個例子，nth層中部（心）的應(yīng)力為：

（44）

第四十九頁，共六十二頁，2022年，8月28日12（4）涂鍍層引起的殘余應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算2模型的應(yīng)用第五十頁，共六十二頁，2022年，8月28日13（5）切削加工殘余應(yīng)力

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）砂輪太硬時的磨削應(yīng)力2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十一頁，共六十二頁，2022年，8月28日14去應(yīng)力退火的溫度及保溫時間

去應(yīng)力退火

2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十二頁，共六十二頁，2022年，8月28日15

回火（200～400C）或自然時效（可降低殘余應(yīng)力30%）加靜載——使有殘余應(yīng)力部位發(fā)生屈服。加動載——振動法，主要用于鑄件和焊件；錘擊法，主要用于焊接件?；鹧婧婵痉ā糜诤附蛹?，可降低殘余應(yīng)力30%2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十三頁，共六十二頁，2022年，8月28日152.2零件受力分析及強度剛度計算第五十四頁，共六十二頁，2022年，8月28日16殘余應(yīng)力的測試方法機械法逐層剝除法切割法鉆孔法——機械測長法，電阻應(yīng)變儀法，應(yīng)用脆性涂料法，光彈覆膜法物理測定法X射線測定法——測定晶粒內(nèi)的特定晶面的面間距發(fā)生的變化，求得應(yīng)力。有照相法和計數(shù)管法。磁性測定方法——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)力對磁疇的旋轉(zhuǎn)和唯一會產(chǎn)生附加的阻力。其他

脆性涂層光學(xué)方法奧氏體鋼和黃銅氨熏試驗（定性）2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十五頁，共六十二頁，2022年，8月28日16殘余應(yīng)力對靜強度和變形的影響a）加載前的殘余應(yīng)力b）加載后的殘余應(yīng)力c）中央部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線d）兩側(cè)部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線e）整體部分的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

塑性材料——影響不大，或沒有影響淬火回火——影響不可忽視

2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十六頁，共六十二頁，2022年，8月28日16殘余應(yīng)力對疲勞的影響

一般，當(dāng)承受交變應(yīng)力的構(gòu)件存在壓縮殘余應(yīng)力時，構(gòu)件的疲勞強度提高；當(dāng)存在拉伸殘余應(yīng)力時，構(gòu)件的疲勞強度下降。冷加工和熱處理殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響2.2零件受力分析及強度剛度計算第五十七頁，共六十二頁，2022年，8月28日17低應(yīng)力脆斷及材料的韌性脆性斷裂的共性特點：（1）通常發(fā)生脆斷時的宏觀應(yīng)力很低，按強度設(shè)計是安全的（2）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)變速率促進脆斷。2.3材料的韌性與斷裂設(shè)計第五十八頁，共六十二頁，2022年，8月28日17沖擊韌性應(yīng)力場強度因子缺口敏感性溫度和應(yīng)變速率對脆斷的影響脆性轉(zhuǎn)折溫度