第二章-失效分析基礎(chǔ)知識(shí)

第二章失效分析基礎(chǔ)知識(shí)2.1機(jī)械零件失效形式與來(lái)源2.1.1機(jī)械零件失效形式及原因1.按照產(chǎn)品失效的形態(tài)進(jìn)行分類過(guò)量變形扭曲、拉長(zhǎng)、脹大、蠕變、彈性元件永久變形斷裂一次加載斷裂過(guò)載環(huán)境介質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力疲勞斷裂交變應(yīng)力表面損傷磨損材料流失腐蝕化學(xué)和電化學(xué)對(duì)斷裂的分類力學(xué)脆性斷裂延性斷裂工藝鑄件鍛件焊接金相穿晶斷裂沿晶斷裂產(chǎn)品軸齒輪連接件斷裂機(jī)制微孔型斷裂解理型斷裂沿晶斷裂疲勞斷裂原因（機(jī)理模式）過(guò)載疲勞脆性環(huán)境混合斷口形貌（宏觀）纖維狀結(jié)晶狀細(xì)瓷狀貝殼人字形杯錐狀斷口形貌（微觀）微孔冰糖河流花樣臺(tái)階扇形蛇形龜板輝紋2.根據(jù)失效的誘發(fā)因素分類（力學(xué)、環(huán)境、時(shí)間）機(jī)械力引發(fā)彈性變形塑性變形斷裂疲勞剝落熱應(yīng)力引發(fā)蠕變熱松弛熱沖擊熱疲勞蠕變疲勞摩擦力引發(fā)粘著磨損磨粒磨損表面疲勞磨損沖擊磨損微動(dòng)磨損咬合活性介質(zhì)引發(fā)化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕應(yīng)力腐蝕腐蝕疲勞生物腐蝕輻照腐蝕氫致?lián)p傷3.根據(jù)使用過(guò)程對(duì)失效分類失效率早期失效期使用時(shí)間使用壽命偶然失效期規(guī)定的失效率損耗失效期圖2-1浴盆曲線最佳工作期設(shè)計(jì)制造不當(dāng)老齡期4.從經(jīng)濟(jì)法的觀點(diǎn)對(duì)失效進(jìn)行分類涉及到責(zé)任問(wèn)題產(chǎn)品缺陷失效（本質(zhì)失效）產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題帶來(lái)的失效，責(zé)任歸生產(chǎn)單位誤用失效使用不當(dāng)造成的，用戶責(zé)任受用性失效不可抗力原因?qū)е聯(lián)p耗失效正常失效分類方法非常多，綜合使用2.1.2失效的來(lái)源1.設(shè)計(jì)的問(wèn)題高應(yīng)力部位存在溝槽，機(jī)械缺口及圓角半徑過(guò)小等應(yīng)力計(jì)算方面的錯(cuò)誤。載荷類型性質(zhì)大小沒(méi)有正確的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)判據(jù)不正確。2.材料選擇上的缺點(diǎn)選擇的判據(jù)有誤（有經(jīng)驗(yàn)無(wú)準(zhǔn)則）脆性韌脆轉(zhuǎn)變溫度KIC

韌性抗拉強(qiáng)度剪切屈服疲勞疲勞強(qiáng)度疲勞壽命蠕變持久強(qiáng)度工作溫度應(yīng)力腐蝕腐蝕介質(zhì)腐蝕抗力缺陷冶金缺陷加工缺陷3.加工制造及裝配中存在的問(wèn)題加工方法的選擇及合理的技術(shù)要求熱處理酸洗電鍍正確的安裝4.不合理的服役條件不合理的啟動(dòng)停車、超速、過(guò)載、服役、超溫、異物、腐蝕介質(zhì)2.2.1應(yīng)力集中與應(yīng)力集中系數(shù) 截面急劇變化引起局部地區(qū)的應(yīng)力高于受力體的平均應(yīng)力，表示應(yīng)力集中程度大小的系數(shù)稱為應(yīng)力集中系數(shù)。2.2應(yīng)力集中與零件失效2a2bσmaxσ平均PP我們知道，裂紋尖端曲率半徑越小，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)r趨近于0時(shí)，應(yīng)力趨近于無(wú)窮大。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)力得到松弛。缺口形狀影響應(yīng)力集中程度，圓孔優(yōu)于橢圓優(yōu)于尖角缺口位置零件結(jié)構(gòu)缺口尺寸載荷性質(zhì)等都是重要的原因缺口件有效疲勞強(qiáng)度的計(jì)算復(fù)合理論應(yīng)力集中系數(shù)復(fù)合理論應(yīng)力集中系數(shù)參看26頁(yè)表2-22.2.1應(yīng)力集中對(duì)零件失效的影響缺陷處均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中加工、冶煉、設(shè)計(jì)等缺陷1.材料的缺口敏感性

當(dāng)NSR>1時(shí)，缺口處發(fā)生塑性變形，缺口強(qiáng)化效應(yīng)，材料的缺口敏感性小或不敏感當(dāng)NSR<1時(shí)，缺口敏感2.影響應(yīng)力集中與斷裂失效的因素材料力學(xué)性能零件幾何形狀零件應(yīng)力狀態(tài)加工缺陷裝配、檢驗(yàn)產(chǎn)生的缺陷2.2.3降低應(yīng)力集中的措施1.從強(qiáng)化材料方面降低應(yīng)力集中的作用表面熱處理強(qiáng)化薄殼淬火噴丸強(qiáng)化滾壓強(qiáng)化2.從設(shè)計(jì)方面降低應(yīng)力集中系數(shù)變截面部位的過(guò)渡根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔部位在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開(kāi)缺口和圓孔（圖2-7、圖2-8）刀痕、焊接缺陷、危險(xiǎn)截面部位的非金屬夾雜、圓弧過(guò)渡的不光滑2.3殘余應(yīng)力與零件失效2.3.1殘余應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：零件在無(wú)外載荷時(shí)，存在與其內(nèi)部并保持平衡的應(yīng)力。宏觀應(yīng)力（殘余應(yīng)力）：存在整個(gè)零件或較大尺寸范圍內(nèi)保持平衡的應(yīng)力，>0.1mm微孔應(yīng)力：在晶粒尺度（0.1~0.01mm）、原子尺度（10-3~10~6）范圍內(nèi)，保持平衡的應(yīng)力。工作：外加載荷+殘余應(yīng)力殘余壓應(yīng)力：提高疲勞抗力，抗腐蝕應(yīng)力等殘余拉應(yīng)力：降低疲勞抗力，抗腐蝕應(yīng)力使用過(guò)程中殘余應(yīng)力的重新分布而導(dǎo)致材料尺寸的變化2.3.2殘余應(yīng)力的產(chǎn)生1.熱處理殘余應(yīng)力熱應(yīng)力：不同溫度處膨脹量不用引發(fā)的組織應(yīng)力：不同組織的比容不同引起的圖2-9圖2-10請(qǐng)同學(xué)分析圖2-122.表面化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力與化學(xué)熱處理的種類有關(guān)，一般滲碳、滲氮后為壓應(yīng)力狀態(tài)。影響因素：滲碳厚度：典型隨著滲層厚度增加，外表層的殘余應(yīng)力有減小的傾向試樣直徑：冷卻時(shí)斷面內(nèi)冷卻曲線的不同造成的，直徑增加，殘余壓應(yīng)力升高鋼種的影響：相變過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)不同3.焊接殘余應(yīng)力熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、拘束應(yīng)力影響因素:直接應(yīng)力:加熱不均勻間接應(yīng)力：焊前殘余應(yīng)力，焊后變形的影響組織應(yīng)力：高淬透性鋼較為明顯，回火不足時(shí)，可能導(dǎo)致焊接接頭脆性開(kāi)裂4.鑄造殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力組織應(yīng)力影響因素：構(gòu)件截面內(nèi)保持平衡的殘余應(yīng)力：表層和內(nèi)層由于冷卻不同導(dǎo)致的。（圖2-17）構(gòu)件間相互保持平衡的殘余應(yīng)力：截面較多的構(gòu)件，冷卻不同時(shí)形成。（圖2-18）鑄造型砂的阻力導(dǎo)致的殘余應(yīng)力：與多種因素有關(guān)，一般認(rèn)為與型砂的強(qiáng)度成正比鑄件成分：硅小，磷大組織轉(zhuǎn)變：與淬火殘余應(yīng)力相同5.涂鍍層引起的殘余應(yīng)力電鍍：電鍍層的特性、基體金屬、電解液、工藝激光強(qiáng)化：溫差較大熱噴涂涂層：溫度梯度較大，物理特性差異大6.切削加工的殘余應(yīng)力塑性變形+摩擦熱2.3.3殘余應(yīng)力的影響1.對(duì)靜強(qiáng)度的影響工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加影響構(gòu)件的變形，載荷除去后殘余應(yīng)力也會(huì)發(fā)生改變2.對(duì)硬度的影響對(duì)壓入硬度：殘余拉應(yīng)力使硬度下降，壓應(yīng)力的影響不大（圖2-26）對(duì)回彈硬度：殘余拉應(yīng)力使硬度下降3.對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響殘余拉應(yīng)力：降低疲勞強(qiáng)度4.對(duì)脆性破壞的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響2.3.4消除和調(diào)整殘余應(yīng)力的方法熱作用法機(jī)械作用法1.去應(yīng)力退火消除焊接、鑄造、機(jī)加殘余應(yīng)力2.回火或自然失效處理回火：淬火后的應(yīng)力消除自然時(shí)效：是將工件置于露天場(chǎng)地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形，從而使殘余應(yīng)力消除或減少人工時(shí)效：是將工件加熱到550～650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比自然時(shí)效節(jié)省時(shí)間，殘余應(yīng)力去除較為徹底.

3.機(jī)械法加載荷使得有殘余應(yīng)力的部位發(fā)生屈服而松弛應(yīng)力反復(fù)彎曲法、旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)法、拉伸法、振動(dòng)法、錘擊法（焊接）振動(dòng)時(shí)效：對(duì)構(gòu)件加交變應(yīng)力，與殘余應(yīng)力疊加，使得材料屈服?；蛘卟坏角?yīng)力時(shí)產(chǎn)生晶格滑移。使得應(yīng)力釋放。2.4材料的韌性與斷裂設(shè)計(jì)2.4.1低應(yīng)力脆斷及材料的韌性2.4.2斷裂韌度在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和失效分析中的應(yīng)用2.5應(yīng)力分析與失效分析2.5.1應(yīng)力狀態(tài)分析與強(qiáng)度理論1.失效形式和應(yīng)力狀態(tài)失效形式脆斷：無(wú)宏觀塑性變形剪斷：沿最大剪應(yīng)力方向斷裂（鑄鐵的壓縮）屈服：經(jīng)過(guò)一定塑性變形后的斷裂應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)，二維應(yīng)力狀態(tài)三維2.強(qiáng)度理論表2-5最大拉應(yīng)力理論最大拉應(yīng)變理論最大切應(yīng)力理論統(tǒng)計(jì)平均切應(yīng)力理論莫爾理論2.5.2單向拉壓應(yīng)力1.數(shù)學(xué)表達(dá)式

對(duì)脆性材料對(duì)塑性材料

許用應(yīng)力安全系數(shù)2.提高材料強(qiáng)韌性能的措施拉應(yīng)力時(shí)：截面受力均勻淬透性彎曲、扭轉(zhuǎn)：淬硬層厚度為軸半徑的1/3~1/2，心部韌性較好，表層硬度較高防止氧化、脫碳、過(guò)燒等缺陷生成3.失效分析韌性or脆性？強(qiáng)度設(shè)計(jì)？加工缺陷？冶金缺陷？2.5.3平面拉應(yīng)力特點(diǎn)：切向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍注意切應(yīng)力的作用：對(duì)壓力容器件：軸向的焊縫熱影響區(qū)尺寸變化的地方失效分析泄露（韌性）爆炸（脆性）例：高壓氣瓶2.5.4彎曲應(yīng)力1.應(yīng)力狀態(tài)三點(diǎn)彎曲：M——彎矩W——抗彎截面系數(shù)上壓下拉2.選材及熱處理表面淬火，不完全淬透3.失效分析斷裂：脆斷疲勞斷裂，夾雜，殘余拉應(yīng)力軸向裂紋：淬硬層過(guò)大，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力2.5.5扭轉(zhuǎn)應(yīng)力特點(diǎn)：兼顧強(qiáng)度和韌性選材：中碳或中碳合金鋼熱處理：不淬透中溫回火得到回火托氏體失效分析：韌斷：斷口平齊并與軸線垂直低溫回火脆斷：斷口與軸線成45°螺旋狀高溫回火扭轉(zhuǎn)角過(guò)大：剛度不夠2.5.6交變應(yīng)力1.交變應(yīng)力的類型和特點(diǎn)表2-