第二章-失效分析基礎知識

第二章失效分析基礎知識2.1機械零件失效形式與來源2.1.1機械零件失效形式及原因1.按照產品失效的形態(tài)進行分類過量變形扭曲、拉長、脹大、蠕變、彈性元件永久變形斷裂一次加載斷裂過載環(huán)境介質環(huán)境、應力疲勞斷裂交變應力表面損傷磨損材料流失腐蝕化學和電化學對斷裂的分類力學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品軸齒輪連接件斷裂機制微孔型斷裂解理型斷裂沿晶斷裂疲勞斷裂原因（機理模式）過載疲勞脆性環(huán)境混合斷口形貌（宏觀）纖維狀結晶狀細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、環(huán)境、時間）機械力引發(fā)彈性變形塑性變形斷裂疲勞剝落熱應力引發(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磨損咬合活性介質引發(fā)化學腐蝕電化學腐蝕應力腐蝕腐蝕疲勞生物腐蝕輻照腐蝕氫致?lián)p傷3.根據(jù)使用過程對失效分類失效率早期失效期使用時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計制造不當老齡期4.從經濟法的觀點對失效進行分類涉及到責任問題產品缺陷失效（本質失效）產品質量問題帶來的失效，責任歸生產單位誤用失效使用不當造成的，用戶責任受用性失效不可抗力原因導致?lián)p耗失效正常失效分類方法非常多，綜合使用2.1.2失效的來源1.設計的問題高應力部位存在溝槽，機械缺口及圓角半徑過小等應力計算方面的錯誤。載荷類型性質大小沒有正確的認識設計判據(jù)不正確。2.材料選擇上的缺點選擇的判據(jù)有誤（有經驗無準則）脆性韌脆轉變溫度KIC

韌性抗拉強度剪切屈服疲勞疲勞強度疲勞壽命蠕變持久強度工作溫度應力腐蝕腐蝕介質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題加工方法的選擇及合理的技術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停車、超速、過載、服役、超溫、異物、腐蝕介質2.2.1應力集中與應力集中系數(shù) 截面急劇變化引起局部地區(qū)的應力高于受力體的平均應力，表示應力集中程度大小的系數(shù)稱為應力集中系數(shù)。2.2應力集中與零件失效2a2bσmaxσ平均PP我們知道，裂紋尖端曲率半徑越小，應力集中程度越大。當r趨近于0時，應力趨近于無窮大。當應力強度大于材料的屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形，應力得到松弛。缺口形狀影響應力集中程度，圓孔優(yōu)于橢圓優(yōu)于尖角缺口位置零件結構缺口尺寸載荷性質等都是重要的原因缺口件有效疲勞強度的計算復合理論應力集中系數(shù)復合理論應力集中系數(shù)參看26頁表2-22.2.1應力集中對零件失效的影響缺陷處均會產生應力集中加工、冶煉、設計等缺陷1.材料的缺口敏感性

當NSR>1時，缺口處發(fā)生塑性變形，缺口強化效應，材料的缺口敏感性小或不敏感當NSR<1時，缺口敏感2.影響應力集中與斷裂失效的因素材料力學性能零件幾何形狀零件應力狀態(tài)加工缺陷裝配、檢驗產生的缺陷2.2.3降低應力集中的措施1.從強化材料方面降低應力集中的作用表面熱處理強化薄殼淬火噴丸強化滾壓強化2.從設計方面降低應力集中系數(shù)變截面部位的過渡根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當?shù)拈_孔部位在應力集中區(qū)附近的低應力部位增開缺口和圓孔（圖2-7、圖2-8）刀痕、焊接缺陷、危險截面部位的非金屬夾雜、圓弧過渡的不光滑2.3殘余應力與零件失效2.3.1殘余應力內應力：零件在無外載荷時，存在與其內部并保持平衡的應力。宏觀應力（殘余應力）：存在整個零件或較大尺寸范圍內保持平衡的應力，>0.1mm微孔應力：在晶粒尺度（0.1~0.01mm）、原子尺度（10-3~10~6）范圍內，保持平衡的應力。工作：外加載荷+殘余應力殘余壓應力：提高疲勞抗力，抗腐蝕應力等殘余拉應力：降低疲勞抗力，抗腐蝕應力使用過程中殘余應力的重新分布而導致材料尺寸的變化2.3.2殘余應力的產生1.熱處理殘余應力熱應力：不同溫度處膨脹量不用引發(fā)的組織應力：不同組織的比容不同引起的圖2-9圖2-10請同學分析圖2-122.表面化學熱處理引起的殘余應力與化學熱處理的種類有關，一般滲碳、滲氮后為壓應力狀態(tài)。影響因素：滲碳厚度：典型隨著滲層厚度增加，外表層的殘余應力有減小的傾向試樣直徑：冷卻時斷面內冷卻曲線的不同造成的，直徑增加，殘余壓應力升高鋼種的影響：相變過程中的應力狀態(tài)不同3.焊接殘余應力熱應力、組織應力、拘束應力影響因素:直接應力:加熱不均勻間接應力：焊前殘余應力，焊后變形的影響組織應力：高淬透性鋼較為明顯，回火不足時，可能導致焊接接頭脆性開裂4.鑄造殘余應力結構應力組織應力影響因素：構件截面內保持平衡的殘余應力：表層和內層由于冷卻不同導致的。（圖2-17）構件間相互保持平衡的殘余應力：截面較多的構件，冷卻不同時形成。（圖2-18）鑄造型砂的阻力導致的殘余應力：與多種因素有關，一般認為與型砂的強度成正比鑄件成分：硅小，磷大組織轉變：與淬火殘余應力相同5.涂鍍層引起的殘余應力電鍍：電鍍層的特性、基體金屬、電解液、工藝激光強化：溫差較大熱噴涂涂層：溫度梯度較大，物理特性差異大6.切削加工的殘余應力塑性變形+摩擦熱2.3.3殘余應力的影響1.對靜強度的影響工作應力與殘余應力的疊加影響構件的變形，載荷除去后殘余應力也會發(fā)生改變2.對硬度的影響對壓入硬度：殘余拉應力使硬度下降，壓應力的影響不大（圖2-26）對回彈硬度：殘余拉應力使硬度下降3.對疲勞強度的影響殘余拉應力：降低疲勞強度4.對脆性破壞的應力腐蝕開裂的影響2.3.4消除和調整殘余應力的方法熱作用法機械作用法1.去應力退火消除焊接、鑄造、機加殘余應力2.回火或自然失效處理回火：淬火后的應力消除自然時效：是將工件置于露天場地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形，從而使殘余應力消除或減少人工時效：是將工件加熱到550～650℃進行去應力退火，它比自然時效節(jié)省時間，殘余應力去除較為徹底.

3.機械法加載荷使得有殘余應力的部位發(fā)生屈服而松弛應力反復彎曲法、旋轉扭轉法、拉伸法、振動法、錘擊法（焊接）振動時效：對構件加交變應力，與殘余應力疊加，使得材料屈服?；蛘卟坏角r產生晶格滑移。使得應力釋放。2.4材料的韌性與斷裂設計2.4.1低應力脆斷及材料的韌性2.4.2斷裂韌度在結構設計和失效分析中的應用2.5應力分析與失效分析2.5.1應力狀態(tài)分析與強度理論1.失效形式和應力狀態(tài)失效形式脆斷：無宏觀塑性變形剪斷：沿最大剪應力方向斷裂（鑄鐵的壓縮）屈服：經過一定塑性變形后的斷裂應力狀態(tài)單向應力狀態(tài)，二維應力狀態(tài)三維2.強度理論表2-5最大拉應力理論最大拉應變理論最大切應力理論統(tǒng)計平均切應力理論莫爾理論2.5.2單向拉壓應力1.數(shù)學表達式

對脆性材料對塑性材料

許用應力安全系數(shù)2.提高材料強韌性能的措施拉應力時：截面受力均勻淬透性彎曲、扭轉：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、過燒等缺陷生成3.失效分析韌性or脆性？強度設計？加工缺陷？冶金缺陷？2.5.3平面拉應力特點：切向應力是軸向應力的兩倍注意切應力的作用：對壓力容器件：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彎曲應力1.應力狀態(tài)三點彎曲：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，殘余拉應力軸向裂紋：淬硬層過大，殘余應力為拉應力2.5.5扭轉應力特點：兼顧強度和韌性選材：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角過大：剛度不夠2.5.6交變應力1.交變應力的類型和特點表2-