失效分析——材料强度与断裂基本概念综述

1、1孙孙 智智 博士博士中中 国国 矿矿 业业 大大 学学 教授，博导教授，博导中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家21基本概念3束德林：金属力学性能，机械工业出版社，束德林：金属力学性能，机械工业出版社，TG113.2/S-253，TG113.2/S-253.2孙茂才：金属力学性能，哈工大出版社，孙茂才：金属力学性能，哈工大出版社， TB3-51/C-532/10徐积善：强度理论及其应用，水电出版社，徐积善：强度理论及其应用，水电出版社， TG0346/X-432郑修麟：材料力学性能，西北工大出版社，郑修麟：材料力学性能，西北工大出版社， TG133

2、01/Z-883杨道明：金属力学性能与失效分析，冶金工业出版社，杨道明：金属力学性能与失效分析，冶金工业出版社， TG115/Y-254俞茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社，俞茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社， TG0346/Y-526楮武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社，楮武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社， TG111.914 本课程主要内容：本课程主要内容： 断裂力学基础（线弹性条件下的断裂韧性和断裂应力，缺断裂力学基础（线弹性条件下的断裂韧性和断裂应力，缺口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性条件下裂纹前端的应力应口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性条件下裂纹前端的应力应变场及断裂

3、韧性）。变场及断裂韧性）。 断裂物理基础（断裂类型及断裂强度；韧断与脆断的特点、断裂物理基础（断裂类型及断裂强度；韧断与脆断的特点、断裂判据及断口特征）。断裂判据及断口特征）。 断裂的微观机理（裂纹的形成理论与裂纹扩展途径分析）。断裂的微观机理（裂纹的形成理论与裂纹扩展途径分析）。韧化原理及工艺（影响韧性的因素及韧化工艺）。韧化原理及工艺（影响韧性的因素及韧化工艺）。 疲劳断裂（疲劳断裂的机理，疲劳裂纹的形成与扩展，疲疲劳断裂（疲劳断裂的机理，疲劳裂纹的形成与扩展，疲劳短裂纹及疲劳的闭合效应）。劳短裂纹及疲劳的闭合效应）。 环境断裂（氢致断裂的机理及力学参量；应力腐蚀机理及环境断裂（氢致断裂的

4、机理及力学参量；应力腐蚀机理及表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）。 5 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标拉伸曲线示意图拉伸曲线示意图 6 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标拉伸曲线示意图拉伸曲线示意图 7 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标强度指标：强度指标：比例极限比例极限 p p应力与应变成正比关系的最大应力。应力与应变成正比关系的最大应力。弹性极限弹性极限 e e材料由弹性变形过渡到弹材料由弹性变形过渡到弹- -塑性变形的应力。

5、塑性变形的应力。应力超过弹性极限，即开始发生塑性变形。微量塑性变形。不应力超过弹性极限，即开始发生塑性变形。微量塑性变形。不允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。屈服极限屈服极限金属发生明显塑性变形的抗力。金属发生明显塑性变形的抗力。屈服点屈服点 s s屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。屈服强度屈服强度 0.20.2规定产生规定产生0.2%0.2%残余伸长的应力。残余伸长的应力。抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限） b b试样拉断前最大载荷所决定的试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力。条件临界应力。国

6、家标准中规定：国家标准中规定： e e （ 0.010.01） ， S S（ 0.20.2），）， b b1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标8 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标塑性指标：塑性指标：塑性塑性断裂前金属发生塑性变形的能力断裂前金属发生塑性变形的能力伸长率伸长率 K K断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸长与试样原标距的比值，长与试样原标距的比值， 。伸长率与试样原始标距长度有关，伸长率与试样原始标距长度有关， 5 5， 1010断面收缩率断面收缩率 断裂后试样截面的相对收缩值，断裂后试样截面的相对收缩值， ，

7、与试样尺寸无关。与试样尺寸无关。 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标%10000lllKK%10000FFFK9 1.1.1 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标硬度硬度 衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。表征着材料的衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种合的一种综合性能指标综合性能指标，不是一个单纯的物理量，试验方法，不是一个单纯的物理量，试验方法不同，其物理意义也不同。不同，其物理意义也不同。 一般可以认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划一般可以

8、认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。破裂的能力。 压入法、刻划法。压入法、刻划法。 压入法压入法静载和动载。静载和动载。 静载静载布氏、洛氏、维氏硬度。布氏、洛氏、维氏硬度。 动载动载肖氏硬度。肖氏硬度。 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标10 布氏硬度布氏硬度HBxxxX：一定直径的钢球压入试件，用压入深度表征材料一定直径的钢球压入试件，用压入深度表征材料的硬度。测量压入坑的直径。的硬度。测量压入坑的直径。 一般用于测试有色金属、调质和正火、退火态的黑色金属。一般用于测试有色金属、调质和正火、退火态的黑色金属。 根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。根据硬度

9、范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。 洛氏硬度洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用用120 的金刚石圆锥或直径的金刚石圆锥或直径1.588mm压压入试件，测量压入深度，以深度大小表征材料的硬度值。入试件，测量压入深度，以深度大小表征材料的硬度值。 一般用于测量淬火回火态的钢试件。一般用于测量淬火回火态的钢试件。 表面硬度计：表面硬度计：用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金属镀层等的硬度。属镀层等的硬度。 维氏硬度及显微硬度维氏硬度及显微硬度HV：用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕对角线长度

10、。对角线长度。 肖氏硬度肖氏硬度HS：动载试验法。用一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重动载试验法。用一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。 肖氏硬度肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标11 1.1.1 金属的常规性能指标金属的常规性能指标硬度和抗拉强度之间的经验关系：硬度和抗拉强度之间的经验关系：未淬硬钢：未淬硬钢： 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碳钢：碳钢： b =2.5HS b =51.32 104/（100-HRC）2 HRC 27灰铸铁：灰铸铁： b =（HB-40）/6 b =48.46 104/（100-HRC）2 40 HRC 27铸钢：铸钢： b =（0.3 0.4）HB HRC 40 b =8.61 103/（100-HRC） HRC 40 1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标12 1.1.2 金属的其它性能指标金属的其它性能指标扭转扭转弯曲弯曲压缩压缩1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标13扭

12、转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。扭转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标14弯曲试验：弯曲试验： 表面强度。表面强度。 脆性材料，表面处理的工脆性材料，表面处理的工件。铸铁，焊接接头等。评定件。铸铁，焊接接头等。评定塑性材料的塑性。塑性材料的塑性。 三点弯曲法。三点弯曲法。1.1 金属机械性能指标金属机械性能指标WMbbb15 1.2.1 交变载荷交变载荷在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。 1.2 疲疲 劳劳 强强 度度maxminr 承受交变应力典型

13、零件的应力循环特征承受交变应力典型零件的应力循环特征循环特征循环特征16 1.2.2 1.2.2 交变应力下材料的抗力指标及性质交变应力下材料的抗力指标及性质（1）疲劳抗力）疲劳抗力 材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。（2）疲劳抗力指标及性质）疲劳抗力指标及性质 a 疲劳极限疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力 r，称该材料的疲劳极限。称该材料的疲劳极限。 b 条件疲劳极限（疲劳强度）条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀条件下工

14、作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受大于表示。一般规定，承受大于51075108次应力循环而不破坏的最大应次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。力称该材料的条件疲劳极限。 c 疲劳破坏的持久值疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（在一定的应力水平下（ r），破坏前的应力循），破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。环次数，叫疲劳破坏的持久值。 d 裂纹扩展速率裂纹扩展速率 1.2 疲疲 劳劳 强强 度度nKCdNda)(17 对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲对于同一种

15、材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的：劳极限是不同的： 对称弯曲对称弯曲 -1 = 0.4 b 对称拉压对称拉压 -1 = 0.28 b 对称扭转对称扭转 -1 = 0.22 b 脉动弯曲脉动弯曲 -1 = 0.65 b 1.2 疲疲 劳劳 强强 度度18 1.2.3 1.2.3 交变应力下的安全系数交变应力下的安全系数 （）应力集中和应变集中的影响（）应力集中和应变集中的影响 （）尺寸的影响（）尺寸的影响 一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。尺寸的影响可用尺寸系数尺寸的影响可用尺寸系数 来表示来表示1.2 疲疲 劳劳 强强 度度kfK)(11缺口试件的疲劳

16、极限光滑试件的疲劳极限111)(图2-25 锻钢疲劳极限的尺寸系数19 （3）表面加工状态的影响）表面加工状态的影响 表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数 1来表示来表示 111)(钢件表面加工系数 1抛光，2磨削，3精车，4粗车，5轧制，6淡水腐蚀表，7海水腐蚀表面1.2 疲疲 劳劳 强强 度度20 （4）表面腐蚀的影响）表面腐蚀的影响 腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数 2来表示。来表示。 （5）表面强化的影响）表面强化的影响 一般来讲，材料强化能提高材料的疲劳极限，特别是存在应力集中一般来讲

17、，材料强化能提高材料的疲劳极限，特别是存在应力集中时，效果更显著。表面强化对材料疲劳极限的影响可用表面强化系数时，效果更显著。表面强化对材料疲劳极限的影响可用表面强化系数 3来来表示。表示。1.2 疲疲 劳劳 强强 度度21 1.2.4 1.2.4 接触应力接触应力 1、接触面间的赫兹应力、接触面间的赫兹应力 两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（Hertz）的弹性理论提出）的弹性理论提出的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。 1.2 疲疲 劳劳 强强 度

18、度LERPbN52. 1LREPNj418. 022 2、沿圆柱体接触面的对称平面（、沿圆柱体接触面的对称平面（y = 0）上，各点的应力分量）上，各点的应力分量2222222222)()(2bzbzbzbzbzbzPjNyn)(2)(422222zzbbzzbbPJNxn222212bzbbzPjNzn1.2 疲疲 劳劳 强强 度度23 3、最大切应力、最大切应力 数值计算式数值计算式 所在位置所在位置 jxnynyz30. 0245maxbzyz786. 045切应力切应力 yz（45 ）在）在z = 0.786 b处达最大值。处达最大值。 1.2 疲疲 劳劳 强强 度度24 4、交变切应力、交变切应力 实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在