化工设备失效分析课件(第6章)

1、 第六章金属的疲劳断裂第六章金属的疲劳断裂 机械零部件或化工设备的疲劳断裂失效，在机械零部件或化工设备的疲劳断裂失效，在全部断裂失效中占有很大的比例。全部断裂失效中占有很大的比例。第一节第一节 疲劳应力应变和疲劳强度疲劳应力应变和疲劳强度 一、疲劳应力和疲劳极限一、疲劳应力和疲劳极限大小或方向和大小随时间而变动的应力叫做疲劳应大小或方向和大小随时间而变动的应力叫做疲劳应力，如图力，如图3 31 1所示，描述疲劳应力的特征参量有最大所示，描述疲劳应力的特征参量有最大应力应力maxmax、最小应力、最小应力minmin、平均应力、平均应力m m、交变应力、交变应力幅幅a a及应力比及应力比R R。

2、 它们之间的相互关系为它们之间的相互关系为: : 当当R R-1-1即即m m0 0 时为对称循环时为对称循环; ;当当R R0 0 即即minmin0 0脉动循环脉动循环; ;而而R R+1+1，即，即minminmaxmax时表示为静时表示为静载。载。maxmin12mminmax21aminmaxR 1710疲劳极限疲劳极限 指的是金属不发生疲劳断裂的应力指的是金属不发生疲劳断裂的应力（a a）。事实上有许多材料，或是在某种环境下，）。事实上有许多材料，或是在某种环境下，并没有无限寿命的并没有无限寿命的 ，于是定义断裂时循环次数，于是定义断裂时循环次数N Nf f达达 的应力为疲劳极限的

3、应力为疲劳极限 。 11 二、等疲劳寿命曲线二、等疲劳寿命曲线对于非对称的（对于非对称的（ ）的应力循环，有）的应力循环，有两个经验式可将材料的强度进行折算：两个经验式可将材料的强度进行折算： Goodman Goodman关系关系 GeberGeber关系关系 1R)1 (1bmR21)(1bmR 三、疲劳应力集中系数三、疲劳应力集中系数 疲劳应力集中系数疲劳应力集中系数 疲劳缺口敏感因子疲劳缺口敏感因子 tKt应力集中系数 =应力集中导致的最大应力（理论应力） 不考虑应力集中的名义应力 NfK1111tfKKq 四、疲劳应变四、疲劳应变- -寿命曲线寿命曲线 Coffin-MansonCo

4、ffin-Manson公式：式中B为常数， （其中 为断面收缩率）。cfcbfbpeaNDNEB)()(211lnD 五、疲劳有限寿命和累计寿命原则五、疲劳有限寿命和累计寿命原则工况下的载荷工况下的载荷 往往并非恒定，例如设备总有往往并非恒定，例如设备总有满载、空载或半载等情况。这时可用累计寿命法则满载、空载或半载等情况。这时可用累计寿命法则进行估计，即当进行估计，即当 时，寿命耗尽。时，寿命耗尽。式中式中 应力为应力为 对应的疲劳寿命；对应的疲劳寿命； 在在 下实际工作的载荷循环数。下实际工作的载荷循环数。a1332211 fnnfffNNNNNNNNfiNiiNi第二节第二节 金属在疲劳载

5、荷作用下的变形和损伤金属在疲劳载荷作用下的变形和损伤 一、包申格效应 二、循环硬化与循环软化二、循环硬化与循环软化 三、疲劳形变的不均匀性三、疲劳形变的不均匀性同单调形变时一样，循环形变时金属内部的不同单调形变时一样，循环形变时金属内部的不可逆滑移，表现于试样表面为滑移带。若每当疲可逆滑移，表现于试样表面为滑移带。若每当疲劳一段时间后，用电解抛光去除有滑移带的一薄劳一段时间后，用电解抛光去除有滑移带的一薄层（层（30 30 ）继续试验，累计的疲劳寿命可成倍提）继续试验，累计的疲劳寿命可成倍提高。这表明滑移带与疲劳起裂有关。同时有一种高。这表明滑移带与疲劳起裂有关。同时有一种滑移带，即使被抛光去

6、除，再次疲劳试验时仍在滑移带，即使被抛光去除，再次疲劳试验时仍在处出现滑移。这就叫做驻留滑移带。处出现滑移。这就叫做驻留滑移带。m 驻留滑移带是形变不均匀性的表现之一。疲劳驻留滑移带是形变不均匀性的表现之一。疲劳破坏的实际问题正是在于循环形变的不均匀性。破坏的实际问题正是在于循环形变的不均匀性。将疲劳断裂了的材料进行疲劳试验，其疲劳寿命将疲劳断裂了的材料进行疲劳试验，其疲劳寿命与原先相当。这表明疲劳断裂是以集中性损伤起与原先相当。这表明疲劳断裂是以集中性损伤起源的。源的。第三节第三节 疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生 一、表面滑移带裂纹萌生方式一、表面滑移带裂纹萌生方式疲劳裂纹首先是在形变集中的自

7、由表面形成。金属疲劳裂纹首先是在形变集中的自由表面形成。金属试样在经过一定次数的循环载荷之后在光滑的表面上试样在经过一定次数的循环载荷之后在光滑的表面上会出现皱折不平，它是由于金属发生了片状的挤出和会出现皱折不平，它是由于金属发生了片状的挤出和挤入，如图挤入，如图6 61414所示。所示。 而这些挤入、挤出是来自于驻留滑移带，如图而这些挤入、挤出是来自于驻留滑移带，如图6 61515所示，由这样挤入、挤出继续发展成为裂纹所示，由这样挤入、挤出继续发展成为裂纹是纯金属和单相合金形成疲劳裂纹的主要方式。是纯金属和单相合金形成疲劳裂纹的主要方式。 二、晶界萌生裂纹方式二、晶界萌生裂纹方式 晶界处出现

8、较高的应力；晶界处出现较高的应力；由于形变在晶界处出现凹槽；由于形变在晶界处出现凹槽；晶界有杂质偏析或弱化晶界有杂质偏析或弱化铝、铜、黄铜和低碳钢在大振幅疲劳条件下，铝、铜、黄铜和低碳钢在大振幅疲劳条件下，疲劳裂纹大都是由晶界开始的。疲劳裂纹大都是由晶界开始的。 三、相质点或夹杂物附近萌生的疲劳裂纹三、相质点或夹杂物附近萌生的疲劳裂纹原因：原因：夹杂物与机体的分离；夹杂物与机体的分离；夹杂物破裂夹杂物破裂 四、其它各类非连续性冶金缺陷和工艺缺陷四、其它各类非连续性冶金缺陷和工艺缺陷 零件表面的刀痕过深，截面变化过渡太陡（因零件表面的刀痕过深，截面变化过渡太陡（因弧半径过小），拉痕、腐蚀痕、工艺

9、裂纹、表面碰弧半径过小），拉痕、腐蚀痕、工艺裂纹、表面碰伤，均是诱发疲劳裂纹之处。内部的夹渣、缩孔、伤，均是诱发疲劳裂纹之处。内部的夹渣、缩孔、疏松也可以成为疲劳裂纹萌生地，其基本原理都在疏松也可以成为疲劳裂纹萌生地，其基本原理都在于导致应力集中、发生集中滑移。于导致应力集中、发生集中滑移。 五、微动（五、微动（FrettingFretting）疲劳起裂）疲劳起裂 在交变载荷作用下，零件接触处的微动摩在交变载荷作用下，零件接触处的微动摩擦就会通过促使裂纹的萌生和提高裂纹的早期擦就会通过促使裂纹的萌生和提高裂纹的早期扩展速率而大大降低零件的使用寿命，这就叫扩展速率而大大降低零件的使用寿命，这就叫

10、做微动疲劳或微振疲劳。做微动疲劳或微振疲劳。 第四节第四节 疲劳裂纹的扩展及断口形貌疲劳裂纹的扩展及断口形貌 疲劳裂纹萌生与扩展的分界点：工程上（如疲劳裂纹萌生与扩展的分界点：工程上（如作断裂力学测试中的启裂）常以作断裂力学测试中的启裂）常以0.05mm0.05mm左右作左右作为萌生和扩展的分界点。为萌生和扩展的分界点。 大量的事实表明，一个疲劳断裂的断口，包大量的事实表明，一个疲劳断裂的断口，包括图括图6 61818所示的几个区段：所示的几个区段： a) a) 与主应力方向大体成与主应力方向大体成4545倾斜的疲劳扩展第倾斜的疲劳扩展第I I阶段。阶段。b) b) 与主应力垂直的疲劳扩展第与

11、主应力垂直的疲劳扩展第II II阶段。阶段。c) c) 瞬断区。瞬断区。 一、疲劳裂纹扩展的第一、疲劳裂纹扩展的第I I阶段阶段 本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿命的比例却不低。由于裂纹扩展和速率很低，命的比例却不低。由于裂纹扩展和速率很低，有时仅为循环有时仅为循环n n10101 1nmnm，故在这部分断口上，故在这部分断口上一般都看不出任何扩展的特征形貌。一般都看不出任何扩展的特征形貌。 第第I I阶段的扩展机理，主要是与滑移有关，裂阶段的扩展机理，主要是与滑移有关，裂纹的转向是损伤机理和断裂机理变化之表现。在纹的转向是损伤机理和断裂机理变化之表

12、现。在扩展的第扩展的第I I阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损伤而促成剪切断裂。当裂纹深入后，裂尖的塑性伤而促成剪切断裂。当裂纹深入后，裂尖的塑性区中，易发生形变的方向的分布性滑移起保护作区中，易发生形变的方向的分布性滑移起保护作用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移的用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移的面上，故转向正断。面上，故转向正断。 二、裂纹扩展的第二、裂纹扩展的第II II阶段及断口微观形貌阶段及断口微观形貌 裂纹转向同正应力垂直起，进入第裂纹转向同正应力垂直起，进入第II II阶段。在此阶段。在此阶段中每经一个载荷循环，裂纹就向前扩展一步。

13、阶段中每经一个载荷循环，裂纹就向前扩展一步。于是往往在此口上留下一系列的条带（辉纹）。疲于是往往在此口上留下一系列的条带（辉纹）。疲劳辉纹是疲劳断口的特征形貌。由于金属塑性良好劳辉纹是疲劳断口的特征形貌。由于金属塑性良好而均匀，辉纹显得很明显而有规则，如图而均匀，辉纹显得很明显而有规则，如图6 62323所所示，疲劳辉纹是显微尺度的条纹，宏观不可见的。示，疲劳辉纹是显微尺度的条纹，宏观不可见的。 疲劳辉纹的机理疲劳辉纹的机理可用塑性钝化模型可用塑性钝化模型来描述（图来描述（图6 62222）。）。在疲劳循环的前半在疲劳循环的前半周的过程中，裂纹周的过程中，裂纹将张开，形成将张开，形成CODCO

14、D，裂尖发生钝化，如裂尖发生钝化，如图图6 62222中中abcabc所示。所示。 后半周由拉转向压，则后半周由拉转向压，则如图如图cdecde所示，裂所示，裂纹闭合，在尖部留下折纹闭合，在尖部留下折痕，当再次拉伸时，此痕，当再次拉伸时，此折痕保留，裂纹往前伸折痕保留，裂纹往前伸展一条，在此口上就留展一条，在此口上就留下一条辉纹，可见辉纹下一条辉纹，可见辉纹是裂纹扩展的瞬时前沿，是裂纹扩展的瞬时前沿，条纹推移的方向（垂直条纹推移的方向（垂直于条纹）即为裂纹扩展于条纹）即为裂纹扩展方向。这就是疲劳裂纹方向。这就是疲劳裂纹扩展的塑性钝化模型。扩展的塑性钝化模型。 然而在多晶体材料中，这种有辉纹的穿

15、晶扩展断然而在多晶体材料中，这种有辉纹的穿晶扩展断口，并不是处在一个完整的平坦面上。而是如图口，并不是处在一个完整的平坦面上。而是如图6 62424所示，在不同高度的台面上扩展。台面与台所示，在不同高度的台面上扩展。台面与台面之间的台阶连接。这台阶是大体顺着裂纹扩展方面之间的台阶连接。这台阶是大体顺着裂纹扩展方向的。这一片一片的台面，叫做疲劳班片。图中示向的。这一片一片的台面，叫做疲劳班片。图中示出了与疲劳辉纹平行的二次裂纹。出了与疲劳辉纹平行的二次裂纹。 解理疲劳断口的典型特征是解理疲劳辉纹及解理疲劳断口的典型特征是解理疲劳辉纹及与之相垂直的解理河流共存，如图与之相垂直的解理河流共存，如图6

16、-346-34。 三、瞬断区三、瞬断区 此时，由于有效截面很小，加上裂纹很深而应此时，由于有效截面很小，加上裂纹很深而应力集中，应力强度因子达到很高水平，其断裂过力集中，应力强度因子达到很高水平，其断裂过程同单调加载的情形相似。程同单调加载的情形相似。 第五节第五节 疲劳断口宏观分析疲劳断口宏观分析 疲劳断口分析的目的在于：疲劳断口分析的目的在于：判定其是否属于判定其是否属于疲劳断裂；疲劳断裂；找出疲劳启裂源，然后可进一步分找出疲劳启裂源，然后可进一步分析启裂与材料成份、组织、性能、冶金缺陷、零析启裂与材料成份、组织、性能、冶金缺陷、零件形状及表面状态、应力集中、工艺缺陷、载荷件形状及表面状态

17、、应力集中、工艺缺陷、载荷水平等的关系；水平等的关系；判断导致断裂的载荷性质及水判断导致断裂的载荷性质及水平；平；估计其疲劳裂纹扩展速率，估计寿命。然估计其疲劳裂纹扩展速率，估计寿命。然后可进一步推论其应力主要来源；后可进一步推论其应力主要来源；介质在扩展介质在扩展中的作用。中的作用。 上节提到疲劳断口包括斜断口的第上节提到疲劳断口包括斜断口的第I I阶段，正断阶段，正断口第口第II II阶段及瞬断区。由于第阶段及瞬断区。由于第I I阶段断口很小（一、阶段断口很小（一、二个晶粒深）；第二个晶粒深）；第II II阶段的初期阶段的初期K K很小，裂纹扩很小，裂纹扩展很慢，断口表面往往被压缩磨擦成光

18、滑的一片，展很慢，断口表面往往被压缩磨擦成光滑的一片，所以，实践中常将此两区合标为疲劳源区或叫核所以，实践中常将此两区合标为疲劳源区或叫核心区，随后是扩展区，实为第心区，随后是扩展区，实为第II II阶段扩展期中具有阶段扩展期中具有明显扩展特征的区域，最后为一次断裂性质的瞬明显扩展特征的区域，最后为一次断裂性质的瞬断区。疲劳源和扩展区均为宏观脆性，看不出塑断区。疲劳源和扩展区均为宏观脆性，看不出塑性变形。瞬断区的塑性表现视材料性质而定，与性变形。瞬断区的塑性表现视材料性质而定，与尖裂纹的一次加载断裂相同。尖裂纹的一次加载断裂相同。 扩展区中的贝纹线（或扩展区中的贝纹线（或叫海滩花样）是疲劳断叫

19、海滩花样）是疲劳断口，尤其是工况下高周口，尤其是工况下高周次疲劳断口中最本质的次疲劳断口中最本质的宏观特征，图宏观特征，图6 64141为为4040钢长轴旋转弯曲疲劳断钢长轴旋转弯曲疲劳断口。其中的贝纹线（海口。其中的贝纹线（海滩花样）十分清楚。滩花样）十分清楚。 不要将贝纹线与疲劳辉纹混为一体，后者是不要将贝纹线与疲劳辉纹混为一体，后者是每一载荷循环引起的裂纹扩展一步所留下的微每一载荷循环引起的裂纹扩展一步所留下的微观条带，而前者是宏观的，贝纹形成的原因是观条带，而前者是宏观的，贝纹形成的原因是疲劳载荷谱的阶段性变化，例如各个时期应力疲劳载荷谱的阶段性变化，例如各个时期应力幅不同，工作与休息

20、（开、停车）的交替，环幅不同，工作与休息（开、停车）的交替，环境介质和温度的较大变化等。因而在单一载荷境介质和温度的较大变化等。因而在单一载荷谱连续疲劳试验断口上不会有贝纹线。谱连续疲劳试验断口上不会有贝纹线。 显然，贝纹线也反映瞬时显然，贝纹线也反映瞬时的裂纹前沿和裂纹扩展的的裂纹前沿和裂纹扩展的方向，因而也就间接地反方向，因而也就间接地反映出裂纹源的位置，载荷映出裂纹源的位置，载荷性质（拉、扭、弯）应力性质（拉、扭、弯）应力水平、应力集中的情况。水平、应力集中的情况。图图6 64242显示由六个疲劳显示由六个疲劳源出发的贝纹。多疲劳源源出发的贝纹。多疲劳源往往是因为零件形状造成往往是因为零

21、件形状造成多个应力集中或由于应力多个应力集中或由于应力水平高所致。水平高所致。 第六章第六章 疲劳断裂失效分析思路疲劳断裂失效分析思路 第七节第七节 疲劳寿命及其影响因素疲劳寿命及其影响因素 一、劳寿命的构成一、劳寿命的构成根据上面讨论，可把疲劳损伤及断裂的发展根据上面讨论，可把疲劳损伤及断裂的发展进程列于表进程列于表3 31 1。分期微观断口范围及其特征宏 观 断 口分区寿命构成裂纹萌生0.1um核心区No扩展第I阶段斜断口，12个晶位深扩 展 第 I I阶段正断口光亮区，无特征有贝纹或辉纹或其它晶体学特征扩展区Ns瞬断一次单调加载断口形貌瞬断区N1 疲劳寿命以周次计，疲劳寿命以周次计，NN

22、f fNNo oNNs s，NNo o/N/Nf f或或NNs s/N/Nf f受各种因素的影响，并无很精确的比例关受各种因素的影响，并无很精确的比例关系，但大体上说来：系，但大体上说来：高周次疲劳的高周次疲劳的NNo o/N/Nf f比低比低周疲劳时为大。周疲劳时为大。纯金属比合金的纯金属比合金的No/Nf小。这小。这似乎可以说明似乎可以说明p p是促成启裂的重要因素。是促成启裂的重要因素。 二、速率公式和扩展速率曲线二、速率公式和扩展速率曲线关于疲劳裂纹扩展速率与力学参量的关系，曾提关于疲劳裂纹扩展速率与力学参量的关系，曾提出过许多的经验式，其中广为人们接受和利用的出过许多的经验式，其中广

23、为人们接受和利用的是是ParisParis公式。该公式具有简单、实用的特点。公式。该公式具有简单、实用的特点。mkcdNda 这里，这里， 为疲劳裂纹扩展速率，为疲劳裂纹扩展速率，c c和和mm为材料常数为材料常数（实测得出）。（实测得出）。K K为线弹性断裂力学参数为线弹性断裂力学参数K K的变化的变化幅度，幅度，K K（K KmaxmaxK Kminmin），对于），对于I I型裂纹，为型裂纹，为K KI I的的变化量。在外载（名义应力变化量。在外载（名义应力）一定的条件下，）一定的条件下，K KI I与裂纹深度和长度有关。例如某些简单的情况下，与裂纹深度和长度有关。例如某些简单的情况下，

24、可表达为可表达为这里的这里的是由零件或试样形状、裂纹形态及位置是由零件或试样形状、裂纹形态及位置（穿透型、表面型或埋藏型等）决定的参数。（穿透型、表面型或埋藏型等）决定的参数。dNdaaKI 实际上实际上ParisParis公式是公式是 f f（k k）扩展速率曲线的中段）扩展速率曲线的中段的近似描述，然而是很有用的一段。的近似描述，然而是很有用的一段。 f f（k k）的）的关系曲线是由实验结果总结出来的，如图关系曲线是由实验结果总结出来的，如图6 65858所示。所示。由图可知疲劳扩展情况可以分为几个区段。由图可知疲劳扩展情况可以分为几个区段。dNdadNda 当当k kk kthth时，

25、时， 00，k kthth叫做叫做疲劳裂纹扩展应力强疲劳裂纹扩展应力强度因子幅门槛值。一度因子幅门槛值。一般工程上实测，是按般工程上实测，是按 1010-7-7mm/mm/次时确次时确定定k kthth。 dNdadNda 曲线的曲线的A A段，段， 1010-5-5mm/mm/次。此时是由于名义次。此时是由于名义应力幅应力幅小或由于裂纹浅而小或由于裂纹浅而k k较小。这种扩展速较小。这种扩展速率形成的辉纹需在率形成的辉纹需在2000020000倍以上，才能分辨出来。在倍以上，才能分辨出来。在外载荷谱不变的情况下，疲劳裂纹由浅到深的发展外载荷谱不变的情况下，疲劳裂纹由浅到深的发展过程中，到这一

26、阶段完成前，累计寿命就大体相当过程中，到这一阶段完成前，累计寿命就大体相当于前面的于前面的NNOO。 门坎值门坎值k kthth之大小及近之大小及近k kthth区的扩展速率，受区的扩展速率，受K K平均值（或应力比平均值（或应力比R R）、显微组织、晶粒大小影响）、显微组织、晶粒大小影响较明显，尤其是环境的影响十分显著。较明显，尤其是环境的影响十分显著。 dNda 曲线的曲线的B B段，在对数坐标图上为直线，段，在对数坐标图上为直线，ParisParis公式公式是近似描述这一段的情形。这相当于疲劳扩展第是近似描述这一段的情形。这相当于疲劳扩展第II II阶段中出现疲劳辉纹的一段，产生的断口属

27、扩展区，阶段中出现疲劳辉纹的一段，产生的断口属扩展区，这一段研究得较多，以疲劳辉纹为特征。对数坐标这一段研究得较多，以疲劳辉纹为特征。对数坐标曲线的斜率曲线的斜率mm受金属显微组织、平均应力和介质的受金属显微组织、平均应力和介质的影响均不明显，即影响均不明显，即 式中的式中的mm大体不变，大体不变，例如对铁素体或铁素体十珠光体钢例如对铁素体或铁素体十珠光体钢mm4 4。 mkcdNda 曲线的曲线的C C段，此时段，此时 随随K K增大，且增长的速增大，且增长的速率愈来愈大，到率愈来愈大，到K KmaxmaxK Kc c时就发生瞬时断裂。时就发生瞬时断裂。因此，这一段相当于由扩展区向瞬断区的过

28、渡因此，这一段相当于由扩展区向瞬断区的过渡阶段。由于时间短，介质的影响较少，而组织阶段。由于时间短，介质的影响较少，而组织和平均应力及应力状态的影响较大。和平均应力及应力状态的影响较大。 dNda ParisParis公式一般用于公式一般用于 1010-2-2mm/mm/次或次或NNf f10104 4时较为符合实际。若推广到曲线时较为符合实际。若推广到曲线A A，则得到，则得到偏于保守的结果，即估计的偏于保守的结果，即估计的 大于实际值。大于实际值。反之，推广到反之，推广到C C区，则是冒险的。区，则是冒险的。 dNdadNda 三、疲劳寿命估计法三、疲劳寿命估计法 含有裂纹构件的寿命，是由疲劳裂纹扩展速含有裂纹构件的寿命，是由疲劳裂纹扩展速率决定的，这个寿命可以通过断裂力学方法进行率决定的，这个寿命可以通过断裂力学方法进行估算。首先通过无损探伤技术，确定初始裂纹的估算。首先通过无损探伤技术，确定初始裂纹的尺寸、形状、位置和取向。再根据材料的断裂韧尺寸、形状、位置和取