零件失效分析2-失效分析基础知识

1、第第2章章 失效分析基础知识失效分析基础知识 零件失效形式与来源零件失效形式与来源 应力集中与零件失效应力集中与零件失效 残余应力与零件失效残余应力与零件失效 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计 应力分析与失效分析应力分析与失效分析 金属构件中可能引起失效的常见缺陷金属构件中可能引起失效的常见缺陷2.1 机械机械零件失效的形式与来源零件失效的形式与来源 机械零件失效形式机械零件失效形式(1) 按照失效的形态分类按照失效的形态分类过量变形过量变形断裂断裂表面损伤表面损伤a.过量变形过量变形扭曲：花键扭曲：花键高低温下的蠕变高低温下的蠕变拉长：紧固件拉长：紧固件弹性元件发生永久变形弹性元件发

2、生永久变形b.断裂断裂一次加载断裂一次加载断裂磨损磨损环境介质引起的断裂环境介质引起的断裂疲劳断裂疲劳断裂c.表面损伤表面损伤腐蚀腐蚀重点重点 机械零件失效形式机械零件失效形式(2) 根据失效的诱发因素分类根据失效的诱发因素分类机械力引起的失效机械力引起的失效热应力引起的失效热应力引起的失效摩擦力引起的失效摩擦力引起的失效活性介质引起的失效活性介质引起的失效(3) 根据产品的使用过程分类根据产品的使用过程分类早期失效早期失效偶然失效偶然失效损耗失效损耗失效 机械零件失效形式机械零件失效形式(4) 从经济法的观点对失效分类从经济法的观点对失效分类产品缺陷失效产品缺陷失效误用失效误用失效受用性失效

3、受用性失效损耗失效损耗失效 在进行失效分析时，应将在进行失效分析时，应将失效的模式失效的模式、失效的失效的诱发因素诱发因素及及失效后的表现形式失效后的表现形式综合考虑，对于获得综合考虑，对于获得正确的分析结果是至关重要的。正确的分析结果是至关重要的。 机械零件失效形式机械零件失效形式 起起 因因 （%）腐蚀腐蚀 29疲劳疲劳 25脆性断裂脆性断裂 16过载过载 11高温腐蚀高温腐蚀 7应力腐蚀应力腐蚀/腐蚀疲劳腐蚀疲劳/氢脆氢脆 6蠕变蠕变 3磨损、擦伤、冲刷磨损、擦伤、冲刷 3表表1 在一般工业工程中调查失效模式的比例在一般工业工程中调查失效模式的比例 起起 因因 （%）疲劳疲劳 61过载过

4、载 18应力腐蚀应力腐蚀 8过度磨损过度磨损 7腐蚀腐蚀 3高温氧化高温氧化 2应力破坏应力破坏 1表表2 航空零件失效模式的比例航空零件失效模式的比例常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标齿面磨损：齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是磨损是开式传动的主要失效形式。开式传动的主要失效形式。以齿轮为例：以齿轮为例：齿面点蚀：齿面点蚀：轮齿工作面承受近似脉动轮齿工作面承受近似脉动的变应力作用，由于疲劳而

5、产生的麻的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤现象。点状剥蚀损伤现象。点蚀是闭式传动点蚀是闭式传动常见的失效形式。常见的失效形式。点蚀首先出现在节点蚀首先出现在节线附近。线附近。齿面胶合：齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。塑性变形：塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。沿

6、摩擦力方向产生塑性变形。压力容器与管道典型失效案例压力容器与管道典型失效案例 西安西安“35”液化石油气站特大爆炸事故液化石油气站特大爆炸事故1998年年3月月5日，西安液化石油气站日，西安液化石油气站2个个400 m3球球罐发生特大爆炸事故。罐发生特大爆炸事故。事故过程为：下午事故过程为：下午4：40发现发现1号球罐下部排污管号球罐下部排污管道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续约约3h，整个厂区充满了石油气，配电间电火花引整个厂区充满了石油气，配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终物理

7、爆炸。物理爆炸。法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故性质确定为设备事故。性质确定为设备事故。氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备中较常见的失效模式。中较常见的失效模式。这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、加氢裂化等装置中，温度超过加氢裂化等装置中，温度超过260，氢的分压大于，氢的分压大于689kPa，就有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子就

8、有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与碳化物反应生成甲烷碳化物反应生成甲烷(Fe3C+4H3Fe+CH4)，由于甲由于甲烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆化。化。 氢腐蚀氢腐蚀( (高温氢侵蚀高温氢侵蚀) )引起的蒸汽管道爆管事故引起的蒸汽管道爆管事故 硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故四川天然气管道曾经发生

9、多起硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起发生在爆裂事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道为引起了火灾。管道为7208.16 mm 螺旋焊管，压力螺旋焊管，压力1.92.5MPa。事故管段已经运行事故管段已经运行16年。爆口长度年。爆口长度1440mm，沿焊缝沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有中含有H2S及补焊工艺不合理，使焊缝产生了马氏体及补焊工

10、艺不合理，使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。组织和高的残余应力有关。 催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效 裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；多数穿透壁厚； 裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征； 腐蚀产物的水溶液腐蚀产物的水溶液PH值在值在56，呈现酸性；，呈现酸性； 断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中

11、的氮含量；中的氮含量； 结论是结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。引起的应力腐蚀开裂。 起起 因因 （%）材料选择不恰当材料选择不恰当 38装配错误装配错误 15错误的热处理错误的热处理 15机械设计错误机械设计错误 11未预见的操作条件未预见的操作条件 8环境控制不够充分环境控制不够充分 6不恰当的或缺少监测与质量控制不恰当的或缺少监测与质量控制 5材料混杂材料混杂 2表表3 在一般工业工程中调查的失效原因的比例在一般工业工程中调查的失效原因的比例 起起 因因 （%）保养不恰当保养不恰当 44安装错误安装错误 17设计缺陷设计缺陷 16不正确的维修损坏不正确的维修损坏 10材料缺陷材料缺陷 7

12、未定原因未定原因 8表表4 航空零件失效原因的比例航空零件失效原因的比例 机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？ 设计的问题设计的问题 材料选择上的问题材料选择上的问题 加工制造及装配中存在的问题加工制造及装配中存在的问题 不合理的服役条件不合理的服役条件分析设计原因引起失效需要注意：分析设计原因引起失效需要注意： 对复杂构件进行可靠的对复杂构件进行可靠的应力计算应力计算，充分考虑构件充分考虑构件 在服役中所承受的在服役中所承受的非正常工作载荷非正常工作载荷的类型及大小；的类型及大小； 在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过在高应力部位存在沟槽、机

13、械缺口及圆角半径过 小；小； 避免设计时只考虑避免设计时只考虑拉伸强度和屈服强度拉伸强度和屈服强度数据的静数据的静 载荷能力，而忽视载荷能力，而忽视脆性断裂、低循环疲劳、应力脆性断裂、低循环疲劳、应力 腐蚀及腐蚀疲劳腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效；等机理可能引起的失效；RD2车轴车轴举例举例选材：选材：使用性原则使用性原则加工工艺性能原则加工工艺性能原则经济性原则经济性原则特殊环境特殊环境材料中的缺陷：材料中的缺陷：铸造铸造焊接焊接锻造锻造热处理热处理切削加工切削加工材料选择上的问题：材料选择上的问题：制造及装配：制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；酸洗及电镀导致的氢脆； 不文明施工及安装导

14、致的表面损伤；不文明施工及安装导致的表面损伤；不合理的服役条件：不合理的服役条件：超速、过载、不合理的启动超速、过载、不合理的启动 和停车、异常介质的引入；和停车、异常介质的引入；键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽键槽初始裂初始裂纹源纹源裂纹扩裂纹扩展区展区最终瞬最终瞬断区断区2.2 应力集中与应力集中与零件失效零件失效 应力集中与应力集中系数应力集中与应力集中系数 应力集中对零件失效的影响应力集中对零件失效的影响 降低降低应力集中的措施应力集中的措施含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变，会造成应力

15、的重新分配，零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配，也会造成应力集中。也会造成应力集中。变截面过渡圆角处的应力分布变截面过渡圆角处的应力分布平均maxtK理论应力集中系数理论应力集中系数应力集中系数手册应力集中系数手册几何突变零件承受单向静拉伸时的几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中

16、曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线 应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会受到哪些因素的影响？度会受到哪些因素的影响？提出问题：提出问题： 影响应力集中与断裂失效的因素影响应力集中与断裂失效的因素 材料力学性能材料力学性能 零件几何形状零件几何形状 零件应力状态零件应力状态 加工缺陷加工缺陷 装配、检修产生缺陷装配、检修产生缺陷力学性能力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大； 影响应力集中与断裂失效的因素影响应力集中与断

17、裂失效的因素零件几何形状：零件几何形状：断裂部位断裂部位 影响应力集中与断裂失效的因素影响应力集中与断裂失效的因素零件应力状态：零件应力状态：举例：举例： 上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。部脱碳。应力状态：弯曲疲劳应力状态：弯曲疲劳缺陷：缺陷： 降低降低应力集中的措施应力集中的措施 强化材料，降低应力集中的作用强化材料，降低应力集中的作用整体强化整体强化局部强化局部强化工艺、特工艺、特点点 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数

18、合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数轴肩轴肩轴环轴环 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数间隔环间隔环凹圆角凹圆角卸载槽卸载槽 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载槽轮毂上开卸载槽减小轮毂的刚度减小轮毂的刚度作阶梯轴作阶梯轴 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径增大花键的直径开卸载槽开卸载槽孔上倒角孔上倒角 过盈配合时增大配合处的直径过盈配合时增大配合处的直径 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数 合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数典型

19、的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析2.3 残余应力与残余应力与零件失效零件失效残余应力残余应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。（固有应力、内应力）平衡的一种应力。（固有应力、内应力）分类分类第一类残余应力（第一类残余应力（ ）：宏观内应力，由整个）：宏观内应力，由整个 物体变形不均匀引起物体变形不均匀引起第二类残余应力（第二类残余应力（ ）：微观内应力，由晶粒）：微观内应力，由晶粒 变形不均匀引起变形不均匀引起第三类残余应力（第三类残余应力（ ）：

20、点阵畸变，由位错、）：点阵畸变，由位错、 空位引起。空位引起。 机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳疲劳强度强度、抗应力腐蚀能力抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性尺寸稳定性有十分重要的影响。有十分重要的影响。 残余应力的作用残余应力的作用 适当的、分布合理的适当的、分布合理的残余压应力残余压应力可能成为提高疲可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；用寿命的因素； 不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，影响尺寸精度，甚至

21、导致变形、开裂等早期失效事蚀，影响尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。故。 利：预应力处理，如汽车板簧的生产。利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。作用作用 热处理残余应力热处理残余应力 表面化学热处理残余应力表面化学热处理残余应力 焊接残余应力焊接残余应力 铸造残余应力铸造残余应力 涂镀层残余应力涂镀层残余应力 切削加工残余应力切削加工残余应力哪些工艺过程中会产生残余应力？哪些工艺过程中会产生残余应力？产生了怎样产生了怎样的残余应力？的残余应力？残余应力是怎样残余应力是怎样产生的？产生的？ 热应力组织应力

22、拘束应力热应力组织应力拘束应力 不均匀的塑性变形不均匀的塑性变形 不均匀的温度变化不均匀的温度变化 不均匀的相变不均匀的相变消除和调整残余应力的方法消除和调整残余应力的方法 去应力退火去应力退火金属材料种类金属材料种类 温度温度/ 时间时间/h灰铸铁灰铸铁碳钢碳钢Cr不锈钢不锈钢Cr-Ni不锈钢不锈钢(316)铜合金铜合金(60Cu-40Zn)铜合金铜合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211 自然时效处理自然时效处理 回火回火 施加静载施加静载 使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，使工件产生整体或局部、甚至微区的

23、塑性变形，使残余应力松弛。使残余应力松弛。例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，产生所谓的产生所谓的“胀形胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。以减小焊接残余应力。 振动时效振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) 锤击、喷丸、滚压锤击、喷丸、滚压 振动等离子熔覆过程示意图振动等离子熔覆过程示意图0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz时时，熔覆层出现罕见的分层现象熔覆层出现罕见的分层现象残余应力的测量方法残余应力的测量方法破损法破损法无损法无

24、损法盲孔法盲孔法环芯法环芯法磁弹性法磁弹性法X射线衍射法射线衍射法 在一块在一块各向同性各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一小的板材中假定存在残余应力，钻一小孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。盲孔法的基本原理盲孔法的基本原理盲孔法测试残余应盲孔法测试残余应力应变片示意图力应变片示意图 静态电阻应变仪静态电阻应变仪 应变花应变花钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不

25、容忽视。的影响不容忽视。改进方法：改进方法： 逐层剥除法逐层剥除法 阶梯钻孔法阶梯钻孔法 一点多次扩孔的盲孔测定法一点多次扩孔的盲孔测定法环芯法的测量原理环芯法的测量原理 一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的大小和方向。大小和方向。环芯法测量残余应力环芯法测量残余应力用的应变花用的应变花缺点：缺点： 机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用

26、；机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用； 检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；优点优点： 直观、检测方便；直观、检测方便； 可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家标准要求之内（误差小于标准要求之内（误差小于25MPa25MPa）；）； 适合于各类材料；适合于各类材料；中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究Research on Measuring Welding Residual Stress of Plate of Moderate Thickness Usi

27、ng Blind-hole Method优秀硕士论文优秀硕士论文： 通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余应力。当某一波长的量残余应力。当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，晶粒晶面间距会发生变化，晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射峰的位置也将发生射线衍射峰的位置也将发生变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力（变，通

28、过弹性力学理论即可求得残余应力（表面应力表面应力）。）。X射线衍射法的基本原理射线衍射法的基本原理材料中残余应力的材料中残余应力的X X射线衍射分析和作用射线衍射分析和作用张定铨何家文著张定铨何家文著西安交通大学出版社西安交通大学出版社Stress3000 衍射仪衍射仪钢岔管测区位置示意图钢岔管测区位置示意图钢岔管外观钢岔管外观多晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理磁弹性法的基本原理技术磁化过程的三个阶段技术磁化过程的三个阶段磁弹性法的基本原理磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应巴克豪森噪声效应” 拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增加，巴克

29、豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输加，巴克豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输出电量增加。出电量增加。优点：优点：方便、快速和准确方便、快速和准确缺点：缺点：只适用于磁性材料只适用于磁性材料2.4 材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计低应力脆断低应力脆断 通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。 脆断通常发生在比较低的工作温度下。脆断通常发生在比较低的工作温度下。 脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的 缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。 厚截面、高应变速率

30、促进脆断。厚截面、高应变速率促进脆断。共同点？共同点？材料的韧性：材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。大小，是强度和塑性的综合表现。静力韧度静力韧度应力应变曲线应力应变曲线冲击韧度冲击韧度断裂韧度断裂韧度断裂韧度在失效分析中的应用断裂韧度在失效分析中的应用举例：举例：问题：问题：材料将发生什么形式的失效？材料将发生什么形式的失效？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？不同应力状态下如何表示材料的抗力？不同应力状态下如何表示材料的抗力？2.5 应力分析与应力分析与失效分析失效分析工程构件所

31、处的应力状态复杂多样工程构件所处的应力状态复杂多样应力状态影响材料的失效形式应力状态影响材料的失效形式脆断脆断 铸铁拉伸、扭转时的断裂铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断剪断 铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂屈服屈服 低碳钢拉伸、扭转和压缩时低碳钢拉伸、扭转和压缩时 为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因的假设及计算方法材料破坏原因的假设及计算方法。 根据简单实验所测得的根据简单实验所测得的材料抗力材料抗力，分析计算其他，分析计算其他复杂应力状态下复杂应力状态下材料的强度材料的强度。 应力状态分析与强度理论应力状态分析与强度理

32、论 脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。拉、扭，低温脆断等。关于关于屈服的强度理论：屈服的强度理论：最大切应力理论最大切应力理论和和最大畸变能密度理论最大畸变能密度理论 塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。关于关于断裂的强度理论：断裂的强度理论：最大拉应力理论最大拉应力理论和和最大伸长线应变理论

33、最大伸长线应变理论 最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力理论（第一强度理论） 最大拉应力是引起材料断裂的主要因素最大拉应力是引起材料断裂的主要因素。即无论材料处即无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到简单拉伸时破坏的于什么应力状态，只要最大拉应力达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。极限值，就会发生脆性断裂。01 构件危险点的最大拉应力构件危险点的最大拉应力1 极限拉应力，由单拉实验测得极限拉应力，由单拉实验测得b 00 b1 断裂条件断裂条件 nb1设计准则设计准则铸铁拉伸铸铁拉伸铸铁扭转铸铁扭转 最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大伸长线应变理论（第二强度理论） 最大伸

34、长线应变是引起断裂的主要因素最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。即无论材料。即无论材料处于什么应力状态处于什么应力状态, ,只要最大伸长线应变达到简单拉伸时只要最大伸长线应变达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。破坏的极限值，就会发生脆性断裂。01 构件危险点的最大伸长线应变构件危险点的最大伸长线应变1 极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得0 E/)(3211 Eb/0 实验表明：实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一

35、强度理论更接近实际情况。情况。强度条件强度条件)(321nb断裂条件断裂条件EEb)(1321b)(321即即 最大切应力是引起材料屈服的主要因素最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料。即无论材料处于什么应力状态处于什么应力状态, ,只要最大切应力达到了简单拉伸屈服只要最大切应力达到了简单拉伸屈服时的极限值，材料就会发生屈服时的极限值，材料就会发生屈服( (或剪断）。或剪断）。0max 最大切应力理论（第三强度理论）最大切应力理论（第三强度理论） 构件危险点的最大切应力构件危险点的最大切应力max 极限切应力，由单向拉伸实验测得极限切应力，由单向拉伸实验测得0 2/0s 2/ )(31

36、maxs31 屈服条件屈服条件 ss31n设计准则设计准则低碳钢拉伸低碳钢拉伸低碳钢扭转低碳钢扭转实验表明：实验表明：此理论对于此理论对于塑性材料塑性材料的屈服破坏能够得到的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。塑性变形或断裂的事实。局限性局限性： 2 2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。1 1、未考虑、未考虑 的影响，试验证实最大影响达的影响，试验证实最大影响达15%15%。2 最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。

37、即无论。即无论材料处于什么应力状态材料处于什么应力状态, ,只要最大畸变能密度达到简单拉只要最大畸变能密度达到简单拉伸屈服时的极限值伸屈服时的极限值, ,材料就会发生屈服。材料就会发生屈服。0ddvv 最大畸变最大畸变能密度理论（第四强度理论）能密度理论（第四强度理论）213232221d)()()(61Ev 构件危险点的畸变能密度构件危险点的畸变能密度d20261sdEv 畸变能密度的极限值，由单拉实验测得畸变能密度的极限值，由单拉实验测得0d屈服条件屈服条件22132322212)()()(s 设计准则设计准则 ss213232221)()()(21n实验表明：实验表明：对塑性材料，此理论

38、比第三强度理论更符合对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合 试验结果，在工程中得到了广泛应用。试验结果，在工程中得到了广泛应用。11 , r)(3212 ,r )()()(212132322214 , r强度理论的统一表达式：强度理论的统一表达式： r相当应力相当应力313 ,r准则准则：切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切面上的正应力面上的正应力的大小。的大小。 莫尔理论适用于脆性剪断：莫尔理论适用于脆性剪断： 莫尔理论认为材料的剪断破坏一般发生在切应力值莫

39、尔理论认为材料的剪断破坏一般发生在切应力值最大的截面上。最大的截面上。 脆性剪断脆性剪断：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材料可能发生剪断，例如铸铁的压缩。料可能发生剪断，例如铸铁的压缩。莫尔强度理论（修正的最大切应力理论）莫尔强度理论（修正的最大切应力理论） 1 1、在三向拉伸应力状态下，不论是脆性或塑性材料，均、在三向拉伸应力状态下，不论是脆性或塑性材料，均发生脆性断裂，宜采用发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力理论（第一强度理论）。 2 2、脆性材料：在二向拉伸应力状态下及二向拉伸、脆性材料：在二向拉伸应力状态下及二向拉

40、伸- -压缩压缩应力状态且拉应力较大的情况下，应采用应力状态且拉应力较大的情况下，应采用最大拉应力理论最大拉应力理论；在二向拉伸在二向拉伸- -压缩应力状态且压应力较大的情况下，应采用压缩应力状态且压应力较大的情况下，应采用最大伸长线应变理论最大伸长线应变理论；在复杂应力状态的最大、最小应力分；在复杂应力状态的最大、最小应力分别为压、拉时，由于材料的许用拉、压应力不等，压应力占别为压、拉时，由于材料的许用拉、压应力不等，压应力占优宜采用优宜采用莫尔强度理论莫尔强度理论。 3 3、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用畸变能理论畸变能理论（第四强度理论）（第四强度理论

41、）和和最大切应力理论（第三强度理论）最大切应力理论（第三强度理论）。 4 4、三向压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用、三向压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用畸变能理论畸变能理论。 单向拉应力：单向拉应力：连杆、螺栓、钢丝绳连杆、螺栓、钢丝绳 平面拉应力：平面拉应力：薄壁压力容器薄壁压力容器 交变应力：交变应力：曲轴、轴承、齿轮、螺栓、连杆曲轴、轴承、齿轮、螺栓、连杆 弯曲应力：弯曲应力：轴类零件、梁轴类零件、梁 扭转应力：扭转应力：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠 接触应力：接触应力：齿轮、轴承齿轮、轴承2.6 金属构件中可能引起失效的常见缺陷金属构件中

42、可能引起失效的常见缺陷 铸态金属组织缺陷铸态金属组织缺陷 金属锻造及轧制件缺陷金属锻造及轧制件缺陷 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷 热处理产生的组织缺陷热处理产生的组织缺陷 冷加工缺陷冷加工缺陷铸造过程示意图铸造过程示意图 孔眼类缺陷（气孔、缩孔、疏松、砂眼、渣眼等）孔眼类缺陷（气孔、缩孔、疏松、砂眼、渣眼等） 裂纹（热裂纹、冷裂纹）裂纹（热裂纹、冷裂纹） 形状、尺寸及表面质量不合格（变形、错箱、形状、尺寸及表面质量不合格（变形、错箱、 偏芯、浇不足、冷隔、披缝、表面粘砂及偏芯、浇不足、冷隔、披缝、表面粘砂及 表面粗糙等）表面粗糙等） 化学成分不一致（区域偏析、重力偏析、枝晶偏析）化学成分不

43、一致（区域偏析、重力偏析、枝晶偏析） 铸态金属组织常见缺陷铸态金属组织常见缺陷名称 特 征名称 特 征气 孔主要为圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。 缩孔缩松 1缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。 2疏松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。 粘 砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。 裂纹 1热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。 2冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。 披缝 铸件表面上

44、有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。 化学成分及力学性能不合格 铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。 白 口灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。 缩孔缩孔厚大热节厚大热节, ,孔内粗糙；孔内粗糙；气孔气孔上表皮下上表皮下, ,孔内光滑；孔内光滑；砂眼砂眼转角皮表转角皮表, ,孔内有砂；孔内有砂；渣眼渣眼上表转角上表转角, ,孔内有渣。孔内有渣。基本特征：基本特征：缩孔位置的确定缩孔位置的确定-等温线法等温线法1.1.热裂纹热裂纹 纹短、缝宽、形状曲折、缝内有氧化色纹短、缝宽、形状

45、曲折、缝内有氧化色。 形成热裂的主要因素有：形成热裂的主要因素有： 合金性质合金性质 结晶区间越宽、含硫量高易裂。结晶区间越宽、含硫量高易裂。 铸型阻力铸型阻力 注意型砂的退让性注意型砂的退让性。裂纹热裂纹和冷裂纹裂纹热裂纹和冷裂纹2.2.冷裂纹冷裂纹 形状细小，直线状。形状细小，直线状。 冷裂常出现在铸件的最后凝固部位、铸件形状复冷裂常出现在铸件的最后凝固部位、铸件形状复杂、受拉伸处，与铸造缺陷有关；与合金性质有关。杂、受拉伸处，与铸造缺陷有关；与合金性质有关。铸件的内在质量及检验方法铸件的内在质量及检验方法 金属锻造及轧制件缺陷金属锻造及轧制件缺陷内部组织缺陷内部组织缺陷表面缺陷表面缺陷粗

46、大魏氏体组织粗大魏氏体组织网络状碳化物及带状组织网络状碳化物及带状组织表层脱碳表层脱碳流线不顺流线不顺结疤结疤折叠折叠表面裂纹表面裂纹分层分层划伤划伤魏氏组织魏氏组织带状组织带状组织 流线组织：流线组织：CastingMachiningForging 锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。 冲锻时，锻件可能留下冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露在外，容易被环境直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。集中。 金属焊接组织缺陷金属焊接组织缺陷常见焊接缺陷常见焊接缺陷

47、 焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接焊接裂纹裂纹、未焊透未焊透、夹渣夹渣、气孔气孔和和焊缝外观缺陷焊缝外观缺陷等等。 热裂纹的特征：热裂纹的特征： 热裂纹可发生在热裂纹可发生在焊缝区焊缝区或或热影响区热影响区。 热裂纹的微观特征是沿晶界开裂热裂纹的微观特征是沿晶界开裂晶间裂纹晶间裂纹。 热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。 焊接裂纹焊接裂纹热裂纹和冷裂纹：热裂纹和冷裂纹： 冷裂纹的形态和特征：冷裂纹的形态和特征： 焊缝区和热影响区都可能产生焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹冷裂纹。冷裂。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶

48、型。冷裂纹无氧纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。化色彩。 最常见的冷裂纹是最常见的冷裂纹是延迟裂纹延迟裂纹，即在焊后延迟，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。一段时间才发生的裂纹。 焊接气孔焊接气孔 氢气孔氢气孔 高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。 一氧化碳气孔一氧化碳气孔 当熔池氧化严重时，熔池存在较多的当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池，在熔池温