失效分析基础知识

关于失效分析基础知识第一页，共六十二页，2022年，8月28日2

2.1.1失效的主要形式及其原因2.1机械零件失效形式与来源第二页，共六十二页，2022年，8月28日32.1.1失效的主要形式及其原因断裂失效的分类

失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：（1）过载断裂失效；（2）疲劳断裂失效；（3）材料脆性断裂失效；（4）环境诱发断裂失效；（5）混合断裂失效。

2.1机械零件失效形式与来源第三页，共六十二页，2022年，8月28日32.1.2失效的来源

引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下几方面：

1、设计与选材上的问题；

2、加工、热处理或材质上的问题；

3、装配上的问题；

4、使用、操作和维护不当的问题。据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失效分析和设计制造中都应引起足够重视。2.1机械零件失效形式与来源第四页，共六十二页，2022年，8月28日32.1.2失效的来源

1、设计问题（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；（2）应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。（3）设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计判据的选用错误造成失效的事例也时有发生。

2、材料选择上的缺点

（1）选材的判据有误（2）材料中的缺陷2.1机械零件失效形式与来源第五页，共六十二页，2022年，8月28日32.1.2失效的来源

3、加工制造及装配中存在的问题

加工方法不正确，技术要求不合理及操作者失误也是引起设备过早失效的重要原因。热处理不当也是常见的失效原因之一。常见的有过热、回火不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。热处理过程中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发生。酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的失效形式。不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。2.1机械零件失效形式与来源第六页，共六十二页，2022年，8月28日32.1.2失效的来源

4、不合理的服役条件

不合理的起动和停车、超速、过载服役、温度超过允许值、流速波动超出规定范围（过高或过低）以及异常介质的引入都可能成为设备过早失效的根源。2.1机械零件失效形式与来源第七页，共六十二页，2022年，8月28日4应力状态分析与强度理论（1）材料的失效形式和应力状态脆断剪断屈服（2）强度理论2.2零件受力分析及强度刚度计算第八页，共六十二页，2022年，8月28日52.2.2应力集中应力集中系数：2.2零件受力分析及强度刚度计算第九页，共六十二页，2022年，8月28日52.2.2应力集中裂隙附近应力集中：2.2零件受力分析及强度刚度计算第十页，共六十二页，2022年，8月28日5不同试样的应力集中系数

2.2零件受力分析及强度刚度计算第十一页，共六十二页，2022年，8月28日52.2零件受力分析及强度刚度计算第十二页，共六十二页，2022年，8月28日6应力集中对零件失效的影响

1、材料的缺口敏感性应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有关。缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向。

2.2零件受力分析及强度刚度计算2、影响应力集中与断裂失效的因素

（1）材料机械性能的影响

（2）零件几何形状的影响

（3）零件应力状态的影响（4）加工缺陷的影响（5）装配、检验产生缺陷的影响第十三页，共六十二页，2022年，8月28日6（2）零件几何形状的影响

2.2零件受力分析及强度刚度计算零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图零件在应力集中处产生淬火裂纹示意图第十四页，共六十二页，2022年，8月28日6降低应力集中系数的措施：1从设计方面降低应力集中系数（1）变截面部位的过渡加大圆角或改变方式（2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔2采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（1）表面处理强化（2）薄壳淬火（3）喷丸强化（4）滚压强化疲劳时的有效应力集中系数2.2零件受力分析及强度刚度计算第十五页，共六十二页，2022年，8月28日6降低应力集中系数的措施：（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔2.2零件受力分析及强度刚度计算第十六页，共六十二页，2022年，8月28日72.2.3残余应力和装配应力1残余应力的产生（1）热处理残余应力（2）焊接残余应力（3）表面化学热处理引起的残余应力（4）电镀引起的残余应力（5）切削加工残余应力2消除残余应力的方法（1）去应力退火（2）回火或自然时效处理（3）加静载（或动载）（4）火焰烘烤法2.2零件受力分析及强度刚度计算第十七页，共六十二页，2022年，8月28日9（1）热处理残余应力组织应力分布冷却初期冷却后期热应力分布表面发生相变心部发生相变2.2零件受力分析及强度刚度计算第十八页，共六十二页，2022年，8月28日9（1）热处理残余应力热处理淬火残余应力类型K——表层，R——心部2.2零件受力分析及强度刚度计算第十九页，共六十二页，2022年，8月28日10（1）热处理残余应力轧辊淬火残余应力

中心表面材料：0.97%C硬化深度：2.4～2.8mm心部轴向心部周向表面轴向表面周向火焰淬火残余应力分布2.2零件受力分析及强度刚度计算第二十页，共六十二页，2022年，8月28日11（2）化学热处理引起的残余应力（D表示有效渗碳层深度）

D=0.8mm

渗碳层残余应力分布氮化层残余应力分布2.2零件受力分析及强度刚度计算第二十一页，共六十二页，2022年，8月28日8（3）焊接残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算第二十二页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算第二十三页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算

激光强化层的残余应力沿层深的分布(a)σX—层深分布曲线(b)σY—层深分布曲线

1-1500W，25mm/s

2-1000W，25mm/s第二十四页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算喷涂工艺方法对NiCrSi

涂层残余应力的影响

火焰喷涂涂层内残余应力与其厚度的关系第二十五页，共六十二页，2022年，8月28日122.2零件受力分析及强度刚度计算一个预测热喷涂涂层残余应力分布的解析模型：平面几何模型1模型公式建立在平面几何的基础之上。1.1沉积应力1.1.1第一层应变（1）

q——内（淬火）应力；Ed——杨氏模量假设每一个部位产生的应变是不相等的，并产生反作用力F，于是有(2)

第二十六页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算(3)

在涂层形成一个很大的拉应力，同时，在基板上上产生一个对等的平衡的反作用力——压应力。形成弯矩（bandingmoment）

(4)中性层1(5)第二十七页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算Compositebeamstiffness

(6)平衡弯矩M1，产生曲率变化，1-0

(7)

第二十八页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算假设双向应力相等（x

=z），厚度方向应力可以忽略（y

=0）。由泊松效应（Poissoneffect），z将在x方向导致一个应变。

(8)x方向的应力应变关系可以表示为：

(9)Effectiveyoung’smodulusvalue.第二十九页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算从材料力学可以计算：

(10)

(11)

涂层第一层中部的应力：

(12)

第三十页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算

(13)平衡应变

等效杨氏模量

(14)F2的表达式

(15)F2分摊在镀层第一层和基板中。第三十一页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算作用在基板上的力为：

(16)作用在第一层镀层上的力为：

(17)第三十二页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算大小相等方向相反的力对形成力矩M2：

F2s和F2w都是压应力。在镀层的第二层上存在与F2大小相等的拉应力。(18)平衡弯矩M2，产生曲率变化，2-1(19)第三十三页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算组合板的硬度（强度）可以写为：(20)可以确定2为：

(21)第三十四页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算基板底部和顶部的应力可以写为：和(22)

(23)

第三十五页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算镀层第一层中部（心）的应力变为：镀层第二层中部（心）的应力可以计算为：(24)

(25)

第三十六页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算1.1.3nth层的应力上述的分析和计算可以扩展到n层。(26)

(27)

(28)

第三十七页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算(30)

(29)

(31)

第三十八页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算运用式26-29可以估算第j层的应力。用j代替各式中的n，j层中部（心）的应力为：(32)

第三十九页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算这里，1jn，其分布如图3所示。第四十页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算1.2冷却过程中不同的热收缩

第四十一页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算第四十二页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算考虑两块板从无应力状态冷却T，则产生应变变量

=（s-d）T。假设这一应变在板的底部和顶部产生大小相等的反作用的平衡力F(CTE)，则在x轴上由力平衡可以得到：（33）第四十三页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算这两个力行成力矩M(CTE)。为了平衡这一力矩，则有曲率变化2-1（34）（35）（36）第四十四页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算是中性层（yc=0）到表面（y=0）的距离且等于n。当在涂层中时，n是固定的，为：从式（34）和（35），可以得出F(CTE)的表达式：结合式（33）和式（36）-（38），曲率变化从应变变量增加到c-n

（39）

（38）

（37）

第四十五页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算因而，可以从式（37）计算(CET)导致的应力：（40a）

（40b）

（40c）

（40d）

（40e）

第四十六页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算1.3最终的应力水平最终的基板底部和顶部的应力水平可以从式（30）和式（40e）或者（31）和（40d）来进行计算：和（41）

（42）

第四十七页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算对于涂层，jth层中部（心）的应力为：（43）

1≤j≤n第四十八页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算作为一个例子，nth层中部（心）的应力为：

（44）

第四十九页，共六十二页，2022年，8月28日12（4）涂镀层引起的残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算2模型的应用第五十页，共六十二页，2022年，8月28日13（5）切削加工残余应力

铣加工表面残余应力

B—侧刃铣（低速）C—端面铣（低速）

D—滚铣（高速）砂轮太硬时的磨削应力2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十一页，共六十二页，2022年，8月28日14去应力退火的温度及保温时间

去应力退火

2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十二页，共六十二页，2022年，8月28日15

回火（200～400C）或自然时效（可降低残余应力30%）加静载——使有残余应力部位发生屈服。加动载——振动法，主要用于铸件和焊件；锤击法，主要用于焊接件。火焰烘烤法——用于焊接件，可降低残余应力30%2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十三页，共六十二页，2022年，8月28日152.2零件受力分析及强度刚度计算第五十四页，共六十二页，2022年，8月28日16残余应力的测试方法机械法逐层剥除法切割法钻孔法——机械测长法，电阻应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法物理测定法X射线测定法——测定晶粒内的特定晶面的面间距发生的变化，求得应力。有照相法和计数管法。磁性测定方法——铁磁体的磁化，受到晶体的各向异性、晶粒大小、合金元素、夹杂物及应力的影响。残余应力对磁畴的旋转和唯一会产生附加的阻力。其他

脆性涂层光学方法奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性）2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十五页，共六十二页，2022年，8月28日16残余应力对静强度和变形的影响a）加载前的残余应力b）加载后的残余应力c）中央部分的应力-应变曲线d）两侧部分的应力-应变曲线e）整体部分的应力-应变曲线

塑性材料——影响不大，或没有影响淬火回火——影响不可忽视

2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十六页，共六十二页，2022年，8月28日16残余应力对疲劳的影响

一般，当承受交变应力的构件存在压缩残余应力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸残余应力时，构件的疲劳强度下降。冷加工和热处理残余应力对疲劳强度的影响2.2零件受力分析及强度刚度计算第五十七页，共六十二页，2022年，8月28日17低应力脆断及材料的韧性脆性断裂的共性特点：（1）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的（2）脆断通常发生在比较低的工作温度下（3）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（4）厚截面、高应变速率促进脆断。2.3材料的韧性与断裂设计第五十八页，共六十二页，2022年，8月28日17冲击韧性应力场强度因子缺口敏感性温度和应变速率对脆断的影响脆性转折温度