2.材料强度与零件断裂解析

材料强度与零件断裂2

2.1.1失效的主要形式及其原因序号失效类型失效形式直接原因1过量变形失效a.扭曲（如花键）b.拉长（如紧固件）c.胀大超限（如液压活塞缸体）d.高低温下的蠕变（如动力机械）e.弹性元件发生永久变形

由于在一定载荷条件下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。2断裂失效一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）

由于载荷或应力强度超过当时材料的承载能力而引起。环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）

由于环境介质、应力共同作用引起的低应力脆断。疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。

由于周期（交变）作用力引起的低应力破坏。3表面损伤失效磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤（发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨损和磨粒磨损。

由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动造成材料流失所引起的一种失效形式。腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。

环境气氛的化学和电化学作用引起。2.1机械零件失效形式与来源32.1.2失效的来源

引起零件早期时效的原因是很多的，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42.2.1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）强度理论名称基本假设相当应力表达式强度条件应用范围第一强度理论（最大拉应力理论）最大拉应力是引起材料破坏的原因。极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）。三向拉应力状态。第二强度理论（最大拉应变理论）最大拉应变是引起材料破坏的原因。压、扭联合作用下的脆性材料。第三强度理论（最大切应力理论）最大切应力是引起材料破坏的原因。同第四强度理论。第四强度理论（统计平均剪应力理论）最大剪应力无疑是材料屈服的主要原因，但其他斜面上的切应力也有影响，所以应用统计平均切应力。塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、退火球铁、铜、铝等）的单向或二向应力状态。任何材料在二向或三向压缩应力状态。莫尔理论（修正后的第三强度理论）在最大切应力的基础上，应加正应力的影响。拉压强度极限不等的脆性或低塑性材料在二向应力状态（二向压缩除外）的精确计算。2.2零件受力分析及强度刚度计算42.2.1应力状态分析与强度理论（3）强度理论应用按这些理论，便可根据简单实验（如拉伸试验）所测得的材料抗力，分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。如按强度理论可以建立纯剪切应力状态的强度条件并可以由此确立塑性材料许用剪应力[

]与许用拉应力[

]之间的关系：如前所述，纯剪应力状态是一拉一压二向应力状态，且按第三强度理论得出的强度条件为2.2零件受力分析及强度刚度计算按第四强度理论，可得出5注意：对于同一种材料，采用不同的强度理论进行分析，有时会得出不同的结果。如铸铁在二向拉伸一向压缩且压力较大的情况下，试验结果与按第二强度理论的计算结果相近；而按照这一理论，铸铁在二向拉伸时应比单向拉伸安全，这显然与试验结果不相符，在这种情况下用第一理论计算的结果就比较接近试验数据。因此在进行实际分析时应按各种强度理论的适用范围选用。2.2零件受力分析及强度刚度计算52.2.2应力集中

零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中，表示应力集中程度大小的系数称为应力集中系数：

2.2零件受力分析及强度刚度计算5当构件承受图示的应力状态时，裂隙端点附近的应力分布为：2.2零件受力分析及强度刚度计算52.2零件受力分析及强度刚度计算

当薄板或长柱在裂隙方向及其垂直方向受有均布剪力q时，其裂隙端点（裂隙形式和前相同）附近的应力分布为：5形状应力集中类型载荷类型应力集中系数（

）集中特性t/r

510板材细小的单边或双边切口rH

0.1mm拉伸或压缩5.57.5棒材细小的环形外部切口或内部小空腔rH

0.1mm拉伸3.5-4.04.5-5.0弯曲2.7-2.83.5扭转外部切口3.04.0内部切口1.62.0管材内部或外部的细小环形切口rH

0.1mm拉伸或弯曲3.5-4.04.5-5.0扭转3.04.0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2.2零件受力分析及强度刚度计算6降低应力集中系数的措施：2采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（1）表面处理强化表面感应加热淬火、渗碳、氮化和复合处理等

（2）薄壳淬火直径大且有截面变化的短轴类零件，如选用低淬透性钢，经强烈淬火后，可形成表面薄的淬硬层，其内存在残余压应力，可降低应力集中的影响。

（3）喷丸强化使金属表层强化且产生大的残余压应力，从而降低应力集中的的危害。

（4）滚压强化使零件表面形变强化并产生残余压应力，从而降低应力集中的有害作用。

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72.2.3残余应力和装配应力1残余应力的产生（1）焊接残余应力（2）热处理残余应力（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8（1）焊接残余应力2.2零件受力分析及强度刚度计算9（2）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10（2）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11（3）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12（4）电镀引起的残余应力金属电镀溶液应力（MPa）CrNiCuCoZnZdPb铬酸—硫酸50°C铬酸—硫酸65°C铬酸—硫酸85°C光亮镀镍用液纯净光亮镀镍用液+杂质光亮镀镍用液+糖精酒石酸钾钠—氰化物酒石酸钾钠—氰化物+硫氰酸钾硫酸盐酸氰化物过氯酸盐1072554321072251961-28315～630-56～12-8-312.2零件受力分析及强度刚度计算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14金属材料种类温度

C时间h灰口铸铁碳钢Mo钢（C

0.2%）Mo钢（0.2%

C

0.35%）Cr—Mo钢（2%Cr，0.5%Mo）Cr—Mo钢（9%Cr，1%Mo）Cr不锈钢Cr—Ni不锈钢（316）Cr—Ni不锈钢（310）铜合金（Cu）铜合金（80Cu—20Zn或70Cu—30Zn）铜合金（60Cu—40Zn）铜合金（64Cu—18Zn—18Ni）镍和蒙乃尔合金（Ni64～69%—Cu26～32%少量Fe，Mn

430～600600～680600～680680～760720～750750～780780～800820870150260190250280～3200.5～5122～3232220.51111～3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15

回火（200～400

C）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16对硬度的影响

从原理而言硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬度的测定值都在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测得的硬度值有所变动。在压入硬度的情况，残余应力要影响到压入部分周围塑性变形。2.2零件受力分析及强度刚度计算16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。对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的，有大量的事例和分析表明有许多类似的失效的应力是由残余应力提供的或残余应力起到了至关重要的作用。

2.2零件受力分析及强度刚度计算172.3.1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。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FATTNDTSATTFTPMETT

2.3材料的韧性与断裂设计18冲击韧性

在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是缺口冲击实验。为了统一和对比，人们对冲击实验的试样、冲击方法等规范化，形成了标准的冲击韧性实验方法和试样标准。常用的冲击试样有夏氏V型和梅氏U型缺口试样，如图所示，用冲击试样的断裂功AK（J）或ak（J/cm2）作为材料的韧性指标。2.3材料的韧性与断裂设计182.3.2断裂韧性在结构设计和失效分析中的应用安全判据是结构断裂设计的依据。结构设计应用例（1）一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。其如图所示。无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为。讨论：a工作应力

d=750MNm-2

时，检测手段能否保证防止发生脆断？

b企图通过提高强度以减轻零件重量，若

b提高到1900MNm-2

是否合适？

c如果

b提高到1900MNm-2

，则零件的允许工作应力是多少？解：a选用钢材，为66MNm-3/2

，计算得

b通过热处理提高材料强度

b=1900MNm-2

，则=34.5MNm-3/2

，计算得裂纹临界长度2c=2.1mm。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。若改用钢材4，则可计算得2c约为4.35mm，满足要求。

c在

b=1900MNm-2时，对钢材1，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为

d=685MNm-2

对钢材4，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为

d=990MNm-2

192.4.1单向拉（压）应力在生产实际中，受拉（压）应力的构件是多种多样的，如连杆、螺栓、钢丝绳等。1、评定单向应力的指标（1）数学表达式

对于脆性材料对于塑性材料（2）安全系数

2、提高材料强韧性能的措施（1）零件承受拉应力，并且在整个截面上的分布是均匀的，此时，在选材和确定热处理工艺时，应当根据零件的截面大小，确保零件内部完全淬；（2）防止氧化、脱碳、过热、过烧等一切降低材料性能的缺陷发生。2.4负荷形式与零件断裂193、断裂分析此类零件的断裂应首先区分是韧断还是脆断。

（１）韧断

a首先按传统的强度理论进行强度校核，检查一下载荷是否估计不足，即安全系数是否太小或者未予以考虑；

b分析材料的组织状态，检查硬度，检查是否有氧化脱碳、淬火裂纹及心部是否淬硬等；

c如果上述问题不存在，应作化学成分分析。

（２）脆断除作上述考虑外，尚需进行断裂韧性检查，主要分析微观裂缝的存在对韧性的影响。2.3材料的韧性与断裂设计19例国产45Si2Mn高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免地存在着深为a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其工作应力为

=960MPa。淬火并低温回火后材料的强度

b=2110MPa，

s=1920MPa，KIC=39.50MPam-1/2，在使用中发生脆断，试分析原因。分析一按传统强度理论校核2.3材料的韧性与断裂设计结论：应是安全的。19分析二因为是高强度材料，还需进行断裂力学方面的校核。作为近似计算，该裂纹认为是一个张开型的表面裂纹，其应力强度因子在临界条件下，为2.3材料的韧性与断裂设计根据裂纹形状和应力状态，查有关手册后可得与此有关的裂纹形状因子数据，将有关数据代入后得

c=948.5MPa。由此可见，零件最大承载能力为948.5MPa，低于实际的工作应力960MPa，故发生断裂失效，又因其断裂时的应力小于材料的屈服极限，所以必然是脆性断裂。

结论：材料韧性不足，脆断。19若将淬火低温回火改为调质处理，则得

b=1540MPa，

s=1440MPa，KIC=66.36MPa

m-1/2，其结果：2.3材料的韧性与断裂设计同样，在有裂纹存在情况下由断裂韧性求得

c=1564.5MPa

（工作应力，960MPa）。

在具有脆断倾向的构件中，决定零件或构件断裂与否的关键因素是材料的韧性，而不是传统的强度指标，片面地追求高强度和较大的强度安全系数，往往导致韧性的降低，反而容易促使宏观脆性的、危险的低应力断裂。

192.4.4扭转应力

1、应力状态此类零件垂直轴线的截面上只有剪切应力的作用，其最外层的最大剪应力最大正应力为2.3材料的韧性与断裂设计2、选材与热处理（1）选材通常选用中碳钢或中碳合金钢。过高碳量容易造成热处理后韧性不足，过低碳量则易造成热处理后的强度不够，合金元素（淬透性的要求）应按零件尺寸的大小适当选用。（2）热处理有两个特点：一是不要淬透，二是采用中温回火，以便获得回火屈氏