失效分析-基本概念.ppt

1、失效分析 材料强度与断裂,孙 智 博士 中 国 矿 业 大 学 教授，博导 中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家,1 基本概念,2,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， TB3-51/C-532/10 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， TG13301/Z-883 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， TG0346/Y-526 楮武扬，断裂与环境

2、断裂，冶金工业出版社， TG111.91,2,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）。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；应力腐蚀机理及表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）。,2,1.1.1 金属的常规性能指标,1.1 金属机械性能指标,拉伸曲线

3、示意图,2,1.1.1 金属的常规性能指标,1.1 金属机械性能指标,拉伸曲线示意图,2,1.1.1 金属的常规性能指标 强度指标： 比例极限p应力与应变成正比关系的最大应力。 弹性极限e材料由弹性变形过渡到弹-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。不允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。 屈服极限金属发生明显塑性变形的抗力。 屈服点s屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。 屈服强度0.2规定产生0.2%残余伸长的应力。 抗拉强度（强度极限）b试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力。 国家标准中规定：e （0.01） ， S（0.2），b,1.1 金属机械性能

4、指标,2,1.1.1 金属的常规性能指标 塑性指标： 塑性断裂前金属发生塑性变形的能力 伸长率K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， 。 伸长率与试样原始标距长度有关，5，10 断面收缩率断裂后试样截面的相对收缩值， ，与试样尺寸无关。,1.1 金属机械性能指标,2,1.1.1 金属的常规性能指标 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综合性能指标，不是一个单纯的物理量，试验方法不同，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破裂的能力。 压入法、刻划法。 压入

5、法静载和动载。 静载布氏、洛氏、维氏硬度。 动载肖氏硬度。,1.1 金属机械性能指标,2,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。 根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。 洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用120的金刚石圆锥或直径1.588mm压入试件，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。 表面硬度计：用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金属镀层等的硬度。 维氏硬度及显微硬度HV：用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕对角线长度。

6、 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,2,1.1.1 金属的常规性能指标 硬度和抗拉强度之间的经验关系： 未淬硬钢： b=0.362HB HB175 b =0.345HB HB175 b =2.64103/（130-HRB） HRB90 b =2.61103/（130-HRB） 100HRB90 碳钢： b =2.5HS b =51.32104/（100-HRC）2 HRC27 灰铸铁： b =（HB-40）/6 b =48.4610

7、4/（100-HRC）2 40HRC27 铸钢： b =（0.30.4）HB HRC40 b =8.61103/（100-HRC） HRC40,1.1 金属机械性能指标,2,1.1.2 金属的其它性能指标 扭转 弯曲 压缩,1.1 金属机械性能指标,2,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,2,弯曲试验： 表面强度。 脆性材料，表面处理的工件。铸铁，焊接接头等。评定塑性材料的塑性。 三点弯曲法。,1.1 金属机械性能指标,2,1.2.1 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。,1.2 疲 劳 强 度,承受交变应力典型零件的应力

8、循环特征,循环特征,2,1.2.2 交变应力下材料的抗力指标及性质 （1）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 a 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r，称该材料的疲劳极限。 b 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51075108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。 c 疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（r），破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。 d 裂纹扩展速率,1.2 疲 劳 强 度,2,对

9、于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的： 对称弯曲 -1 = 0.4 b 对称拉压 -1 = 0.28 b 对称扭转 -1 = 0.22 b 脉动弯曲 -1 = 0.65 b,1.2 疲 劳 强 度,2,1.2.3 交变应力下的安全系数 （）应力集中和应变集中的影响 （）尺寸的影响 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 来表示,1.2 疲 劳 强 度,图2-25 锻钢疲劳极限的尺寸系数,2,（3）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1来表示,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

10、.2 疲 劳 强 度,2,（4）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2来表示。 （5）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来表示。,1.2 疲 劳 强 度,2,1.2.4 接触应力 1、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（Hertz）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。,1.2 疲 劳 强 度,2,2、沿圆柱体接触面的对称平面（y = 0）上，各点的应力分量,1.2 疲 劳 强 度,2,3、最大切应力 数值计算式 所在位置,切应力 yz（45）在z = 0.786 b处达最大值。,1.2 疲 劳 强 度,2,4、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，交变切应力 yzn的最大值在