金屬構(gòu)件失效分析

1、金屬構(gòu)件失效分析,第一章 概述,第二章 失效分析基礎(chǔ)知識(shí),第三章 金屬構(gòu)件常見失效形式及其判斷,第四章 失效分析的思路、程序和基本技能,第五章 失效分析實(shí)例,1 概 述,1.1 金屬構(gòu)件的失效及失效分析 1、失效 金屬裝備及其構(gòu)件在使用過程中，由于壓力、時(shí)間、溫度和環(huán)境介質(zhì)和操作失誤等因素的作用，喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象。 例子： 1979年9月7日，中國某電化廠氯氣車間的液氯鋼瓶爆炸，使10t液氯外溢擴(kuò)散，波及范圍725km2，致使59人死亡，779人中毒，當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)63萬元。 1984年12月3日凌晨，在印度博帕爾市的美國聯(lián)合碳化物公司所屬的家化工廠，由于安全裝置失靈，系統(tǒng)升壓導(dǎo)

2、致儲(chǔ)罐管路破裂，泄出大量毒氣，造成375人死亡，2000人重傷。該市50萬居民中有20萬受到毒氣的侵害，其中2萬人需要住院治療。有關(guān)方面要求美國公司賠償150億美元的損失費(fèi),2、失效分析 對(duì)裝備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進(jìn)行分析研究，從中找出產(chǎn)生失效的主要原因及防止失效的措施，稱為失效分析。3、失效分析目的 通過對(duì)失效件的分析，明確失效類型、找出失效原因，采取改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似的失效在設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)再發(fā)生，對(duì)裝備及其構(gòu)件在以后的設(shè)計(jì)、選材、加工及使用都有指導(dǎo)意義。 從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都沒有必要要求金屬裝備永不失效，失效分析的目的不在于造出具有無限使用壽命的裝備，而

3、是確保裝備在給定的壽命期限內(nèi)不發(fā)生早期失效，或只需要更換易損構(gòu)件，或把裝備的失效限制在預(yù)先規(guī)定的范圍之內(nèi)，希望對(duì)失效的過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警，以便采取緊急措施，避免機(jī)毀人亡的災(zāi)難,1.2失效分析的意義,1、促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 失效分析是對(duì)事物認(rèn)識(shí)的一個(gè)復(fù)雜過程，通過多學(xué)科交叉分析，找到失效的原因，不僅可以防止同樣的失效再發(fā)生，而且能更進(jìn)一步完善裝備構(gòu)件的功能，并促進(jìn)與之相關(guān)的各項(xiàng)工作的改進(jìn)。失效、認(rèn)識(shí)(失效分析)、提高、再失效、再認(rèn)識(shí)、再提高，由此促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 2、提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量 從設(shè)計(jì)、材料、制造等各方面進(jìn)行改進(jìn)，便可提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量。 3、具有高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,1.

4、3金屬構(gòu)件的失效形式及失效原因,金屬構(gòu)件的失效形式及失效原因是密切相關(guān)的，失效形式是構(gòu)件失效過程的表觀特征，是可以觀察的。而失效原因是導(dǎo)致構(gòu)件失效的物理化學(xué)機(jī)制，是需要通過失效過程調(diào)查研究及對(duì)失效件的宏觀、微觀分析去診斷、發(fā)現(xiàn)和論證的。 1、失效形式 彈性變形失效 當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)彈性變形失效。 塑性變形失效 當(dāng)受裁荷的構(gòu)件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)塑性變形失效。 韌性斷裂失效 構(gòu)件在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效,脆性斷裂失效 構(gòu)件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見

5、的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。 疲勞斷裂失效 構(gòu)件在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。 腐蝕失效 腐蝕是材料表面與服投環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及構(gòu)件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現(xiàn)的局部腐蝕，局部腐蝕又有點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等,磨損失效 當(dāng)材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物理和化學(xué)的作用，材料表面的形狀、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見

6、粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動(dòng)磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等,2、引起失效的原因 設(shè)計(jì)不合理 其中結(jié)構(gòu)或形狀不合理，構(gòu)件存在缺口、小圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū)，未能恰當(dāng)設(shè)計(jì)引起的失效比較常見。 總之，設(shè)計(jì)中的過載荷、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)、安全系數(shù)過小(追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件及裝備失效。構(gòu)件及裝備的設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理。 分析設(shè)計(jì)原因引起失效尤其要注意：對(duì)復(fù)雜構(gòu)件未作可靠的應(yīng)力計(jì)算；或?qū)?gòu)件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對(duì)工作載荷確定和應(yīng)力分析準(zhǔn)確的構(gòu)件來說，如果只考慮拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)的靜載荷能力，而忽

7、視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等機(jī)理可能引起的失效，都會(huì)在設(shè)計(jì)上造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤,選材不當(dāng)及材料缺陷 金屬裝備及構(gòu)件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經(jīng)濟(jì)性原則，遵循使用性原則是首先要考慮的。使用在特定環(huán)境中的構(gòu)件，對(duì)可預(yù)見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對(duì)韌性材料可能產(chǎn)生的屈服變形或斷裂，應(yīng)該選擇足夠的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；但對(duì)可能產(chǎn)生的脆性斷裂、疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件，高強(qiáng)度的材料往往適得其反。在符合使用性能的原則下選取的結(jié)構(gòu)材料，對(duì)構(gòu)件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的,制造工藝不合理 金

8、屬裝備及其構(gòu)件往往要經(jīng)過機(jī)加工(車、銑、刨、磨、鉆等)、冷熱成形(沖、壓、卷、彎等)、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規(guī)范制訂欠合理，則金屬設(shè)備或構(gòu)件在這些加工成形過程中，往往會(huì)留下各種各樣的缺陷。如機(jī)加工常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕；冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在焊接時(shí)可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高)、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過程經(jīng)受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變不同，有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯(cuò)位、不同心度、不對(duì)中及強(qiáng)行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如超過限度則會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件以及裝備早期

9、失效,使用操作不當(dāng)和維修不當(dāng) 使用操作不當(dāng)是金屬裝備失效的重要原因之一，如違章操作，超載、超溫、超速；缺乏經(jīng)驗(yàn)、判斷錯(cuò)誤；無知和訓(xùn)練不夠；主觀臆測(cè)、責(zé)任心不強(qiáng)、粗心大意等都是不安全的行為。某時(shí)期統(tǒng)計(jì)260次壓力容器和鍋爐事故中，操作事故194次，占74.5。 裝備是要進(jìn)行定期維修和保養(yǎng)的，如對(duì)裝備的檢查、檢修和更換不及時(shí)或沒有采取適當(dāng)?shù)男蘩?、防護(hù)措施，也會(huì)引起裝備早期失效,1.4 失效分析與其他學(xué)科的關(guān)系,1.5 失效分析的歷史發(fā)展?fàn)顩r,一般把失效分析的發(fā)展歷史分為三個(gè)階段，即失效分析的初級(jí)階段、近代失效分析階段及現(xiàn)代失效分析階段。 第一次世界工業(yè)革命前是失效分析的初級(jí)階段，失效分析受到真正重

10、視是從以蒸汽動(dòng)力和大機(jī)器生產(chǎn)為代表的世界工業(yè)革命開始，此為失效分析的第二階段，此階段一直延至20世紀(jì)50年代末，又稱為近代失效分析階段。20世紀(jì)50年代以后，隨著電子行業(yè)的興起，微觀觀測(cè)儀器的出現(xiàn)，特別是分辨率高、放大倍率大、景深長(zhǎng)的透射及掃描電子顯微鏡的問世，使失效分析擴(kuò)大了視野，洞穿失效的微觀機(jī)制，隨后大量現(xiàn)代物理測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，失效分析現(xiàn)處在第三階段的歷史發(fā)展時(shí)期，這是現(xiàn)代失效分析階段,1.6 失效分析工作者的主要任務(wù)和應(yīng)具備的基本素質(zhì),1、主要任務(wù) 深入裝備失效現(xiàn)場(chǎng)、廣泛收集、調(diào)查失效信息，尋找失效構(gòu)件及相關(guān)實(shí)物證據(jù)。 對(duì)失效構(gòu)件進(jìn)行全面深入的宏觀分析，通過種類認(rèn)定推理，初步確定失效件

11、的失效類型。 對(duì)失效件及其相關(guān)證物展開必要的微觀分析、理化檢驗(yàn)，進(jìn)一步查找失效的原因。 通過歸納、演繹、類比、假設(shè)、選擇性推理，建立整個(gè)失效過程及其失效原因之間的聯(lián)系，進(jìn)行綜合性分析。 在可能的情況下，對(duì)重大的失效事件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證因果分析的正確性,2、應(yīng)具備的基本素質(zhì) 鑒于失效分析的重要性、復(fù)雜性和特殊性，失效分析人員應(yīng)在實(shí)踐中逐步完善，并應(yīng)具備以下基本素質(zhì)。 徹底的求實(shí)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，在任何情況下都要堅(jiān)持實(shí)事求是，認(rèn)真負(fù)責(zé)，勇于堅(jiān)持真理，修正錯(cuò)誤。 敏銳的觀察力和熟練的分析技術(shù)，善于利用一切手段(包括先進(jìn)的儀器、設(shè)備)取得失效的信息和證據(jù)。 正確的失效分析思路和對(duì)失效分析形式、失

12、效原因有良好的判斷能力，要有“醫(yī)生的思路，偵探的技巧”。 善于學(xué)習(xí)，向書本學(xué)習(xí)，向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，向同行學(xué)習(xí)，向一切可能共事的人們學(xué)習(xí)。 要有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和較寬廣的知識(shí)面，工作能力要強(qiáng)，辦事效率要高,2 失效分析基礎(chǔ)知識(shí),2.1 金屬構(gòu)件中可能引起失效的常見缺陷,1、鑄態(tài)金屬組織缺陷 鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內(nèi)裂紋、氣泡和白點(diǎn)等。 (1)縮孔與疏松 金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀(或喇叭狀)或分散的孔洞，稱為縮孔。縮孔的相對(duì)體積，與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件以及鑄錠的大小等有關(guān)。液態(tài)金屬的溫度越高，則液體與固體之間的體積差越大，而縮孔的體積也越大。向薄

13、壁鑄型中澆注金屬時(shí)，型壁越薄、則受熱越快，液態(tài)金屬越不易冷卻，在剛澆完鑄型時(shí)，液態(tài)金屬的體積就越大，金屬冷凝后的縮孔也就越大,如在急劇冷卻的條件下澆注金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔。但在此情況下，液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間的體積差仍保持一定的數(shù)值，雖然在表面上似乎已經(jīng)“消除”了大的縮孔，可是有許多細(xì)小縮孔即疏松，分布在金屬的整個(gè)體積中,鋼材在鍛造和軋制過程中，疏松情況可得到很大程度的改善，但如由于原鋼錠的疏松較為嚴(yán)重、壓縮比不足等原因，則在熱加工后較嚴(yán)重的疏松仍會(huì)存在。圖2-2(b)所示為2crl3鋼熱軋后退火仍有黑色小點(diǎn)顯示的中心疏松。此外，如原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過程中焊合不

14、良，或沸騰鋼中的氣泡分布不良，以致影響焊合，亦可能形成疏松,疏松的存在具有較大的危害性，主要有以下幾種: 在鑄件中，由于疏松的存在，顯著降低其力學(xué)性能，可能使其在使用過程中成為疲勞源發(fā)生斷裂。此外，在用作液體容器或管道的鑄件中，有時(shí)會(huì)存在基本上相互連接的疏松，以致不能通過水壓試驗(yàn)，或在使用過程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 鋼材中如存在疏松，亦會(huì)降低其力學(xué)性能，但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松，故疏松對(duì)鋼材性能的影響比鑄件的小。 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松，對(duì)機(jī)械加工后的表面粗糙度有一定的影響,2）偏析 金屬在冷凝過程中，由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 晶內(nèi)偏析與晶間偏析 由于擴(kuò)散

15、不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析?；谕辉?，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會(huì)不同，即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。 區(qū)域偏析 在澆注鑄錠(或鑄件)時(shí)，由于通過鑄型壁強(qiáng)烈的定向散熱，在進(jìn)行著凝固的合金內(nèi)便形成一個(gè)較大的溫差。結(jié)果就必然導(dǎo)致外層區(qū)域富集高熔點(diǎn)組元，而心部則富集低熔點(diǎn)組元，同時(shí)也富集著凝固時(shí)析出的非金屬雜質(zhì)和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析,比重偏析 在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時(shí)，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象，稱為比重偏析。 晶體與余下的溶液之間的密度差越

16、大，比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差。如果冷卻越緩慢，隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而比重偏析也越強(qiáng)烈,3)氣泡與白點(diǎn) 金屬在熔融狀態(tài)時(shí)能溶解大量的氣體，在冷凝過程中由于溶解度隨溫度的降低而急劇地減小，致使氣體從液態(tài)金屬中釋放出來。若此時(shí)金屬已完全凝固，則剩下的氣體不易逸出有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔，這種氣孔稱為氣泡,氣泡的有害影響表現(xiàn)如下： 氣泡減少金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應(yīng)，大大降低了材料的強(qiáng)度。 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時(shí)，在熱鍛加熱時(shí)它們可能被氧化，以致在隨后的鍛

17、壓過程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫。 在沸騰鋼及某些合金中，由于氣泡的存在還可能產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致裂縫,在經(jīng)侵蝕后的橫向截面上，呈現(xiàn)較多短小的不連續(xù)的發(fā)絲狀裂縫；而在縱向斷面上會(huì)發(fā)現(xiàn)表面光滑的、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)，這種缺陷稱為白點(diǎn),白點(diǎn)最容易產(chǎn)生在以鎳、鉻、錳作為合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼及低合金工具鋼中。奧氏體鋼及萊氏體鋼中，從未發(fā)現(xiàn)過白點(diǎn)；鑄鋼中也有可能發(fā)現(xiàn)白點(diǎn)，但極為罕見；焊接工件的熔焊金屬中偶爾也會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)。此外，白點(diǎn)的產(chǎn)生與鋼材的尺寸也有一定的關(guān)系，橫截面的直徑或厚度小于30 mm的鋼材不易產(chǎn)生白點(diǎn)。 通常，具有白點(diǎn)的鋼材縱向抗拉強(qiáng)度與彈性極限降低得并不多，但伸長(zhǎng)率則顯著降低，尤其是斷面

18、收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時(shí)可能接近于零。且這種鋼材的橫向力學(xué)性能又比縱向的降低得更多。因此，具有白點(diǎn)的鋼材一般是不能使用的,2、金屬鍛造及軋制件缺陷 (1)內(nèi)部組織缺陷 a粗大的魏氏體組織 在熱軋或停鍛溫度較高時(shí)，由于奧氏體晶粒粗大，在隨后冷卻時(shí)的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒內(nèi)部生長(zhǎng)，或平行排列，或成一定角度。這種形貌稱為魏氏體組織。先析出物與鋼的成分有關(guān)，亞共析鋼為鐵素體，過共析鋼為滲碳體,魏氏體組織因其組織粗大而使材料脆性增加，強(qiáng)度下降。比較重要的工件不允許魏氏體組織存在,b. 網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織 對(duì)于工具鋼，鍛造和軋制的目的不但是毛坯成形，更重要的是使其內(nèi)部的碳化物碎

19、化和分布均勻,c 鋼材表層脫碳 鋼加熱時(shí)，金屬表層的碳原子燒損，使金屬表層碳成分低于內(nèi)層，這種現(xiàn)象稱為脫碳，凡降低了碳量的表面層叫做脫碳層,脫碳層的硬度、強(qiáng)度較低，受力時(shí)易開裂而成為裂源。大多數(shù)零件，特別是要求強(qiáng)度高、受彎曲力作用的零件，要避免脫碳層。因此鍛、軋的鋼件隨后應(yīng)安排去除脫碳層的切削加工,2)鋼材的表面缺陷 影響鋼材表面完整性和表面粗糙度等的表面質(zhì)量的缺陷，統(tǒng)稱為表面質(zhì)量缺陷，簡(jiǎn)稱表面缺陷,a 折疊 折疊通常是由于材料表面在前一道鍛、軋中所產(chǎn)生的尖角或耳子，在隨后的鍛、軋時(shí)壓入金屬本身而形成的。 鋼材表面的折疊，可采用機(jī)械加工的方法進(jìn)行去除,b劃痕 在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^程中，鋼材表面受到

20、機(jī)械刮傷形成的溝痕，稱劃痕，也稱刮傷或擦傷。 劃痕缺陷的存在，能降低金屬的強(qiáng)度；對(duì)薄鋼板，除降低強(qiáng)度外，還會(huì)像切口一樣地造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致斷裂；尤其是在壓制時(shí)，它會(huì)成為裂紋或裂紋擴(kuò)展的中心。對(duì)于壓力容器來說，表面是不允許有嚴(yán)重的劃痕存在的，否則會(huì)成為使用過程中發(fā)生事故的起點(diǎn)。 c斑疤 金屬錠及型材的表面由于處理不當(dāng)，往往會(huì)造成粗糙不平的凹坑。這些凹坑是不深的，一般只有23mm。因其形狀不規(guī)則，且大小不一，故稱這種粗糙不平的凹坑為結(jié)疤，也稱為斑疤,若結(jié)疤存在于板材上，尤其是在薄板上，則不僅能成為板材腐蝕的中心，在沖制時(shí)還會(huì)因此產(chǎn)生裂紋。此外，在制造彈簧等零件用的鋼材上，是不允許存在結(jié)疤缺陷的。因

21、為結(jié)疤容易造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生，大大地影響彈簧的壽命和安全性。 d表面裂紋 鋼材表面出現(xiàn)的網(wǎng)狀龜裂或缺口，是由于鋼中硫高錳低引起熱脆，或因銅含量過高、鋼中非金屬夾雜物過多所致。 e. 分層 由于非金屬夾雜、未焊合的內(nèi)裂紋、殘余縮孔、氣孔等原因，使剪切后的鋼材斷面呈黑線或黑帶，將鋼材分離成兩層或多層的現(xiàn)象，稱為分層,3、夾雜物及其對(duì)鋼性能的影響,1)夾雜物的分類 鋼在加工變形中，各類夾雜物變形性不同，按其變形能力可分為三類。 a 脆性夾雜物 一般指那些不具有塑性變形能力的簡(jiǎn)單氧化物(如Al2O3、Cr2O3、ZrO2等)、雙氧化物(如FeOAl2O3、MgOAl2O3 、CaO6Al

22、2O3 等)、氮化物 (如TiN、Ti(CN) AlN、VN等)和不變形的球狀(或點(diǎn)狀)夾雜物(如球狀鋁酸鈣和含SiO2較高的硅酸鹽等,鋼中鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點(diǎn)和硬度，當(dāng)壓力加工變形量增大時(shí)，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向呈串鏈狀分布，嚴(yán)重地破壞了鋼基體均勻的連續(xù)性,b塑性夾雜物 這類夾雜物在鋼經(jīng)受加工變形時(shí)具有良好的塑性，沿著鋼的流變方向延伸成條帶狀，屬于這類的夾雜物有含SiO2量較低的鐵錳硅酸鹽、硫化錳(MnS)、(Fe，Mn)S等。夾雜物與鋼基體之間的交界面處結(jié)合很好，產(chǎn)生裂紋的傾向性較小,c半塑性變形的夾雜物 一般指各種復(fù)合的鋁硅酸鹽夾雜物，復(fù)合夾雜物中的基體，在熱加工變形過程中產(chǎn)生

23、塑性變形，但分布在基體中的夾雜物(如鋁酸鈣、尖晶石型的雙氧化物等)不變形，基體夾雜物隨著鋼基體的變形而延伸，而脆性夾雜物不變形，仍保持原來的幾何形狀，因此將阻礙鄰近的塑性夾雜物自由延伸，而遠(yuǎn)離脆性夾雜物的部分沿著鋼基體的變形方向自由延伸,2)夾雜物對(duì)鋼性能的影響 大量試驗(yàn)事實(shí)說明夾雜物對(duì)鋼的強(qiáng)度影響較小，對(duì)鋼的韌性危害較大，其危害程度又隨鋼的強(qiáng)度的增高而增加。 a夾雜物變形性對(duì)鋼性能的影響 鋼中非金屬夾雜物的變形行為與鋼基休之間的關(guān)系，可用夾雜物與鋼基體之間的相對(duì)變形量來表示，即夾雜物的變形率v，夾雜物的變形率可在v01這個(gè)范圍受化，若變形率低，鋼經(jīng)加工變形后由于鋼產(chǎn)生塑性變形，而夾雜物基本不

24、變形，便在夾雜物和鋼基體的交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在鋼與夾雜物的交界處產(chǎn)生微裂紋，這些微裂紋便成為零件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患,b 夾雜物引起應(yīng)力集中,夾雜物的熱膨脹系數(shù)越小，形成的拉應(yīng)力越大，對(duì)鋼的危害性越大。在高溫下加工變形時(shí)。由于夾雜物與鋼基體熱收縮的差別，裂紋在交界面處產(chǎn)生。它很可能成為留住基體中潛在的疲勞破壞源。 危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物,c 夾雜物與鋼的韌性 i超高強(qiáng)度鋼和碳鋼中Mns夾雜物的含量對(duì)強(qiáng)度無明顯影響，但可使韌性降低。其中斷裂韌性隨s含量增加而降低，具有明顯的規(guī)律性。 從夾雜物類型比較，硫化物對(duì)韌性的影響大于氮化物，在氮化物中zrN對(duì)韌

25、性的危害較小，夾雜物類型不同而含量相近的情況下，變形成長(zhǎng)條狀的Mns對(duì)斷裂韌性影響大于不變形的硫化物(Ti-s，Zr-S)。 . 串狀或球狀硫化物對(duì)和Akv均不利，就對(duì)短橫試樣的危害而言，串狀比球狀危害更嚴(yán)重,4、金屬焊接組織缺陷 (1)焊接接頭的形成與區(qū)域特征,2)焊接裂紋 a 熱裂紋 在高溫下產(chǎn)生，面且都是沿奧氏體晶界開裂。 結(jié)晶裂紋 焊縫在結(jié)晶過程中，固相線附近由于凝固金屬收縮時(shí)，殘余液相不足，致使沿晶界開裂，故稱結(jié)晶裂紋。 結(jié)晶裂紋主要出現(xiàn)在含雜質(zhì)較多的碳鋼焊縫中(特別是含硫、磷、硅、碳較多的鋼種焊縫)和單相奧氏體鋼、鎳基合金，以及某些鋁及鋁合金的焊縫中,高溫液化裂紋 在焊接熱循環(huán)峰值

26、溫度作用下，母材近縫區(qū)和多層焊縫的層間金屬中，由于含有低熔共晶組成物(如硫、磷、硅、鎳等)面被重新熔化，在收縮應(yīng)力作用下，沿奧氏體晶間發(fā)生開裂,多邊化裂紋 焊接時(shí)焊縫或近縫區(qū)在固相線溫度以下的高溫區(qū)間，由于剛凝固的金屬存在很多晶格缺陷(主要是位錯(cuò)和空位)和嚴(yán)重的物理及化學(xué)的不均勻性，在一定的溫度和應(yīng)力作用下，由于晶格缺陷的移動(dòng)和聚集，便形成了二次邊界，即“多邊化邊界”，這個(gè)邊界上堆積了大量的晶格缺陷，所以它的組織疏松，高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性都很低，只要此時(shí)受少量的拉伸變形，就會(huì)沿著多邊化的邊界開裂，產(chǎn)生多邊化裂紋，又稱高溫塑性裂紋。這種裂紋多發(fā)生在純金屬或單相奧氏體合金的焊縫中或近縫區(qū),b再熱裂紋

27、 在進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理的過程中，在焊接熱影響區(qū)的粗晶部位產(chǎn)生裂紋。這種裂紋是在重新加熱(熱處理)過程中產(chǎn)生的，故稱“再熱裂紋”，又稱“消除應(yīng)力處理裂紋”，國外簡(jiǎn)稱“雙裂紋”(即Stress Relief Cracking,再熱裂紋的機(jī)理：在消除應(yīng)力熱處理過程中，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)存在不同程度的應(yīng)力集中，由于應(yīng)力松弛所產(chǎn)生附加變形大于該部位的蠕變塑性，則產(chǎn)生再熱裂紋,再熱裂紋與熱裂紋雖然都是沿晶界開裂，但是再熱裂紋產(chǎn)生的本質(zhì)與熱裂紋根本不同，再熱裂紋只在一定的溫度區(qū)間(約550650)敏感，而熱裂紋是發(fā)生在固相線附近,再熱裂紋多發(fā)生在低合金高強(qiáng)鋼、珠光體耐熱鋼、奧氏體不銹鋼，以及鎳基合金的焊接接頭

28、中,c冷裂紋 在相當(dāng)?shù)偷臏囟?，大約在鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(即Ms點(diǎn))附近，由于拘束應(yīng)力、淬硬組織和氫的作用下，在焊接接頭產(chǎn)生的裂紋屬冷裂紋。冷裂紋主要發(fā)生在低合金鋼、中合金鋼和高碳鋼的熱影響區(qū)。 延遲裂紋的特點(diǎn)不是在焊后立即出現(xiàn)，而是有一段孕育期，產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，故稱延遲裂紋,淬硬脆化裂紋(淬火裂紋)。這種裂紋除了出現(xiàn)在熱影響區(qū)，有時(shí)還出現(xiàn)在焊縫上，主要是由淬硬組織引起的，故又稱淬火裂紋,焊接馬氏體類不銹 鋼、工具鋼，以及異種鋼等均可能出現(xiàn)這種淬硬脆化 裂紋,低塑性脆化裂紋。某些材料焊接時(shí)，在比較低的溫度下，由于收縮應(yīng)變超過了材料本身的塑性儲(chǔ)備而產(chǎn)生的裂紋稱為低塑性脆化裂紋。它與一般的延遲裂紋不同

29、，這種裂紋前端圓鈍，裂紋本身具有一定的寬度，走向直通，似乎有脆斷的特征,d層狀撕裂 屬低溫開裂，撕裂溫度不超過400。層狀撕裂與一般的冷裂紋不同，它主要是由于軋制鋼材的內(nèi)部存在有分層的夾雜物(特別是硫化物夾雜物)和在焊接時(shí)產(chǎn)生的垂直軋制方向的應(yīng)力，致使焊接熱影響區(qū)附近或稍遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生呈“臺(tái)階”狀的層狀開裂，并具有穿晶發(fā)展。 層狀撕裂主要發(fā)生在屈服強(qiáng)度較高的低合金高強(qiáng)鋼(或調(diào)質(zhì)鋼)的厚板結(jié)構(gòu)，如采油平臺(tái)、厚壁容器、潛艇等，且材質(zhì)含有不同程度的夾雜物。層狀撕裂在T形接頭，十字接頭和角接頭比較多見,5、鋼鐵熱處理產(chǎn)生的組織缺陷,內(nèi)應(yīng)力來源有兩個(gè)方面：一方面由于冷卻過程中零件表面與中心冷卻速度不同、其

30、體積收縮在表面與中心也就不一樣。這種由于溫度差而產(chǎn)生體積收縮量不同所引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“熱應(yīng)力”。另一方面，鋼件在組織轉(zhuǎn)變時(shí)比體積發(fā)生變化，比如奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)比體積增大。由于零件斷面上各處轉(zhuǎn)變的先后不同，其體積變化各處不同，由此引起的內(nèi)應(yīng)力稱做“組織應(yīng)力,導(dǎo)致淬裂的原因： (1)原材料已有缺陷；(2)原始組織不良；(3)夾雜物；(4)淬火溫度不當(dāng)；(5)淬火時(shí)冷卻不當(dāng)；(6)機(jī)械加工缺陷；(7)不及時(shí)回火,2.2 力學(xué)計(jì)算基本概念,1 傳統(tǒng)強(qiáng)度理論及其適用范圍,從17世紀(jì)中期開始的近300年的歷史時(shí)期內(nèi)，裝備構(gòu)件的設(shè)計(jì)都是按照一定的強(qiáng)度條件進(jìn)行的。強(qiáng)度被定義為抵抗外力使構(gòu)件失效的能力。所設(shè)

31、計(jì)的構(gòu)件的安全使用性能以構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度為設(shè)計(jì)推則，再輔以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足其余使用性能的要求。構(gòu)件強(qiáng)度條件的建立依據(jù)強(qiáng)度理論。構(gòu)件受外力作用后，構(gòu)件內(nèi)部存在應(yīng)力、應(yīng)變，且積聚了應(yīng)變能，歸納構(gòu)件失效的情況，無論構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)是簡(jiǎn)單的或是復(fù)雜的，基本的失效形式有兩種：斷裂及屈服。其失效往往是由危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大正應(yīng)力、最大線應(yīng)變、最大切應(yīng)力或形狀改變比能等因素起主導(dǎo)作用。因而按構(gòu)件強(qiáng)度失效不同的決定性因素便產(chǎn)生了各種假設(shè)的解釋理論，稱為強(qiáng)度理論,1)強(qiáng)度理論 a最大拉應(yīng)力理論(第一強(qiáng)度理論) 脆性材料的失效大多數(shù)是由拉應(yīng)力作用造成的斷裂。故這一理論認(rèn)為，決定構(gòu)件產(chǎn)生斷裂失效的主要因素是單元體的最大拉應(yīng)

32、力1。 將拉伸強(qiáng)度極限b除以安全系數(shù)，得到許用應(yīng)力，于是按第一強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是 1 試驗(yàn)與實(shí)踐證明，這一理論與鑄鐵、石料、混凝土等脆件材料的失效現(xiàn)象相符合。例如，由鑄鐵等脆性材料制成的構(gòu)件，在軸向拉伸試驗(yàn)時(shí)，得到與軸向應(yīng)力相垂直的平直斷口(有時(shí)在試樣邊緣有不大的剪切唇邊)；在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)，得到沿扭轉(zhuǎn)軸表面層成45的螺旋曲面；甚至在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其斷裂面也是發(fā)生在最大拉應(yīng)力的截面上,因此，第一強(qiáng)度理論適用于以拉伸為主的脆性材料。但這個(gè)理論沒有考慮到其他兩個(gè)主應(yīng)力對(duì)材料斷裂失效的影響，而且對(duì)于單向壓縮、三向壓縮等應(yīng)力狀態(tài)也無法應(yīng)用。 b最大拉應(yīng)變理論(第二強(qiáng)度理論) 這一強(qiáng)度理論的根據(jù)是，

33、當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變的方向發(fā)生脆性斷裂。因此這一理論認(rèn)為，決定材料發(fā)生斷裂失效的主要因素是單元體中的最大拉應(yīng)變1。即不論它是單向應(yīng)力狀態(tài)或是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要單元體中的最大拉應(yīng)變1達(dá)到單向拉伸情況下發(fā)生斷裂失效時(shí)的拉應(yīng)變極限值 f時(shí)，材料就將發(fā)生斷裂失效。 1- (2+3),第二強(qiáng)度理論能很好地解釋脆性材料受軸向壓縮時(shí)，沿縱向發(fā)生的斷裂失效現(xiàn)象，這無疑是因?yàn)樽畲罄瓚?yīng)變發(fā)生于橫向的緣故。此外，由脆性材料的斷裂失效試驗(yàn)指出，對(duì)于工程中最常遇到的兩個(gè)主應(yīng)力是一拉一壓的二向應(yīng)力狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果也與按這一理論計(jì)算結(jié)果相近。 但是必須注意，第二強(qiáng)度理論公式中所用的

34、是材料在單向拉伸時(shí)的許用拉應(yīng)力，這只對(duì)于在單向拉伸時(shí)沿橫截面發(fā)生脆斷失效的材料才適用。至于像低碳鋼這樣的塑性材料，是不可能通過單向拉伸試驗(yàn)得到材料在脆斷時(shí)的極限值f 的。所以，第二強(qiáng)度理論對(duì)塑性材料是不適用的。 此外，對(duì)于兩個(gè)主應(yīng)力均為拉應(yīng)力的二向應(yīng)力狀態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果與第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力理論)計(jì)算的結(jié)果更為符合,c最大切應(yīng)力理論(第三強(qiáng)度理論) 對(duì)于塑性好的材料，當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì)沿最大切應(yīng)力所在的截面滑移而產(chǎn)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。 因此這一理論認(rèn)為，決定材料塑性屈服而失效的主要因素是單元體中的最大切應(yīng)力。即不論它是單向應(yīng)力狀態(tài)或是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要單元

35、體中的最大切應(yīng)力max達(dá)到在單向拉伸下發(fā)生塑性屈服時(shí)的極限切應(yīng)力時(shí)，材料就將發(fā)生塑性屈服而引起構(gòu)件失效。 第三強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是 1-3 第三強(qiáng)度理論實(shí)際上是一種塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)。這一理論能圓滿地解釋塑性材料出現(xiàn)塑性變形的條件和現(xiàn)象,d. 形狀改變比能理論(第四強(qiáng)度理論) 這一理論認(rèn)為，對(duì)于塑性材料，構(gòu)件形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即認(rèn)為無論構(gòu)件處在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要形狀改變比能達(dá)到材料在單向拉伸時(shí)發(fā)生屈服應(yīng)力相應(yīng)的形狀改變比能，材料就發(fā)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。按第四強(qiáng)度理論建立的強(qiáng)度條件是,幾種塑性好的材料，如鋼、鋁、銅等的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與第四強(qiáng)度理論的屈服條件非常接近

36、，這一理論與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度比第二強(qiáng)度理論更好。第四強(qiáng)度理輪實(shí)際上也是一種塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù),2)各種強(qiáng)度理論的適用范圍 為說明方便，把上面四個(gè)強(qiáng)度理論所建立的強(qiáng)度條件統(tǒng)一寫為 e 式中，e為根據(jù)不同強(qiáng)度理論所得到的構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處三個(gè)主應(yīng)力的某種組合。 按某一個(gè)強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核，一方面要保證所用的強(qiáng)度理論與在該種應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生的失效形式相適應(yīng)，另一方面要求采用的 也應(yīng)與該失效形式的極限應(yīng)力相符合，這兩個(gè)條件若有一個(gè)不能滿足，某種強(qiáng)度理論的應(yīng)用就失掉依據(jù)。因此，要搞清楚各種強(qiáng)度理論的適用范圍,對(duì)于脆性材料，在單向及兩向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)采用最大

37、拉應(yīng)力理論。其是材料在單向拉伸試驗(yàn)時(shí)測(cè)出的拉伸強(qiáng)度取用的許用應(yīng)力值。 不論是脆性材料或塑性材料，在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，都會(huì)發(fā)生脆性斷裂，因此宜采用最大拉應(yīng)力理論。 對(duì)于塑性材料，由于從單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果不可能得到材料發(fā)生脆斷的極限應(yīng)力，所以，在按最大拉應(yīng)力理論對(duì)于用這類材料制成的構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，公式中的 就不能再用這類材料在單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力值。 對(duì)于像低碳鋼這一類的塑性材料，在除了三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)以外的各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，材料都會(huì)發(fā)生屈服現(xiàn)象。對(duì)于這類材料制成的薄壁圓筒來說，以采用形狀改變比能理論為宜。但有時(shí)也可采用最大切應(yīng)力理論，這是因?yàn)樽畲笄袘?yīng)力理論的物理概念較為直觀，且按此理論所計(jì)

38、算結(jié)果也偏于安全,在三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，不論是塑性材料還是脆性材料，通常都發(fā)生屈服破壞，故一般應(yīng)采用形狀改變比能理論。但因脆性材料不可能由單向拉伸試驗(yàn)結(jié)果得到材料發(fā)生屈服的極限應(yīng)力，所以，在按此強(qiáng)度理論作強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，公式中的也不能用脆性材料在單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力值。 (3)對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度理論的評(píng)論 傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算方法簡(jiǎn)單易行，但不夠準(zhǔn)確，因?yàn)榧僭O(shè)材料為均勻連續(xù)、無損傷的前提，與材料的實(shí)際情況是有區(qū)別的。為了保證構(gòu)件的安全，傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算方法采用了較高的安全系數(shù)。安全系數(shù)既包容了材料的實(shí)際情況與均勻連續(xù)無損傷假設(shè)的差異，也包容了真實(shí)變形體與受力假設(shè)模型的差異，甚至包容了制造、使用等過程產(chǎn)生的變化與理論

39、假設(shè)的差異在內(nèi)，全部用一個(gè)打新扣的數(shù)字概括了，這是一個(gè)模糊的概念，是一個(gè)無知程度系數(shù)。當(dāng)這個(gè)安全系數(shù)取值未能包含以經(jīng)驗(yàn)取值的因素出現(xiàn)時(shí)，事故就可能發(fā)生,斷裂力學(xué)基本概念 斷裂力學(xué)研究帶有宏觀裂紋(大于等于0.1mm)的均勻連續(xù)基體的力學(xué)行為，認(rèn)為引起構(gòu)件斷裂失效的主要原因是構(gòu)件材料存在宏觀裂紋的成長(zhǎng)及其失穩(wěn)擴(kuò)展。 裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展，通常由裂紋端點(diǎn)開始，裂端區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度大小與裂紋的穩(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)裂端表征應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的參量達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展，至構(gòu)件斷裂。這里提出了兩個(gè)問題，一是裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力變場(chǎng)強(qiáng)度的表征及變化規(guī)律；二是裂紋體發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值。前者是含裂紋體的構(gòu)件在外力作

40、用下裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，它必然與構(gòu)件受外載引起的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及環(huán)境作用有關(guān)，也與原有裂紋的性質(zhì)及尺寸有關(guān)；后者是制造該構(gòu)件材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，具有特定組織結(jié)構(gòu)、性能和質(zhì)量的材料，其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力應(yīng)該是一個(gè)常數(shù),斷裂力學(xué)通過對(duì)裂紋端部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的大小和分布的研究，建立了構(gòu)件裂紋尺寸、工作應(yīng)力與材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力之間的定量關(guān)系。為構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)、定量或半定量地估計(jì)含裂紋構(gòu)件的壽命、失效分析、選材規(guī)范乃至研制新材料提供了更切合實(shí)際的理論基礎(chǔ)。 工程結(jié)構(gòu)常用的金屬材料的斷裂主要有兩種不同的性質(zhì)：脆性斷裂與韌性斷裂,斷裂力學(xué)分為線彈性斷裂力學(xué)與彈塑性斷裂力學(xué)，前者解決具有圖2-26(a)所示關(guān)

41、系的脆性斷裂；后者解決具有圖2-26(b)所示關(guān)系的韌性斷裂,1)線彈性斷裂力學(xué)的基本概念及其應(yīng)用 a. 裂紋擴(kuò)展的三種基本類型,式(2-6)是裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)近似表達(dá)式，越接近裂紋尖端，應(yīng)力越大，且精確度越高。在裂紋尖端擴(kuò)展線(即x軸)上，=0，sin=0，式(2-6)變?yōu)?b張開型裂紋尖端附近的二向應(yīng)力場(chǎng)方程,c應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 對(duì)于裂紋端部任意一點(diǎn)A(r,)該點(diǎn)的應(yīng)力分量完全由KI所決定。KI控制了應(yīng)力的大小，故稱為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，下標(biāo)I表示I型裂紋(張開型裂紋)。式(2-6)是針對(duì)無限大板中心貫穿裂紋推導(dǎo)出來的。對(duì)于其他裂紋狀態(tài)的張開型裂紋，式(2-6)也是成立的，但KI應(yīng)為,式

42、中，Y是一個(gè)和載荷無關(guān)，而與裂紋形狀、加載方式以及試樣幾何形狀有關(guān)的量稱為幾何因子或形狀因子,d臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KIC KI和外加應(yīng)力及裂紋長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng)KI大到足以使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致試樣或構(gòu)件斷裂時(shí)，就稱為臨界狀態(tài)。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子也稱為斷裂韌度，用KIC表示，即 （2-9） 式中，c和ac分別為臨界狀態(tài)的應(yīng)力及裂紋尺寸。如裂紋長(zhǎng)度不變，通過增大到= c，KI增大而達(dá)到裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界狀態(tài)時(shí)，c屬斷裂應(yīng)力，式(2-9)中的a指原始裂紋尺寸a0。如果外加工作應(yīng)力不變，通過裂紋從a0增大到ac(如疲勞、氫致開裂或應(yīng)力腐蝕開裂)，從而使KI增大而到達(dá)臨界狀態(tài)時(shí)，ac是臨界裂

43、紋尺寸，式(2-9)中的 是工作應(yīng)力,式(2-9)表明，如用預(yù)制裂紋試樣(a和Y已知)在空氣中加載，測(cè)出裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力c，代人式(2-9)就可測(cè)得此材料的KIC值（材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC的測(cè)量參考GB 4161）。由于KIC是材料性能，故用試樣測(cè)出的KIC值就是實(shí)際含裂紋構(gòu)件抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的KIC值。因此、當(dāng)構(gòu)件中裂紋的形狀和大小一定時(shí)(即a和Y一定)，如果該材料的斷裂韌性 KIC 值大，則由裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展使構(gòu)件脆斷所需的外應(yīng)力c 也高，即構(gòu)件愈不容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，反之，如構(gòu)件在工作應(yīng)力下脆斷，這時(shí)構(gòu)件內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度必須大于或 等于式(2-9)所確定的臨界 。顯然，隨著材料的 K

44、IC愈高時(shí)，可容許構(gòu)件中存在更長(zhǎng)的裂紋,e脆性斷裂判據(jù)及工程應(yīng)用 按線彈性力學(xué)分析，當(dāng)I型裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI因?yàn)閼?yīng)力增大或是裂紋增大使其數(shù)值超過材料抵抗斷裂的臨界值KIC時(shí)，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。因此脆性斷裂失效的判據(jù)可寫為 KIKIC （2-10） 這個(gè)判據(jù)稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子判據(jù)，簡(jiǎn)稱K判據(jù)。按照這個(gè)判據(jù)可以解決工程結(jié)構(gòu)很多實(shí)際問題。 解釋低應(yīng)力脆斷失效的原因，這是因?yàn)椴牧嫌辛鸭y狀缺陷存在是客觀的，裂紋在構(gòu)件服役期間的長(zhǎng)大及失穩(wěn)擴(kuò)展引起脆斷。 計(jì)算構(gòu)件在服役條件下的最大裂紋容限，對(duì)構(gòu)件做出安全評(píng)估。 根據(jù)構(gòu)件現(xiàn)存的裂紋尺寸，確定構(gòu)件的最大工作應(yīng)力或最大允許載荷,若能檢出或從經(jīng)

45、驗(yàn)得出裂紋擴(kuò)展速率，可計(jì)算出構(gòu)件的安全壽命，并制訂出合理的裂紋檢測(cè)周期。 確立材料強(qiáng)韌化的設(shè)計(jì)思想，既要求材料有高強(qiáng)度以節(jié)約資源，更要求材料有高韌性儲(chǔ)備抵抗脆斷。設(shè)計(jì)構(gòu)件時(shí)選擇 KIC高的材料，或通過工藝處理提高材料的KIC。 f裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正 從式(2-6)可知，越靠近裂紋尖端(ro)，應(yīng)力越大，但出現(xiàn)無窮大的應(yīng)力是不可能的，尤其是塑性比較好的金屬材料，邊緣應(yīng)力的自限性使裂紋尖端的應(yīng)力受到屈服強(qiáng)度的限制，當(dāng)該應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度s時(shí)，材料就因屈服而發(fā)生塑性變形。發(fā)生塑性變形的區(qū)域，稱為塑性區(qū)。正是裂紋尖端的高應(yīng)力導(dǎo)致了塑性區(qū)的產(chǎn)生及擴(kuò)大。 對(duì)于I型裂紋端部的塑性區(qū)大小表達(dá)式如

46、下，rp是的函數(shù),當(dāng)0，即在x軸上時(shí)，有,2-11,2-12,對(duì)于金屬材料，平面應(yīng)變狀態(tài)下塑性區(qū)在x軸上寬度較之平面應(yīng)力情況小很多，若取0.3，rp=0.16rP,對(duì)于實(shí)際構(gòu)件，由于從表而到中心的約束不一樣，即使內(nèi)部呈平面應(yīng)變狀態(tài)，其表面也總是處在平面應(yīng)力狀態(tài)。如穿透厚板的裂紋，雖然板內(nèi)是平面應(yīng)變狀態(tài)，裂尖塑性區(qū)比較小，但板表面是平面應(yīng)力狀態(tài)，其裂尖塑性區(qū)是比較大的,只有rp/a非常小，用線彈性斷裂判據(jù)才是合理的。如果塑性區(qū)的存在仍屬小范圍屈服條件，但其影響不可忽略，一般對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行修正，如對(duì)于工業(yè)上廣泛應(yīng)用的中低強(qiáng)度鋼，由于s低，而KIC又高，則(KIC/s)2比較大。這時(shí)只有當(dāng)構(gòu)件厚度尺寸

47、很大時(shí)，一般認(rèn)為板厚B 2.5 (KIC/s)2，即d為rP的25倍左右(如厚壁容器)，構(gòu)件內(nèi)部裂紋尖端塑性區(qū)相對(duì)尺寸才比較小，這時(shí)通過對(duì)塑性區(qū)進(jìn)行修正，可應(yīng)用線彈性斷裂判據(jù)解決問題。如果中小型構(gòu)件塑性區(qū)相對(duì)尺寸很大。這時(shí)裂端區(qū)已大范圍屈服，不再適用線彈性斷裂力學(xué)，必須采用彈塑性斷裂力學(xué)的判據(jù)來解決問題,對(duì)厚板穿透裂紋裂尖塑性區(qū)的修正：即把裂紋尖端塑性變形看作相對(duì)于使裂紋長(zhǎng)度較實(shí)際尺寸a增加了a，等效裂紋長(zhǎng)度為ae= a+a，即ae= a+rp，0,2-13,用式(2-13)的ae代替式(2-8)的a，即KI=Y ae ，則可以用線彈性斷裂力學(xué)的判據(jù)KI KIC解釋裂尖區(qū)小范圍屈服的斷裂問題。

48、裂紋尖端的塑性區(qū)相當(dāng)于使裂紋增長(zhǎng)了。因而在同樣的拉伸應(yīng)力作用下，應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI 比原來提高了,不考慮塑性區(qū),2-13,考慮塑性區(qū) 以 作為裂紋當(dāng)量半長(zhǎng)，得,例子：如厚l0 mm、寬200 mm的乎板兩端承受均勻拉伸應(yīng)力640MPa，板中央有一20 mm長(zhǎng)的穿透裂紋鋼板的s1200MPa。該板屬于平面應(yīng)力狀態(tài),a裂紋張開位移理論 裂紋張開位移理論又稱為COD理論，COD理論原來是建立在大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上的經(jīng)驗(yàn)性的方法，隨后才出現(xiàn)對(duì)COD方法的解釋理論。實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果都證實(shí)，裂紋體受力后，裂紋尖端附近存在高應(yīng)力(s)的塑性區(qū)使得裂紋面分離，裂紋尖端有張開的位移(見圖2-32)。COD理論認(rèn)為，當(dāng)

49、裂紋尖端張開位移達(dá)到材料的臨界值c時(shí)，裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生斷裂。有COD判據(jù)為 c （2-14,2）彈塑性斷裂力學(xué)簡(jiǎn)介,大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，對(duì)于一種材料來說，裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，尖端的張開位移c是材料常數(shù)，與試祥的幾何尺寸、加載方式等無關(guān)，是材料對(duì)裂紋擴(kuò)展阻力的量度，是材料彈塑性斷裂韌性的指標(biāo)，與溫度有關(guān)。c是裂紋開裂臨界值，不是裂紋最后失穩(wěn)的臨界值。因此c稱為啟裂斷裂韌度,構(gòu)件中存在長(zhǎng)度為2a的穿透裂紋，裂紋張開位移的計(jì)算因裂紋塑性區(qū)建模不同有不同的表示公式。其中窄條形塑性區(qū)簡(jiǎn)化模型的解析解應(yīng)用較廣,2-15,式(2-15)是COD理論的基本公式，用位錯(cuò)理論導(dǎo)出來的結(jié)果完全一樣：當(dāng)構(gòu)件斷裂應(yīng)力比s

50、小得多時(shí)，式(2-15)與線彈性斷裂力學(xué)得到結(jié)果也完全一致,因?yàn)镵I= a ，所以,2-16,材料的臨界COD值c， 按GB 2358在實(shí)驗(yàn)室中用小試樣即可測(cè)出。由于COD理論應(yīng)用在線彈性范圍內(nèi)與線彈性斷裂力學(xué)是等價(jià)的，因而可通過測(cè)出的c 而求出久KIC,2-17,將式(2-15)按級(jí)數(shù)展開，并當(dāng) 較小時(shí)，近似地只取第一項(xiàng)，得,3 金屬構(gòu)件常見失效形式及其判斷,3.1 變形失效 在常溫或溫度不很高的情況下的變形失效主要有彈性變形失效和塑性變形失效，彈性變形失效主要是變形過量或喪失原設(shè)計(jì)的彈性功能，塑性變形失效一般是變形過量。在高溫下的變形失效有蠕變失效和熱松弛失效,1、金屬構(gòu)件的彈性變形失效,

51、E,1)彈性變形 在彈性狀態(tài)下，固體材料吸收了加裁的能量，依靠原子間距的變化而產(chǎn)生變形，但因未超過原子之間的結(jié)合力，當(dāng)卸裁時(shí)，全部能量釋放，變形完全消失，恢復(fù)材料的原樣,要有好的彈性，應(yīng)從提高材料的彈性極限及降低彈性模量入手,2)金屬彈性變形的特點(diǎn),a可逆性 金屬材料的彈性變形具有可逆的性質(zhì)，即加載時(shí)產(chǎn)生，卸載后恢復(fù)到原狀的性質(zhì)。 b單值性 金屬材料在彈性變形過程中，不論是加載階段還是卸載階段，只要在緩慢的加載條件下，應(yīng)力與應(yīng)變都保持正比的單值對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，即符合虎克定律。 c 變形量很小 金屬的彈性變形主要發(fā)生在彈性階段，但在塑性階段也伴隨著發(fā)生定量的彈性交形。但兩個(gè)階段彈性變形的總量是很

52、小的，加起來一般小于0.5%-1.0,3)過量的彈性變形失效,構(gòu)件產(chǎn)生的彈性變形量超過構(gòu)件匹配所允許的數(shù)值，稱為過量的彈性變形失效。判斷方法如下： 失效的構(gòu)件是否有嚴(yán)格的尺寸匹配要求，是否有高溫或低溫的工作條件。 注意觀察在正常工作時(shí)，構(gòu)件互相不接觸，而又很靠近的表面上是否有劃傷、擦傷或磨損的痕跡。只要觀察到這種痕跡而且構(gòu)件停工時(shí)，構(gòu)件相互間仍有間隙，便可作為判斷的依據(jù)。 在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形的影響及采取了相應(yīng)的措施。 通過計(jì)算驗(yàn)證是否有過量彈性變形的可能。 由于彈性變形是晶格的變形，可用x射線法測(cè)量金屬在受載時(shí)的晶格常數(shù)的變化驗(yàn)證是否符合要求,4)失去彈性功能的彈性變形失效 當(dāng)構(gòu)件的彈

53、性變形已不遵循變形可逆性、單值對(duì)應(yīng)性及小變形量的特性時(shí)，則構(gòu)件失去了彈性功能而失效,5)彈性變形失效的原因及防護(hù)措施 過載、超溫或材料變質(zhì)是構(gòu)件產(chǎn)生彈件變形失效的原因。預(yù)防措施： 選擇合適的材料或構(gòu)件結(jié)構(gòu)。 確定適當(dāng)?shù)臉?gòu)件匹配尺寸或變形的約束條件。對(duì)于拉壓變形的桿柱類零件、彎扭變形的軸類零件，其過量的彈性變形都會(huì)因構(gòu)件喪失配合精度導(dǎo)致動(dòng)作失誤，要求精確計(jì)算可能產(chǎn)生的彈性變形及變形約束而達(dá)到適當(dāng)?shù)呐浜铣叽纭?采用減少變形影響的連接件，如皮帶傳動(dòng)、軟管連接、柔性軸、橢圓管板等,2、金屬構(gòu)件的塑性變形失效 (1)塑性變形 塑性表示材料中的應(yīng)力超過屈服極限后，能產(chǎn)生顯著的不可逆變形而不立即破壞的性態(tài)。

54、這種顯著且不可逆的變形稱為塑性變形。通常反映材料塑性性能優(yōu)劣的指標(biāo)是伸長(zhǎng)率和斷面收縮牢。伸長(zhǎng)率和斷而收縮率越高，則塑性越好。金屬的塑性變形一般可看作是晶體的缺陷運(yùn)動(dòng)。 (2)金屬塑性變形的特點(diǎn) a不可逆性 金屬材料的塑性交形是不可恢復(fù)的，當(dāng)材料應(yīng)力等于或高于屈服極限后產(chǎn)生的變形，在卸裁后，其變形仍然保留在材料內(nèi)。塑性交形的微觀機(jī)制表明，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖使晶體實(shí)現(xiàn)一個(gè)晶面在另一個(gè)晶面上的逐步滑移，宏觀表征是卸載后塑性變形保留至可觀察及測(cè)量,b變形量不恒定 金屬是多晶體，各個(gè)晶粒取向不同，晶面滑移先后不同，從面使各晶粒變形有不同時(shí)性及不均勻性。一個(gè)構(gòu)件在各個(gè)部位的塑性變形量不相同，因而個(gè)別塑性變形量

55、大的部位將出現(xiàn)材料的不連續(xù)(成為斷裂失效的裂源)。 c慢速變形 金屬的彈性變形是以聲速傳播的，但塑性變形的傳播是很慢的。 d伴隨材料性能的變化 這主要是因?yàn)樗苄宰冃螘r(shí)，金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及增殖實(shí)現(xiàn)了晶面的滑移，亞晶結(jié)構(gòu)形成；晶粒歪扭，微裂紋等缺陷產(chǎn)生。如在材料加工中，隨塑性交形量增加，即產(chǎn)生了加工硬化，原因是位錯(cuò)密度增加、位錯(cuò)纏結(jié)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)相互作用及運(yùn)動(dòng)阻力增加，其宏觀表現(xiàn)就是應(yīng)變硬化,3)塑性變形失效 金屬構(gòu)件產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值稱為塑性變形失效。其變形失效判斷以影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能為依據(jù),4)塑性變形失效的原因及預(yù)防措施 構(gòu)件塑性變形失效的原因主要是過載，使構(gòu)件

56、的受力過大，出現(xiàn)影響構(gòu)件使用功能的過量的塑性變形。過載不僅是對(duì)構(gòu)件承受的外載荷估計(jì)不足，還應(yīng)該包括偏載引起局部應(yīng)力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算誤差及應(yīng)力集中、加工及熱處理產(chǎn)生殘余應(yīng)力、材料微觀不均勻的附加應(yīng)力等因素，使構(gòu)件受力不均，局部區(qū)域的總應(yīng)力超值,塑性變形失效預(yù)防措施： 合理選材，提高金屬材料抵抗塑性變形的能力，除了選擇合適的屈服強(qiáng)度的材料，還要保證金屬材料質(zhì)量，控制組織狀態(tài)及冶金缺陷。 準(zhǔn)確地確定構(gòu)件的工作載荷，正確進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理選取安全系數(shù)及進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少應(yīng)力集中及降低應(yīng)力集中水平。 嚴(yán)格按照加工工藝規(guī)程對(duì)構(gòu)件成形，減少殘余應(yīng)力。 嚴(yán)禁構(gòu)件運(yùn)行超載。 監(jiān)測(cè)腐蝕環(huán)境構(gòu)件強(qiáng)度尺寸的減小,3

57、、高溫作用下金屬構(gòu)件的變形失效 金屬構(gòu)件在高溫長(zhǎng)時(shí)間作用下，即使其應(yīng)力恒小于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)該變形量超過規(guī)定的要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的塑性變形失效。此時(shí)所稱的高溫為高于0.3Tm(Tm是以絕對(duì)溫度表示的金屬材料的熔點(diǎn))，一般情況下碳鋼構(gòu)件在300以上，低合金強(qiáng)度鋼構(gòu)件在400以上,1)蠕變變形失效 金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變,蠕變曲線可分為三個(gè)階段： 第階段ab是減速蠕變階段 第階段bc是恒速蠕變階段 第階段cd是加速蠕變階段,壓力容器的蠕變變形量一般規(guī)定在105h為1，即蠕變速率為10-7mm(mmh,特

58、點(diǎn)：蠕變變形失效也是一種塑性變形失效，有塑性變形失效的特點(diǎn)，但蠕變失效并不一定是過載，只是載荷大時(shí)，蠕變變形失效的時(shí)間短，恒速蠕變階段蠕變速度大。高溫下不僅有蠕變變形引起的構(gòu)件外部尺寸的變化，還有金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特有的變化，導(dǎo)致高溫力學(xué)性能下降、構(gòu)件承載能力 降、蠕變速度加快、失效加快。 衡量指標(biāo)：材料抵抗蠕變的能力用蠕變極限及持久強(qiáng)度來衡量。蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷下材料抵抗塑性變形的抗力指標(biāo)，用給定溫度下材料產(chǎn)生規(guī)定蠕變速率的應(yīng)力值或材料產(chǎn)生一定蠕變變形量的應(yīng)力值來表示。持久強(qiáng)度則是材料在高溫長(zhǎng)期載荷下，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力值。材料的蠕變極限及持久強(qiáng)度高，則抗高溫蠕變性能好。 預(yù)防措施：

59、選用抗蠕變性能合適的材料與防止裝備中構(gòu)件的超溫使用,典型例子,圖 3-5過熱管蠕變變形及脹裂,2)應(yīng)力松弛變形失效 金屬的蠕變是在應(yīng)力不變的條件下，構(gòu)件不斷產(chǎn)生塑性變形的過程；而金屬的松弛則是在總變形不變的條件下，構(gòu)件彈性變形不斷轉(zhuǎn)為塑性變形從而使應(yīng)力不斷降低的過程。處于應(yīng)力松弛條件的構(gòu)件，在定的溫度下，彈性變形量與塑性變形量的變化可用下式表示： 總變形量 0彈塑常數(shù),金屬的應(yīng)力松弛曲線: 第階段持續(xù)時(shí)間較短，應(yīng)力隨時(shí)間增加而急劇下降； 第階段持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，應(yīng)力緩慢下降。而且往往經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間仍然看不到松弛的下限應(yīng)力。 在某一時(shí)間段上構(gòu)件所保持的應(yīng)力稱為殘余應(yīng)力,松弛穩(wěn)定性的衡量指標(biāo)：材料抵抗應(yīng)力

60、松弛的性能稱為松弛穩(wěn)定性，用殘余應(yīng)力殘來衡量。殘余應(yīng)力高則松弛穩(wěn)定性好。 構(gòu)件在高溫長(zhǎng)期使用中都會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛的問題，當(dāng)殘余應(yīng)力降低至影響構(gòu)件執(zhí)行正常功能時(shí)，則產(chǎn)生應(yīng)力松弛失效或松弛變形失效。 預(yù)防高溫松弛失效的措施：是選用松弛穩(wěn)定性好的材料。對(duì)緊固性構(gòu)件的實(shí)際使用也可以在構(gòu)件使用過程中對(duì)其進(jìn)行一次或多次再緊固，即在構(gòu)件應(yīng)力松弛到一定程度時(shí)重新緊固，這是經(jīng)濟(jì)而又有效的方法。但要注意到再緊固會(huì)對(duì)松弛性能有所影響，因?yàn)槊窟M(jìn)行一次再緊固，材料都產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘余應(yīng)力有所下降，隨著塑性應(yīng)變的總量增加，材料最終是會(huì)斷裂的,3.2 斷裂失效 斷裂是金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下材料分離為互不相連的兩個(gè)或兩個(gè)以上部分