失效分析——材料強(qiáng)與斷裂基本概念學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1失效分析失效分析(fnx)材料強(qiáng)與斷裂基本概材料強(qiáng)與斷裂基本概念念第一頁，共25頁。1基本概念第1頁/共24頁第二頁，共25頁。束德林：金屬束德林：金屬(jnsh)力學(xué)性能，機(jī)械工業(yè)出版社，力學(xué)性能，機(jī)械工業(yè)出版社，TG113.2/S-253，TG113.2/S-253.2孫茂才：金屬孫茂才：金屬(jnsh)力學(xué)性能，哈工大出版社，力學(xué)性能，哈工大出版社， TB3-51/C-532/10徐積善：強(qiáng)度理論及其應(yīng)用，水電出版社，徐積善：強(qiáng)度理論及其應(yīng)用，水電出版社， TG0346/X-432鄭修麟：材料力學(xué)性能，西北工大出版社，鄭修麟：材料力學(xué)性能，西北工大出版社， TG13301/Z-8

2、83楊道明：金屬楊道明：金屬(jnsh)力學(xué)性能與失效分析，冶金工業(yè)出版社，力學(xué)性能與失效分析，冶金工業(yè)出版社， TG115/Y-254俞茂宏，強(qiáng)度理論研究進(jìn)展，西安交大出版社，俞茂宏，強(qiáng)度理論研究進(jìn)展，西安交大出版社， TG0346/Y-526楮武揚(yáng)，斷裂與環(huán)境斷裂，冶金工業(yè)出版社，楮武揚(yáng)，斷裂與環(huán)境斷裂，冶金工業(yè)出版社， TG111.91第2頁/共24頁第三頁，共25頁。 本課程主要內(nèi)容：本課程主要內(nèi)容： 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)(l xu)(l xu)基礎(chǔ)（線彈性條件下的斷裂韌性和斷裂應(yīng)基礎(chǔ)（線彈性條件下的斷裂韌性和斷裂應(yīng)力，缺口斷裂力學(xué)力，缺口斷裂力學(xué)(l xu)(l xu)及缺口斷裂韌性；彈

3、塑性條件下裂紋及缺口斷裂韌性；彈塑性條件下裂紋前端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及斷裂韌性）。前端的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及斷裂韌性）。 斷裂物理基礎(chǔ)（斷裂類型及斷裂強(qiáng)度；韌斷與脆斷的特點(diǎn)斷裂物理基礎(chǔ)（斷裂類型及斷裂強(qiáng)度；韌斷與脆斷的特點(diǎn)、斷裂判據(jù)及斷口特征）。、斷裂判據(jù)及斷口特征）。 斷裂的微觀機(jī)理（裂紋的形成理論與裂紋擴(kuò)展途徑分析）斷裂的微觀機(jī)理（裂紋的形成理論與裂紋擴(kuò)展途徑分析）。韌化原理及工藝（影響韌性的因素及韌化工藝）。韌化原理及工藝（影響韌性的因素及韌化工藝）。 疲勞斷裂（疲勞斷裂的機(jī)理，疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，疲疲勞斷裂（疲勞斷裂的機(jī)理，疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，疲勞短裂紋及疲勞的閉合效應(yīng)）。勞短裂紋及疲勞的閉合效

4、應(yīng)）。 環(huán)境斷裂（氫致斷裂的機(jī)理及力學(xué)環(huán)境斷裂（氫致斷裂的機(jī)理及力學(xué)(l xu)(l xu)參量；應(yīng)力腐蝕參量；應(yīng)力腐蝕機(jī)理及表征參量；高溫蠕變變形與斷裂機(jī)理）。機(jī)理及表征參量；高溫蠕變變形與斷裂機(jī)理）。 第3頁/共24頁第四頁，共25頁。 1.1.1 金屬(jnsh)的常規(guī)性能指標(biāo) 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)拉伸拉伸(l shn)(l shn)曲線示意圖曲線示意圖 第4頁/共24頁第五頁，共25頁。 1.1.1 金屬(jnsh)的常規(guī)性能指標(biāo) 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)拉伸拉伸(l shn)(l shn)曲線示意圖曲線示意圖 第5頁/共24

5、頁第六頁，共25頁。 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo)：比例極限p應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系的最大應(yīng)力。彈性極限e材料由彈性變形過渡到彈-塑性變形的應(yīng)力。應(yīng)力超過(chogu)彈性極限，即開始發(fā)生塑性變形。微量塑性變形。不允許有微量塑性變形的零件，應(yīng)根據(jù)此極限設(shè)計(jì)。屈服極限金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力。屈服點(diǎn)s屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，有上、下屈服極限。屈服強(qiáng)度0.2規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余伸長的應(yīng)力?？估瓘?qiáng)度（強(qiáng)度極限）b試樣拉斷前最大載荷所決定的條件臨界應(yīng)力。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：e （0.01） ， S（0.2），b1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第6頁/共24頁第七頁，共25頁。 1.

6、1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)塑性指標(biāo)：塑性斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力伸長率K斷裂后試樣標(biāo)距長度的相對(duì)伸長值。標(biāo)距的絕對(duì)伸長與試樣原標(biāo)距的比值， 。伸長率與試樣原始標(biāo)距長度有關(guān)，5，10斷面(dun min)收縮率斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮值， ，與試樣尺寸無關(guān)。 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)%10000lllKK%10000FFFK第7頁/共24頁第八頁，共25頁。 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)硬度 衡量金屬材料軟硬程度(chngd)的一種性能指標(biāo)。表征著材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化、強(qiáng)度和韌性等一系列不同物理量組合的一種綜合性能指標(biāo)，不是一個(gè)單純的物理量，試驗(yàn)方法不同，

7、其物理意義也不同。 一般可以認(rèn)為硬度是金屬表面抵抗局部壓入變形或刻劃破裂的能力。 壓入法、刻劃法。 壓入法靜載和動(dòng)載。 靜載布氏、洛氏、維氏硬度。 動(dòng)載肖氏硬度。 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第8頁/共24頁第九頁，共25頁。 布氏硬度HBxxxX：一定直徑的鋼球壓入試件，用壓入深度表征材料的硬度。測(cè)量壓入坑的直徑。 一般用于測(cè)試有色金屬、調(diào)質(zhì)和正火、退火態(tài)的黑色金屬。 根據(jù)硬度范圍和試件尺寸選擇試驗(yàn)時(shí)的鋼球和載荷大小。 洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用120的金剛石圓錐或直徑1.588mm壓入試件，測(cè)量壓入深度，以深度大小表征材料的硬度值。 一般用于測(cè)量淬火回火態(tài)的

8、鋼試件。 表面硬度計(jì)：用小載荷加壓，用于測(cè)量薄試件、氮化層、滲碳層、金屬鍍層等的硬度。 維氏硬度及顯微硬度HV：用金剛石的正四棱錐體壓入試件，測(cè)量壓痕對(duì)角線長度。 肖氏硬度HS：動(dòng)載試驗(yàn)法。用一定質(zhì)量的帶有金剛石圓頭或鋼球的重錘，從一定高度落下(lu xi)，根據(jù)鋼球回跳的高度來衡量試件的硬度。 肖氏硬度只能在相同彈性模量的材料之間進(jìn)行硬度對(duì)比。 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第9頁/共24頁第十頁，共25頁。 1.1.1 金屬的常規(guī)性能指標(biāo)硬度和抗拉強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)(jngyn)關(guān)系：未淬硬鋼：b=0.362HB HB175b =0.345HB HB175b =2.641

9、03/（130-HRB） HRB90b =2.61103/（130-HRB） 100HRB90碳鋼：b =2.5HSb =51.32104/（100-HRC）2 HRC27灰鑄鐵：b =（HB-40）/6b =48.46104/（100-HRC）2 40HRC27鑄鋼：b =（0.30.4）HB HRC40b =8.61103/（100-HRC） HRC40 1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第10頁/共24頁第十一頁，共25頁。 1.1.2 金屬(jnsh)的其它性能指標(biāo)扭轉(zhuǎn)彎曲壓縮1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第11頁/共24頁第十二頁，共25頁。扭

10、轉(zhuǎn)試驗(yàn)：材料扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)：材料(cilio)的剪切扭轉(zhuǎn)機(jī)械性能。鉚釘、傳動(dòng)主軸等工件的剪切扭轉(zhuǎn)機(jī)械性能。鉚釘、傳動(dòng)主軸等工件。1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)第12頁/共24頁第十三頁，共25頁。彎曲試驗(yàn)：彎曲試驗(yàn)： 表面強(qiáng)度。表面強(qiáng)度。 脆性材料，表面處理的工脆性材料，表面處理的工件。鑄鐵件。鑄鐵(zhti)，焊接接頭等，焊接接頭等。評(píng)定塑性材料的塑性。評(píng)定塑性材料的塑性。 三點(diǎn)彎曲法。三點(diǎn)彎曲法。1.1 金屬金屬(jnsh)機(jī)械性能指標(biāo)機(jī)械性能指標(biāo)WMbbb第13頁/共24頁第十四頁，共25頁。 1.2.1 交變載荷在交變應(yīng)力作用下，金屬材料發(fā)生損傷的現(xiàn)象稱為(chn wi

11、)疲勞。 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度maxminr 承受承受(chngshu)交變應(yīng)力典型零件的應(yīng)力循環(huán)特征交變應(yīng)力典型零件的應(yīng)力循環(huán)特征循環(huán)循環(huán)(xnhun)特征特征第14頁/共24頁第十五頁，共25頁。 1.2.2 交變應(yīng)力下材料的抗力指標(biāo)及性質(zhì)（1）疲勞抗力 材料抵抗交變應(yīng)力作用的能力(nngl)稱為疲勞抗力。（2）疲勞抗力指標(biāo)及性質(zhì) a 疲勞極限 應(yīng)力循環(huán)變化無限次材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力r，稱該材料的疲勞極限。 b 條件疲勞極限（疲勞強(qiáng)度） 對(duì)于鋁合金等有色金屬及在高溫和腐蝕條件下工作的黑色金屬，無疲勞極限，其疲勞抗力指標(biāo)常用條件疲勞極限表示。一般規(guī)定，承受大于5107510

12、8次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力稱該材料的條件疲勞極限。 c 疲勞破壞的持久值 在一定的應(yīng)力水平下（r），破壞前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，叫疲勞破壞的持久值。 d 裂紋擴(kuò)展速率 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度nKCdNda)(第15頁/共24頁第十六頁，共25頁。 對(duì)于同一種材料對(duì)于同一種材料(cilio)，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其疲勞極限是不同的：，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其疲勞極限是不同的： 對(duì)稱彎曲對(duì)稱彎曲 -1 = 0.4 b 對(duì)稱拉壓對(duì)稱拉壓 -1 = 0.28 b 對(duì)稱扭轉(zhuǎn)對(duì)稱扭轉(zhuǎn) -1 = 0.22 b 脈動(dòng)彎曲脈動(dòng)彎曲 -1 = 0.65 b 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第16頁/共24頁第十

13、七頁，共25頁。 1.2.3 交變應(yīng)力(yngl)下的安全系數(shù) （）應(yīng)力(yngl)集中和應(yīng)變集中的影響 （）尺寸的影響 一般當(dāng)尺寸增大時(shí)，疲勞強(qiáng)度降低。尺寸的影響可用尺寸系數(shù) 來表示1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度kfK)(11缺口試件的疲勞極限光滑試件的疲勞極限111)(圖2-25 鍛鋼疲勞極限的尺寸(ch cun)系數(shù)第17頁/共24頁第十八頁，共25頁。 （3）表面加工狀態(tài)的影響(yngxing) 表面狀態(tài)對(duì)對(duì)疲勞極限的影響(yngxing)可用表面加工系數(shù)1來表示 111)(鋼件表面(biomin)加工系數(shù) 1拋光，2磨削，3精車，4粗車，5軋制，6淡水腐蝕表，7海水腐蝕表面(biom

14、in)1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第18頁/共24頁第十九頁，共25頁。 （4）表面腐蝕的影響 腐蝕環(huán)境對(duì)材料疲勞極限的影響，可用腐蝕系數(shù)(xsh)2來表示。 （5）表面強(qiáng)化的影響 一般來講，材料強(qiáng)化能提高材料的疲勞極限，特別是存在應(yīng)力集中時(shí)，效果更顯著。表面強(qiáng)化對(duì)材料疲勞極限的影響可用表面強(qiáng)化系數(shù)(xsh)3來表示。1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第19頁/共24頁第二十頁，共25頁。 1.2.4 接觸應(yīng)力(yngl) 1、接觸面間的赫茲應(yīng)力(yngl) 兩物體接觸表面附近的應(yīng)力(yngl)場(chǎng)理論是根據(jù)赫茲（Hertz）的彈性理論提出的。該理論認(rèn)為，接觸表面的接觸應(yīng)力(yngl)按橢圓規(guī)律分

15、布，其中心達(dá)最大值。 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度LERPbN52. 1LREPNj418. 0第20頁/共24頁第二十一頁，共25頁。 2、沿圓柱體接觸面的對(duì)稱平面(pngmin)（y = 0）上，各點(diǎn)的應(yīng)力分量2222222222)()(2bzbzbzbzbzbzPjNyn)(2)(422222zzbbzzbbPJNxn222212bzbbzPjNzn1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第21頁/共24頁第二十二頁，共25頁。 3、最大切應(yīng)力(yngl) 數(shù)值計(jì)算式 所在位置 jxnynyz30. 0245maxbzyz786. 045切應(yīng)力切應(yīng)力(yngl) yz（45）在）在z = 0.7

16、86 b處達(dá)最大值。處達(dá)最大值。 1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第22頁/共24頁第二十三頁，共25頁。 4、交變(jio bin)切應(yīng)力 實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的軸或齒輪，其接觸點(diǎn)是不斷變化的，因此，對(duì)零件上某一固定點(diǎn)而言，各應(yīng)力分量也是周期變化的，在只考慮法向力的情況下，交變(jio bin)切應(yīng)力 yzn的最大值在z 0 = 0.5 b處，其值 yznmax= 0.25 j。 5、摩擦力對(duì)接觸應(yīng)力的影響 當(dāng)摩擦系數(shù)為1/3時(shí)，將有如下變化： 最大主應(yīng)力分量將增加39%； 最大切應(yīng)力分量將增加43%； 最大交變(jio bin)應(yīng)力分量將增加36%； 最大切應(yīng)力所在位置，由距表面0.786 b處，移至表面，并向y方向偏離0.3 b。1.2 疲疲 勞勞 強(qiáng)強(qiáng) 度度第23頁/共24