變形失效課件

§金屬構(gòu)件常見(jiàn)失效形式——變形2目錄工程材料靜拉伸時(shí)的力學(xué)性能1彈性變形失效2塑性變形失效3蠕變失效431工程材料靜拉伸時(shí)的力學(xué)性能拉伸性能 通過(guò)拉伸試驗(yàn)可測(cè)量出材料的彈性、強(qiáng)度、塑性、應(yīng)變硬化和韌度等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，它是材料的基本力學(xué)性能。拉伸性能的作用、用途在工程應(yīng)用中，拉伸性能是結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一；提供預(yù)測(cè)材料的其它力學(xué)性能的參量，如抗疲勞、斷裂性能。5典型材料的力---伸長(zhǎng)曲線(xiàn)1.大多數(shù)純金屬(Al,Cu,Au,Ag)：變形分為三個(gè)階段，無(wú)屈服塑性變形階段2.脆性材料（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼及高碳合金鋼）：只有彈性變形階段，少量或無(wú)塑性變形3.高彈材料(橡膠)：只有非線(xiàn)性彈性變形一個(gè)階段，且彈性變形能力強(qiáng)，彈性變形率可達(dá)100～1000％4.工程塑料：有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形，因鍵合方式、成分和組織狀態(tài)不同而不同61.2應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)1.應(yīng)力條件(工程)應(yīng)力：σ=F/A0A0-原始截面尺寸真應(yīng)力：S=F/AA-瞬時(shí)截面面積2.應(yīng)變定義:試樣標(biāo)距內(nèi)單位長(zhǎng)度（或原面積）上的伸長(zhǎng)率（或收縮）條件應(yīng)變：工程伸長(zhǎng)應(yīng)變?chǔ)?（L-L0）/L0截面收縮應(yīng)變?chǔ)?（A0-A）/A0真應(yīng)變：因試樣長(zhǎng)度在不斷變化，某一瞬時(shí)拉伸試樣的長(zhǎng)為L(zhǎng)，載荷增dF,伸長(zhǎng)dL.則該瞬時(shí)形變率為dL/L,總形變率--真應(yīng)變e=ln(L/L0)=ln(1+ε)注：真應(yīng)變小于工程應(yīng)變；S=σ(1+ε)，S>σ。781.3真應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)在彈性變形階段,工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)與真應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)差別不大,但在塑性變形階段,差別顯著。工程上應(yīng)用工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)，材料研究中應(yīng)用真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線(xiàn).102）強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力σp(比例極限)：應(yīng)力-應(yīng)變符合線(xiàn)性關(guān)系σe(彈性極限)：加載再卸載，不出現(xiàn)殘留永久變形的最 高應(yīng)力σs(屈服極限)：開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力值，表征材料對(duì)微量 塑性變形的抗力σb(抗拉極限)：極限載荷對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，表征材料極限承載 能力σk(斷裂極限)：材料發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力值1.4靜載性能指標(biāo)124）彈性：物體受外力作用變形后，除去作用力時(shí)能恢復(fù)原來(lái)形狀的性質(zhì)1.4靜載性能指標(biāo)14布氏硬度計(jì)布氏硬度15洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

16維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕17外力引起原子間距的變化（偏離平衡位置），即產(chǎn)生位移，位移的總和在宏觀(guān)上表現(xiàn)為材料的變形。將外力去除后，原子依靠彼此之間的作用力又回到原來(lái)的平衡位置，宏觀(guān)變形消失，表現(xiàn)為彈性變形的可逆性。將原子間作用力與原子間距近似看成線(xiàn)性關(guān)系，就是所謂的胡克定律σ＝E·ε2彈性變形失效2.1理想彈性變形彈性變形的特點(diǎn)①可逆性②單值性(線(xiàn)性)③變形量很小18滯彈性：材料在快速加載或卸載后，隨時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生的附加彈性應(yīng)變的性能粘彈性：材料在外力作用下，粘性和彈性?xún)煞N變形機(jī)理同時(shí)存在的力學(xué)行為偽彈性：在一定溫度條件下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定水平后，金屬或合金將由應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，伴隨應(yīng)力誘發(fā)相變產(chǎn)生大幅度彈性變形的現(xiàn)象包申格效應(yīng)：金屬材料經(jīng)預(yù)先加載產(chǎn)生少量塑性變形（殘余應(yīng)變小于4%），而后再同向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力增加，反向加載，規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力降低的現(xiàn)象內(nèi)耗：?jiǎn)蜗蚣虞d或交變加載一個(gè)周期形成的彈性滯后環(huán)所代表的能量損失2.2非理想彈性20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)定功能時(shí)，就叫做過(guò)量彈性變形失效。是指因構(gòu)件和零件剛性不足，在受力過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的彈性變形或彈性失穩(wěn)，而導(dǎo)致的失效。這種變形為彈性變形，是受力作用時(shí)的必然結(jié)果，一般不會(huì)引起麻煩。但在一些精密機(jī)械中，對(duì)零件的尺寸和匹配關(guān)系要求嚴(yán)格，當(dāng)彈性變形超過(guò)規(guī)定的限量(在彈性極限以?xún)?nèi))時(shí)，會(huì)造成零件的不正常匹配關(guān)系(如鏜床的鏜桿的過(guò)量彈性變形會(huì)降低被加工零件的精度甚至造成廢品；齒輪軸的過(guò)量彈性變形會(huì)影響齒輪的正常嚙合，加速磨損，增加噪聲；彈簧的過(guò)量彈性變形會(huì)影響其減振和儲(chǔ)能驅(qū)動(dòng)作用)。2.3過(guò)量的彈性變形失效21例：鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)約為12×10－6℃－1，是青銅的一半，如果用2Crl3不銹鋼作軸，用青銅作軸瓦，這樣的結(jié)構(gòu)在常溫下可以很好地工作，但當(dāng)溫度很低時(shí)，就會(huì)因軸的收縮遠(yuǎn)小于軸瓦的收縮而發(fā)生抱軸現(xiàn)象。工作載荷和(或)溫度使零件產(chǎn)生的彈性變形量超過(guò)零件匹配所允許的數(shù)值時(shí)，就將導(dǎo)致彈性變形失效。23(2)在失效分析時(shí)，應(yīng)注意觀(guān)察在正常工作下相互接觸的配合表面上是否有劃傷、擦痕或磨損等痕跡；(3)在設(shè)計(jì)時(shí)是否考慮了彈性變形(包括熱膨脹變形)的影響，并采取了相應(yīng)的措施；(4)通過(guò)計(jì)算來(lái)驗(yàn)證是否有彈性變形失效的可能。2.3.1特征及判斷方法24失效的責(zé)任幾乎全部在于設(shè)計(jì)者的考慮不周、計(jì)算錯(cuò)誤或選材不當(dāng)，故防止措施主要應(yīng)從設(shè)計(jì)方面考慮。1．選擇合適的材料或結(jié)構(gòu)如果由機(jī)械應(yīng)力引起的彈性變形是主要問(wèn)題，則可以根據(jù)具體的要求選用適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

2.3.2防止措施262.確定適當(dāng)?shù)钠ヅ涑叽?/p>

彈性變形量是可以計(jì)算的，這種尺寸的變化應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)加以考慮。低溫度下工作的機(jī)件，其間隙不僅應(yīng)保證在常溫下正常工作，而且還要確保在低溫下尺寸變化后仍能正常工作。對(duì)于幾何形狀復(fù)雜、難于計(jì)算的零件可通過(guò)試驗(yàn)來(lái)解決。3.采用減少變形影響的轉(zhuǎn)接件

在系統(tǒng)中采用軟管等柔性構(gòu)件，可顯著減少?gòu)椥宰冃蔚挠泻τ绊憽?/p>

2.3.2防止措施273.1概述塑性變形：零件受力后產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形。在零件正常工作時(shí)，塑性變形一般是不允許的，它的出現(xiàn)說(shuō)明零件受力過(guò)大。但也不是出現(xiàn)任何程度的塑性變形都一定導(dǎo)致失效。

塑性變形失效：當(dāng)受載荷的構(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)定功能時(shí)的現(xiàn)象3塑性變形失效（屈服失效）28例：某廠(chǎng)的洗滌塔為高20.5m、直徑3.5m、壁厚8mm的圓筒結(jié)構(gòu)，用于精洗煤氣。在輸入煤氣前，先用蒸汽沖洗洗滌塔約3min，塔內(nèi)溫度約為70℃。其后，錯(cuò)誤地關(guān)閉了放散閥，又錯(cuò)誤地向塔內(nèi)噴冷水，致使塔內(nèi)冷凝加快形成負(fù)壓。在外部大氣壓力下，塔壁收縮內(nèi)陷，導(dǎo)致從塔頂至底部發(fā)生整體歪扭，中部呈細(xì)頸狀，產(chǎn)生屈服失效。

3塑性變形失效（屈服失效）30

兩個(gè)互相接觸的曲面之間，存在有靜壓應(yīng)力，可使匹配的一方或雙方產(chǎn)生局部屈服形成局部的凹陷，嚴(yán)重者會(huì)影響其正常工作，這稱(chēng)為過(guò)載壓痕損傷，是屈服失效的一種特殊形式。

例如：滾珠軸承在開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)前，如果靜載過(guò)大，鋼球?qū)喝霛L道，使其型面受到破壞。這樣的軸承在隨后的工作中就會(huì)使振動(dòng)加劇而導(dǎo)致早期失效。過(guò)載壓痕損傷：3塑性變形失效（屈服失效）313.3防止和改進(jìn)措施1.降低實(shí)際應(yīng)力(1)降低工作應(yīng)力

降低工作應(yīng)力可從增加零件的有效截面積和減少工作載荷兩個(gè)方面考慮。準(zhǔn)確地確定零件的工作載荷，正確地進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，合理地選取安全系數(shù)，并注意不要在使用中超載。

3塑性變形失效（屈服失效）32(2)減少殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力的大小與工藝因素有關(guān)。應(yīng)根據(jù)零件和材料的具體特點(diǎn)和要求，合理地制定工藝流程，采取相應(yīng)的措施，以便將殘余應(yīng)力控制在最低限度。(3)降低應(yīng)力集中應(yīng)力集中對(duì)塑性變形和斷裂失效都會(huì)產(chǎn)生重要影響3.3防止和改進(jìn)措施332．提高材料的屈服強(qiáng)度

零件的實(shí)際屈服強(qiáng)度與選用的材料、狀態(tài)以及冶金質(zhì)量有關(guān)，因此，必須依據(jù)具體情況合理選材，嚴(yán)格控制材質(zhì)，正確制定和嚴(yán)格控制工藝過(guò)程。具體問(wèn)題要具體分析，要依據(jù)失效分析的結(jié)果有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施。

3.3防止和改進(jìn)措施344.1概述蠕變失效：金屬零件在應(yīng)力（可能小于σs）和高溫（T>0.3Tm）的長(zhǎng)期作用下，緩慢產(chǎn)生永久變形而導(dǎo)致的失效。蠕變變形機(jī)理：位錯(cuò)滑移、原子擴(kuò)散、晶界滑動(dòng)。產(chǎn)生條件：1)材料長(zhǎng)時(shí)間處于加熱當(dāng)中或者在熔點(diǎn)附近時(shí)，蠕變產(chǎn)生，且隨著溫度升高而加?。?)蠕變失效在高于某一定溫度的條件下才能進(jìn)行；3)應(yīng)力可能小于σs。4蠕變失效354蠕變失效4.2蠕變的一般規(guī)律36第一階段：稱(chēng)為減速蠕變階段，蠕變速率由快逐漸變緩，到B點(diǎn)時(shí)蠕變速率達(dá)到最小值第二階段：稱(chēng)為恒速蠕變階段，這一階段蠕變速率基本不變，在全過(guò)程中占據(jù)較大的比例第三階段：稱(chēng)為加速蠕變階段，表現(xiàn)為蠕變速率加快，最后導(dǎo)致斷裂4.2蠕變的一般規(guī)律374.3蠕變變形失效的特點(diǎn)①蠕變變形失效是塑性變形失效，但不一定是過(guò)載，只是載荷大時(shí)，蠕變變形失效時(shí)間短，恒速蠕變階段蠕變速度大；②高溫下不但變形引起尺寸變化，還有金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，如珠光體球化、石墨化、碳化物聚集、長(zhǎng)大、再結(jié)晶以及合金元素的重新分布；③用蠕變極限及持久強(qiáng)度來(lái)恒量材料抵抗蠕變的能力。蠕變極限：給定溫度下材料產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的最大應(yīng)力或者材料產(chǎn)生一定蠕變變形量的最大應(yīng)力。持久強(qiáng)度：材料在一定的溫度下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不發(fā)生蠕變斷裂的最大應(yīng)力381.特征1）蠕變變形的速度很緩慢?？梢愿鶕?jù)零件的具體工況來(lái)分析，是否存在產(chǎn)生蠕變的條件(溫度、應(yīng)力和時(shí)間)。2）在蠕變斷口的最終斷裂區(qū)上，撕裂嶺不如常溫拉伸斷口上的清晰。斷口附近的晶粒形狀往往不出現(xiàn)拉長(zhǎng)的情況，有時(shí)能見(jiàn)到蠕變孔洞。4.3蠕變的特征及判斷392.蠕變失效的鑒別方法1）工況差別

需要較高的工作溫度和較長(zhǎng)的服役時(shí)間。2）斷口形貌的差別塑性斷口上韌窩非常清晰，微孔聚合的部位比較尖銳，呈現(xiàn)白亮線(xiàn)條。蠕變斷口上，微孔聚合的地方比較鈍，沒(méi)有明顯的白亮線(xiàn)。蠕變斷口上，有可能看到氧化色，有時(shí)還能見(jiàn)到蠕變孔洞。3）斷口附近的金相組織蠕變多為沿晶斷裂，而塑性斷裂多為穿晶型斷裂。4.3蠕變的特征及判斷401．設(shè)計(jì)方面正確地選擇材料和確定零件尺寸。材料發(fā)生蠕變是由于回復(fù)和再結(jié)晶，位錯(cuò)密度降低，碳化物的球化或石墨化，第二相析出或聚集等原因所引起。所以選用高強(qiáng)耐熱鋼、合適的熱處理、適當(dāng)?shù)暮辖鸹韧緩?，增加金屬的形變硬化能力，提高其回?fù)和再結(jié)晶溫度，可以提高材料的抗蠕變能力。4.4提高蠕變抗力的措施412．制造方面嚴(yán)格質(zhì)量管理，避免不符合技術(shù)規(guī)范的零件裝配產(chǎn)品，這對(duì)失效周期較長(zhǎng)的產(chǎn)品，尤為重要。當(dāng)然，具體的措施應(yīng)在產(chǎn)品服役中的失效分析基礎(chǔ)上形成。3．使用上采用措施超負(fù)荷使用是產(chǎn)生蠕變失效的常見(jiàn)原因，因此在使用中嚴(yán)格控制使用條件，是提高產(chǎn)品壽命和