第二章-失效分析基礎(chǔ)知識

第二章失效分析基礎(chǔ)知識2.1機械零件失效形式與來源2.1.1機械零件失效形式及原因1.按照產(chǎn)品失效的形態(tài)進行分類過量變形扭曲、拉長、脹大、蠕變、彈性元件永久變形斷裂一次加載斷裂過載環(huán)境介質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力疲勞斷裂交變應(yīng)力表面損傷磨損材料流失腐蝕化學(xué)和電化學(xué)對斷裂的分類力學(xué)脆性斷裂延性斷裂工藝鑄件鍛件焊接金相穿晶斷裂沿晶斷裂產(chǎn)品軸齒輪連接件斷裂機制微孔型斷裂解理型斷裂沿晶斷裂疲勞斷裂原因（機理模式）過載疲勞脆性環(huán)境混合斷口形貌（宏觀）纖維狀結(jié)晶狀細瓷狀貝殼人字形杯錐狀斷口形貌（微觀）微孔冰糖河流花樣臺階扇形蛇形龜板輝紋2.根據(jù)失效的誘發(fā)因素分類（力學(xué)、環(huán)境、時間）機械力引發(fā)彈性變形塑性變形斷裂疲勞剝落熱應(yīng)力引發(fā)蠕變熱松弛熱沖擊熱疲勞蠕變疲勞摩擦力引發(fā)粘著磨損磨粒磨損表面疲勞磨損沖擊磨損微動磨損咬合活性介質(zhì)引發(fā)化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕應(yīng)力腐蝕腐蝕疲勞生物腐蝕輻照腐蝕氫致?lián)p傷3.根據(jù)使用過程對失效分類失效率早期失效期使用時間使用壽命偶然失效期規(guī)定的失效率損耗失效期圖2-1浴盆曲線最佳工作期設(shè)計制造不當(dāng)老齡期4.從經(jīng)濟法的觀點對失效進行分類涉及到責(zé)任問題產(chǎn)品缺陷失效（本質(zhì)失效）產(chǎn)品質(zhì)量問題帶來的失效，責(zé)任歸生產(chǎn)單位誤用失效使用不當(dāng)造成的，用戶責(zé)任受用性失效不可抗力原因?qū)е聯(lián)p耗失效正常失效分類方法非常多，綜合使用2.1.2失效的來源1.設(shè)計的問題高應(yīng)力部位存在溝槽，機械缺口及圓角半徑過小等應(yīng)力計算方面的錯誤。載荷類型性質(zhì)大小沒有正確的認識設(shè)計判據(jù)不正確。2.材料選擇上的缺點選擇的判據(jù)有誤（有經(jīng)驗無準(zhǔn)則）脆性韌脆轉(zhuǎn)變溫度KIC

韌性抗拉強度剪切屈服疲勞疲勞強度疲勞壽命蠕變持久強度工作溫度應(yīng)力腐蝕腐蝕介質(zhì)腐蝕抗力缺陷冶金缺陷加工缺陷3.加工制造及裝配中存在的問題加工方法的選擇及合理的技術(shù)要求熱處理酸洗電鍍正確的安裝4.不合理的服役條件不合理的啟動停車、超速、過載、服役、超溫、異物、腐蝕介質(zhì)2.2.1應(yīng)力集中與應(yīng)力集中系數(shù) 截面急劇變化引起局部地區(qū)的應(yīng)力高于受力體的平均應(yīng)力，表示應(yīng)力集中程度大小的系數(shù)稱為應(yīng)力集中系數(shù)。2.2應(yīng)力集中與零件失效2a2bσmaxσ平均PP我們知道，裂紋尖端曲率半徑越小，應(yīng)力集中程度越大。當(dāng)r趨近于0時，應(yīng)力趨近于無窮大。當(dāng)應(yīng)力強度大于材料的屈服強度時，材料發(fā)生塑性變形，應(yīng)力得到松弛。缺口形狀影響應(yīng)力集中程度，圓孔優(yōu)于橢圓優(yōu)于尖角缺口位置零件結(jié)構(gòu)缺口尺寸載荷性質(zhì)等都是重要的原因缺口件有效疲勞強度的計算復(fù)合理論應(yīng)力集中系數(shù)復(fù)合理論應(yīng)力集中系數(shù)參看26頁表2-22.2.1應(yīng)力集中對零件失效的影響缺陷處均會產(chǎn)生應(yīng)力集中加工、冶煉、設(shè)計等缺陷1.材料的缺口敏感性

當(dāng)NSR>1時，缺口處發(fā)生塑性變形，缺口強化效應(yīng)，材料的缺口敏感性小或不敏感當(dāng)NSR<1時，缺口敏感2.影響應(yīng)力集中與斷裂失效的因素材料力學(xué)性能零件幾何形狀零件應(yīng)力狀態(tài)加工缺陷裝配、檢驗產(chǎn)生的缺陷2.2.3降低應(yīng)力集中的措施1.從強化材料方面降低應(yīng)力集中的作用表面熱處理強化薄殼淬火噴丸強化滾壓強化2.從設(shè)計方面降低應(yīng)力集中系數(shù)變截面部位的過渡根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當(dāng)?shù)拈_孔部位在應(yīng)力集中區(qū)附近的低應(yīng)力部位增開缺口和圓孔（圖2-7、圖2-8）刀痕、焊接缺陷、危險截面部位的非金屬夾雜、圓弧過渡的不光滑2.3殘余應(yīng)力與零件失效2.3.1殘余應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力：零件在無外載荷時，存在與其內(nèi)部并保持平衡的應(yīng)力。宏觀應(yīng)力（殘余應(yīng)力）：存在整個零件或較大尺寸范圍內(nèi)保持平衡的應(yīng)力，>0.1mm微孔應(yīng)力：在晶粒尺度（0.1~0.01mm）、原子尺度（10-3~10~6）范圍內(nèi)，保持平衡的應(yīng)力。工作：外加載荷+殘余應(yīng)力殘余壓應(yīng)力：提高疲勞抗力，抗腐蝕應(yīng)力等殘余拉應(yīng)力：降低疲勞抗力，抗腐蝕應(yīng)力使用過程中殘余應(yīng)力的重新分布而導(dǎo)致材料尺寸的變化2.3.2殘余應(yīng)力的產(chǎn)生1.熱處理殘余應(yīng)力熱應(yīng)力：不同溫度處膨脹量不用引發(fā)的組織應(yīng)力：不同組織的比容不同引起的圖2-9圖2-10請同學(xué)分析圖2-122.表面化學(xué)熱處理引起的殘余應(yīng)力與化學(xué)熱處理的種類有關(guān)，一般滲碳、滲氮后為壓應(yīng)力狀態(tài)。影響因素：滲碳厚度：典型隨著滲層厚度增加，外表層的殘余應(yīng)力有減小的傾向試樣直徑：冷卻時斷面內(nèi)冷卻曲線的不同造成的，直徑增加，殘余壓應(yīng)力升高鋼種的影響：相變過程中的應(yīng)力狀態(tài)不同3.焊接殘余應(yīng)力熱應(yīng)力、組織應(yīng)力、拘束應(yīng)力影響因素:直接應(yīng)力:加熱不均勻間接應(yīng)力：焊前殘余應(yīng)力，焊后變形的影響組織應(yīng)力：高淬透性鋼較為明顯，回火不足時，可能導(dǎo)致焊接接頭脆性開裂4.鑄造殘余應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力組織應(yīng)力影響因素：構(gòu)件截面內(nèi)保持平衡的殘余應(yīng)力：表層和內(nèi)層由于冷卻不同導(dǎo)致的。（圖2-17）構(gòu)件間相互保持平衡的殘余應(yīng)力：截面較多的構(gòu)件，冷卻不同時形成。（圖2-18）鑄造型砂的阻力導(dǎo)致的殘余應(yīng)力：與多種因素有關(guān)，一般認為與型砂的強度成正比鑄件成分：硅小，磷大組織轉(zhuǎn)變：與淬火殘余應(yīng)力相同5.涂鍍層引起的殘余應(yīng)力電鍍：電鍍層的特性、基體金屬、電解液、工藝激光強化：溫差較大熱噴涂涂層：溫度梯度較大，物理特性差異大6.切削加工的殘余應(yīng)力塑性變形+摩擦熱2.3.3殘余應(yīng)力的影響1.對靜強度的影響工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力的疊加影響構(gòu)件的變形，載荷除去后殘余應(yīng)力也會發(fā)生改變2.對硬度的影響對壓入硬度：殘余拉應(yīng)力使硬度下降，壓應(yīng)力的影響不大（圖2-26）對回彈硬度：殘余拉應(yīng)力使硬度下降3.對疲勞強度的影響殘余拉應(yīng)力：降低疲勞強度4.對脆性破壞的應(yīng)力腐蝕開裂的影響2.3.4消除和調(diào)整殘余應(yīng)力的方法熱作用法機械作用法1.去應(yīng)力退火消除焊接、鑄造、機加殘余應(yīng)力2.回火或自然失效處理回火：淬火后的應(yīng)力消除自然時效：是將工件置于露天場地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形，從而使殘余應(yīng)力消除或減少人工時效：是將工件加熱到550～650℃進行去應(yīng)力退火，它比自然時效節(jié)省時間，殘余應(yīng)力去除較為徹底.

3.機械法加載荷使得有殘余應(yīng)力的部位發(fā)生屈服而松弛應(yīng)力反復(fù)彎曲法、旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)法、拉伸法、振動法、錘擊法（焊接）振動時效：對構(gòu)件加交變應(yīng)力，與殘余應(yīng)力疊加，使得材料屈服?；蛘卟坏角?yīng)力時產(chǎn)生晶格滑移。使得應(yīng)力釋放。2.4材料的韌性與斷裂設(shè)計2.4.1低應(yīng)力脆斷及材料的韌性2.4.2斷裂韌度在結(jié)構(gòu)設(shè)計和失效分析中的應(yīng)用2.5應(yīng)力分析與失效分析2.5.1應(yīng)力狀態(tài)分析與強度理論1.失效形式和應(yīng)力狀態(tài)失效形式脆斷：無宏觀塑性變形剪斷：沿最大剪應(yīng)力方向斷裂（鑄鐵的壓縮）屈服：經(jīng)過一定塑性變形后的斷裂應(yīng)力狀態(tài)單向應(yīng)力狀態(tài)，二維應(yīng)力狀態(tài)三維2.強度理論表2-5最大拉應(yīng)力理論最大拉應(yīng)變理論最大切應(yīng)力理論統(tǒng)計平均切應(yīng)力理論莫爾理論2.5.2單向拉壓應(yīng)力1.數(shù)學(xué)表達式

對脆性材料對塑性材料

許用應(yīng)力安全系數(shù)2.提高材料強韌性能的措施拉應(yīng)力時：截面受力均勻淬透性彎曲、扭轉(zhuǎn)：淬硬層厚度為軸半徑的1/3~1/2，心部韌性較好，表層硬度較高防止氧化、脫碳、過燒等缺陷生成3.失效分析韌性or脆性？強度設(shè)計？加工缺陷？冶金缺陷？2.5.3平面拉應(yīng)力特點：切向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍注意切應(yīng)力的作用：對壓力容器件：軸向的焊縫熱影響區(qū)尺寸變化的地方失效分析泄露（韌性）爆炸（脆性）例：高壓氣瓶2.5.4彎曲應(yīng)力1.應(yīng)力狀態(tài)三點彎曲：M——彎矩W——抗彎截面系數(shù)上壓下拉2.選材及熱處理表面淬火，不完全淬透3.失效分析斷裂：脆斷疲勞斷裂，夾雜，殘余拉應(yīng)力軸向裂紋：淬硬層過大，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力2.5.5扭轉(zhuǎn)應(yīng)力特點：兼顧強度和韌性選材：中碳或中碳合金鋼熱處理：不淬透中溫回火得到回火托氏體失效分析：韌斷：斷口平齊并與軸線垂直低溫回火脆斷：斷口與軸線成45°螺旋狀高溫回火扭轉(zhuǎn)角過大：剛度不夠2.5.6交變應(yīng)力1.交變應(yīng)力的類型和特點表2-