第二章-失效分析基础知识

第二章失效分析基础知识2.1机械零件失效形式与来源•2.1.1机械零件失效形式及原因•1.按照产品失效的形态进行分类过量变形扭曲、拉长、胀大、蠕变、弹性元件永久变形断裂一次加载断裂过载环境介质环境、应力疲劳断裂交变应力表面损伤磨损材料流失腐蚀化学和电化学对断裂的分类力学脆性断裂延性断裂工艺铸件锻件焊接金相穿晶断裂沿晶断裂产品轴齿轮连接件断裂机制微孔型断裂解理型断裂沿晶断裂疲劳断裂原因（机理模式）过载疲劳脆性环境混合断口形貌（宏观）纤维状结晶状细瓷状贝壳人字形杯锥状断口形貌（微观）微孔冰糖河流花样台阶扇形蛇形龟板辉纹•2.根据失效的诱发因素分类（力学、环境、时间）机械力引发弹性变形塑性变形断裂疲劳剥落热应力引发蠕变热松弛热冲击热疲劳蠕变疲劳摩擦力引发粘着磨损磨粒磨损表面疲劳磨损冲击磨损微动磨损咬合活性介质引发化学腐蚀电化学腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳生物腐蚀辐照腐蚀氢致损伤3.根据使用过程对失效分类失效率早期失效期使用时间使用寿命偶然失效期规定的失效率损耗失效期图2-1浴盆曲线最佳工作期设计制造不当老龄期4.从经济法的观点对失效进行分类涉及到责任问题产品缺陷失效（本质失效）产品质量问题带来的失效，责任归生产单位误用失效使用不当造成的，用户责任受用性失效不可抗力原因导致损耗失效正常失效分类方法非常多，综合使用2.1.2失效的来源1.设计的问题•高应力部位存在沟槽，机械缺口及圆角半径过小等•应力计算方面的错误。载荷类型性质大小没有正确的认识•设计判据不正确。2.材料选择上的缺点•选择的判据有误（有经验无准则）脆性韧脆转变温度KIC韧性抗拉强度剪切屈服疲劳疲劳强度疲劳寿命蠕变持久强度工作温度应力腐蚀腐蚀介质腐蚀抗力•缺陷冶金缺陷加工缺陷3.加工制造及装配中存在的问题•加工方法的选择及合理的技术要求•热处理•酸洗电镀•正确的安装4.不合理的服役条件•不合理的启动停车、超速、过载、服役、超温、异物、腐蚀介质2.2.1应力集中与应力集中系数截面急剧变化引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，表示应力集中程度大小的系数称为应力集中系数。2.2应力集中与零件失效2a2bσmaxσ平均PP•我们知道，裂纹尖端曲率半径越小，应力集中程度越大。当r趋近于0时，应力趋近于无穷大。•当应力强度大于材料的屈服强度时，材料发生塑性变形，应力得到松弛。•缺口形状影响应力集中程度，圆孔优于椭圆优于尖角缺口位置零件结构缺口尺寸载荷性质等都是重要的原因•缺口件有效疲劳强度的计算........)()()(划痕缺口复合fffKKK•复合理论应力集中系数k11）（缺口试件的疲劳极限光滑试件的疲劳极限fK•复合理论应力集中系数•参看26页表2-22.2.1应力集中对零件失效的影响•缺陷处均会产生应力集中加工、冶炼、设计等缺陷•1.材料的缺口敏感性bNbNSR•当NSR1时，缺口处发生塑性变形，缺口强化效应，材料的缺口敏感性小或不敏感•当NSR1时，缺口敏感•2.影响应力集中与断裂失效的因素•材料力学性能•零件几何形状•零件应力状态•加工缺陷•装配、检验产生的缺陷2.2.3降低应力集中的措施•1.从强化材料方面降低应力集中的作用•表面热处理强化•薄壳淬火•喷丸强化•滚压强化•2.从设计方面降低应力集中系数•变截面部位的过渡•根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位•在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔（图2-7、图2-8）刀痕、焊接缺陷、危险截面部位的非金属夹杂、圆弧过渡的不光滑2.3残余应力与零件失效2.3.1残余应力内应力：零件在无外载荷时，存在与其内部并保持平衡的应力。•宏观应力（残余应力）：存在整个零件或较大尺寸范围内保持平衡的应力，0.1mm•微孔应力：在晶粒尺度（0.1~0.01mm）、原子尺度（10-3~10~6）范围内，保持平衡的应力。•工作：外加载荷+残余应力残余压应力：提高疲劳抗力，抗腐蚀应力等残余拉应力：降低疲劳抗力，抗腐蚀应力使用过程中残余应力的重新分布而导致材料尺寸的变化2.3.2残余应力的产生•1.热处理残余应力•热应力：不同温度处膨胀量不用引发的•组织应力：不同组织的比容不同引起的图2-9图2-10请同学分析图2-122.表面化学热处理引起的残余应力与化学热处理的种类有关，一般渗碳、渗氮后为压应力状态。影响因素：•渗碳厚度：典型随着渗层厚度增加，外表层的残余应力有减小的倾向•试样直径：冷却时断面内冷却曲线的不同造成的，直径增加，残余压应力升高•钢种的影响：相变过程中的应力状态不同3.焊接残余应力热应力、组织应力、拘束应力影响因素:•直接应力:加热不均匀•间接应力：焊前残余应力，焊后变形的影响•组织应力：高淬透性钢较为明显，回火不足时，可能导致焊接接头脆性开裂4.铸造残余应力结构应力组织应力影响因素：•构件截面内保持平衡的残余应力：表层和内层由于冷却不同导致的。（图2-17）•构件间相互保持平衡的残余应力：截面较多的构件，冷却不同时形成。（图2-18）•铸造型砂的阻力导致的残余应力：与多种因素有关，一般认为与型砂的强度成正比•铸件成分：硅小，磷大•组织转变：与淬火残余应力相同5.涂镀层引起的残余应力•电镀：电镀层的特性、基体金属、电解液、工艺•激光强化：温差较大•热喷涂涂层：温度梯度较大，物理特性差异大6.切削加工的残余应力塑性变形+摩擦热2.3.3残余应力的影响1.对静强度的影响工作应力与残余应力的叠加影响构件的变形，载荷除去后残余应力也会发生改变2.对硬度的影响对压入硬度：残余拉应力使硬度下降，压应力的影响不大（图2-26）对回弹硬度：残余拉应力使硬度下降3.对疲劳强度的影响残余拉应力：降低疲劳强度4.对脆性破坏的应力腐蚀开裂的影响2.3.4消除和调整残余应力的方法热作用法机械作用法1.去应力退火消除焊接、铸造、机加残余应力2.回火或自然失效处理回火：淬火后的应力消除自然时效：是将工件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生形，从而使残余应力消除或减少人工时效：是将工件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底.•3.机械法加载荷使得有残余应力的部位发生屈服而松弛应力反复弯曲法、旋转扭转法、拉伸法、振动法、锤击法（焊接）振动时效：对构件加交变应力，与残余应力叠加，使得材料屈服。或者不到屈服应力时产生晶格滑移。使得应力释放。2.4材料的韧性与断裂设计2.4.1低应力脆断及材料的韧性2.4.2断裂韧度在结构设计和失效分析中的应用2.5应力分析与失效分析2.5.1应力状态分析与强度理论1.失效形式和应力状态失效形式脆断：无宏观塑性变形剪断：沿最大剪应力方向断裂（铸铁的压缩）屈服：经过一定塑性变形后的断裂应力状态单向应力状态，二维应力状态三维2.强度理论表2-5•最大拉应力理论•最大拉应变理论•最大切应力理论•统计平均切应力理论•莫尔理论2.5.2单向拉压应力1.数学表达式对脆性材料对塑性材料bbnn0ssnn0许用应力安全系数2.提高材料强韧性能的措施•拉应力时：截面受力均匀淬透性•弯曲、扭转：淬硬层厚度为轴半径的1/3~1/2，心部韧性较好，表层硬度较高•防止氧化、脱碳、过烧等缺陷生成3.失效分析•韧性or脆性？•强度设计？•加工缺陷？•冶金缺陷？2.5.3平面拉应力•特点：切向应力是轴向应力的两倍•注意切应力的作用：对压力容器件：轴向的焊缝热影响区尺寸变化的地方•失效分析泄露（韧性）爆炸（脆性）例：高压气瓶2.5.4弯曲应力1.应力状态三点弯曲：yWMM——弯矩W——抗弯截面系数上压下拉2.选材及热处理表面淬火，不完全淬透3.失效分析•断裂：脆断疲劳断裂，夹杂，残余拉应力•轴向裂纹：淬硬层过大，残余应力为拉应力2.5.5扭转应力•特点：兼顾强度和韧性•选材：中碳或中碳合金钢•热处理：不淬透中温回火得到回火托氏体•失效分析：韧断：断口平齐并与轴线垂直低温回火脆断：断口与轴线成45°螺旋状高温回火扭转角过大：刚度不够maxmax2.5.6交变应力1.交变应力的类型和特点表2-756页应力的大小或方向随着时间变化而变化的应力2.指标疲劳抗力：•疲劳极限•疲劳强度•疲劳破坏的持久值•裂纹扩展速率3.交变应力下的安全系数影响因素较多•应力集中和应变集中的影响Kf•尺寸影响尺寸增加，疲劳强度降低•表面加工状态的影响•表面腐蚀的影响•表面强化的影响•对称循环下的安全系数2.5.7接触应力自习