1、第第2章章 失效分析基礎知識失效分析基礎知識 零件失效形式與來源零件失效形式與來源 應力集中與零件失效應力集中與零件失效 殘余應力與零件失效殘余應力與零件失效 材料的韌性與斷裂設計材料的韌性與斷裂設計 應力分析與失效分析應力分析與失效分析 金屬構件中可能引起失效的常見缺陷金屬構件中可能引起失效的常見缺陷2.1 機械機械零件失效的形式與來源零件失效的形式與來源 機械零件失效形式機械零件失效形式(1) 按照失效的形態分類按照失效的形態分類過量變形過量變形斷裂斷裂表面損傷表面損傷a.過量變形過量變形扭曲：花鍵扭曲：花鍵高低溫下的蠕變高低溫下的蠕變拉長：緊固件拉長：緊固件彈性元件發生永久變形彈性元件發

2、生永久變形b.斷裂斷裂一次加載斷裂一次加載斷裂磨損磨損環境介質引起的斷裂環境介質引起的斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂c.表面損傷表面損傷腐蝕腐蝕重點重點 機械零件失效形式機械零件失效形式(2) 根據失效的誘發因素分類根據失效的誘發因素分類機械力引起的失效機械力引起的失效熱應力引起的失效熱應力引起的失效摩擦力引起的失效摩擦力引起的失效活性介質引起的失效活性介質引起的失效(3) 根據產品的使用過程分類根據產品的使用過程分類早期失效早期失效偶然失效偶然失效損耗失效損耗失效 機械零件失效形式機械零件失效形式(4) 從經濟法的觀點對失效分類從經濟法的觀點對失效分類產品缺陷失效產品缺陷失效誤用失效誤用失效受用性失效

3、受用性失效損耗失效損耗失效 在進行失效分析時，應將在進行失效分析時，應將失效的模式失效的模式、失效的失效的誘發因素誘發因素及及失效后的表現形式失效后的表現形式綜合考慮，對于獲得綜合考慮，對于獲得正確的分析結果是至關重要的。正確的分析結果是至關重要的。 機械零件失效形式機械零件失效形式 起起 因因 （%）腐蝕腐蝕 29疲勞疲勞 25脆性斷裂脆性斷裂 16過載過載 11高溫腐蝕高溫腐蝕 7應力腐蝕應力腐蝕/腐蝕疲勞腐蝕疲勞/氫脆氫脆 6蠕變蠕變 3磨損、擦傷、沖刷磨損、擦傷、沖刷 3表表1 在一般工業工程中調查失效模式的比例在一般工業工程中調查失效模式的比例 起起 因因 （%）疲勞疲勞 61過載過

4、載 18應力腐蝕應力腐蝕 8過度磨損過度磨損 7腐蝕腐蝕 3高溫氧化高溫氧化 2應力破壞應力破壞 1表表2 航空零件失效模式的比例航空零件失效模式的比例常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標齒面磨損：齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產生摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而折斷。間產生摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而折斷。磨損是磨損是開式傳動的主要失效形式。開式傳動的主要失效形式。以齒輪為例：以齒輪為例：齒面點蝕：齒面點蝕：輪齒工作面承受近似脈動輪齒工作面承受近似脈動的變應力作用，由于疲勞而

5、產生的麻的變應力作用，由于疲勞而產生的麻點狀剝蝕損傷現象。點狀剝蝕損傷現象。點蝕是閉式傳動點蝕是閉式傳動常見的失效形式。常見的失效形式。點蝕首先出現在節點蝕首先出現在節線附近。線附近。齒面膠合：齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油膜被破壞，齒面間會發生粘接在一起的現象，在輪齒潤滑油膜被破壞，齒面間會發生粘接在一起的現象，在輪齒表面沿滑動方向出現條狀傷痕，稱為膠合。表面沿滑動方向出現條狀傷痕，稱為膠合。塑性變形：塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力方向產生塑性變形。沿

6、摩擦力方向產生塑性變形。壓力容器與管道典型失效案例壓力容器與管道典型失效案例 西安西安“35”液化石油氣站特大爆炸事故液化石油氣站特大爆炸事故o 1998年年3月月5日，西安液化石油氣站日，西安液化石油氣站2個個400 m3球球罐發生特大爆炸事故。罐發生特大爆炸事故。o 事故過程為：下午事故過程為：下午4：40發現發現1號球罐下部排污管號球罐下部排污管道法蘭泄漏，因缺乏先進的堵漏技術，泄漏持續道法蘭泄漏，因缺乏先進的堵漏技術，泄漏持續約約3h，整個廠區充滿了石油氣，配電間電火花引整個廠區充滿了石油氣，配電間電火花引爆，形成廠區大火，使球罐溫度急劇升高，最終爆，形成廠區大火，使球罐溫度急劇升高，

7、最終物理爆炸。物理爆炸。o 法蘭泄漏與一只緊固螺栓的疲勞斷裂有關。事故法蘭泄漏與一只緊固螺栓的疲勞斷裂有關。事故性質確定為設備事故。性質確定為設備事故。 氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備中較常見的失效模式。中較常見的失效模式。 這種失效模式可能沒有明顯的腐蝕現象，但是材料性這種失效模式可能沒有明顯的腐蝕現象，但是材料性能嚴重退化，事故的隱患已經存在。在氫處理、重整、能嚴重退化，事故的隱患已經存在。在氫處理、重整、加氫裂化等裝置中，溫度超過加氫裂化等裝置中，溫度超過260，氫的分壓大于，氫的分壓大于689kPa，就有可能發生氫分子在鋼的

8、表面分解為原子，就有可能發生氫分子在鋼的表面分解為原子氫而發生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進入鋼鐵材料，并與氫而發生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進入鋼鐵材料，并與碳化物反應生成甲烷碳化物反應生成甲烷(Fe3C+4H3Fe+CH4)，由于甲，由于甲烷的分子尺寸大而不易擴散，會使甲烷在晶界或相界烷的分子尺寸大而不易擴散，會使甲烷在晶界或相界面等處聚集產生局部高壓，形成微裂紋，進而材料脆面等處聚集產生局部高壓，形成微裂紋，進而材料脆化。化。 氫腐蝕氫腐蝕( (高溫氫侵蝕高溫氫侵蝕) )引起的蒸汽管道爆管事故引起的蒸汽管道爆管事故 硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故o

9、 四川天然氣管道曾經發生多起硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道曾經發生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂事故，其中一起發生在爆裂事故，其中一起發生在1995年底，泄漏的天然氣年底，泄漏的天然氣引起了火災。管道為引起了火災。管道為7208.16 mm 螺旋焊管，壓力螺旋焊管，壓力1.92.5MPa。o 事故管段已經運行事故管段已經運行16年。爆口長度年。爆口長度1440mm，沿焊縫沿焊縫擴展。管道內壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現象。經擴展。管道內壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現象。經過試驗分析，結論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣過試驗分析，結論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中含有中含有H2S及補焊工藝不合理

10、，使焊縫產生了馬氏體及補焊工藝不合理，使焊縫產生了馬氏體組織和高的殘余應力有關。組織和高的殘余應力有關。 催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效 裂紋均從內表面開始向外表面擴展，裂紋發生部位裂紋均從內表面開始向外表面擴展，裂紋發生部位未見明顯塑性變形，裂紋寬度較窄，向縱深發展并未見明顯塑性變形，裂紋寬度較窄，向縱深發展并多數穿透壁厚；多數穿透壁厚； 裂紋呈樹枝狀，斷口有典型的沿晶特征；裂紋呈樹枝狀，斷口有典型的沿晶特征； 腐蝕產物的水溶液腐蝕產物的水溶液PH值在值在56，呈現酸性；，呈現酸性； 斷口表面腐蝕產物中的氮含量均明顯高于基體金屬斷口表面腐蝕產物中

11、的氮含量均明顯高于基體金屬中的氮含量；中的氮含量； 結論是結論是NO3-引起的應力腐蝕開裂。引起的應力腐蝕開裂。 起起 因因 （%）材料選擇不恰當材料選擇不恰當 38裝配錯誤裝配錯誤 15錯誤的熱處理錯誤的熱處理 15機械設計錯誤機械設計錯誤 11未預見的操作條件未預見的操作條件 8環境控制不夠充分環境控制不夠充分 6不恰當的或缺少監測與質量控制不恰當的或缺少監測與質量控制 5材料混雜材料混雜 2表表3 在一般工業工程中調查的失效原因的比例在一般工業工程中調查的失效原因的比例 起起 因因 （%）保養不恰當保養不恰當 44安裝錯誤安裝錯誤 17設計缺陷設計缺陷 16不正確的維修損壞不正確的維修損

12、壞 10材料缺陷材料缺陷 7未定原因未定原因 8表表4 航空零件失效原因的比例航空零件失效原因的比例 機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？ 設計的問題設計的問題 材料選擇上的問題材料選擇上的問題 加工制造及裝配中存在的問題加工制造及裝配中存在的問題 不合理的服役條件不合理的服役條件分析設計原因引起失效需要注意：分析設計原因引起失效需要注意： 對復雜構件進行可靠的對復雜構件進行可靠的應力計算應力計算，充分考慮構件充分考慮構件 在服役中所承受的在服役中所承受的非正常工作載荷非正常工作載荷的類型及大?。坏念愋图按笮?； 在高應力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半

13、徑過在高應力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半徑過 ??；小； 避免設計時只考慮避免設計時只考慮拉伸強度和屈服強度拉伸強度和屈服強度數據的靜數據的靜 載荷能力，而忽視載荷能力，而忽視脆性斷裂、低循環疲勞、應力脆性斷裂、低循環疲勞、應力 腐蝕及腐蝕疲勞腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效；等機理可能引起的失效；RD2車軸車軸舉例舉例選材：選材：使用性原則使用性原則加工工藝性能原則加工工藝性能原則經濟性原則經濟性原則特殊環境特殊環境材料中的缺陷：材料中的缺陷：鑄造鑄造焊接焊接鍛造鍛造熱處理熱處理切削加工切削加工材料選擇上的問題：材料選擇上的問題：制造及裝配：制造及裝配：酸洗及電鍍導致的氫脆；酸洗及電鍍導致

14、的氫脆； 不文明施工及安裝導致的表面損傷；不文明施工及安裝導致的表面損傷；不合理的服役條件：不合理的服役條件：超速、過載、不合理的啟動超速、過載、不合理的啟動 和停車、異常介質的引入；和停車、異常介質的引入；鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽鍵槽初始裂初始裂紋源紋源裂紋擴裂紋擴展區展區最終瞬最終瞬斷區斷區2.2 應力集中與應力集中與零件失效零件失效 應力集中與應力集中系數應力集中與應力集中系數 應力集中對零件失效的影響應力集中對零件失效的影響 降低降低應力集中的措施應力集中的措施含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況零件的

15、幾何形狀發生突變，會造成應力的重新分配，零件的幾何形狀發生突變，會造成應力的重新分配，也會造成應力集中。也會造成應力集中。變截面過渡圓角處的應力分布變截面過渡圓角處的應力分布平均maxtK理論應力集中系數理論應力集中系數應力集中系數手冊應力集中系數手冊幾何突變零件承受單向靜拉伸時的幾何突變零件承受單向靜拉伸時的Kt值值典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的Kt值值典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的Kt值值典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應

16、力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線 應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程度會受到哪些因素的影響？度會受到哪些因素的影響？提出問題：提出問題： 影響應力集中與斷裂失效的因素影響應力集中與斷裂失效的因素 材料力學性能材料力學性能 零件幾何形狀零件幾何形狀 零件應力狀態零件應力狀態 加工缺陷加工缺陷 裝配、檢修產生缺陷裝配、檢修產生缺陷力學性能力學性能：硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低， 應力集中作用越強烈，裂紋擴展速率越大；應力集中作用越強烈，裂紋擴展速率越大； 影響應力集中與斷

17、裂失效的因素影響應力集中與斷裂失效的因素零件幾何形狀：零件幾何形狀：斷裂部位斷裂部位 影響應力集中與斷裂失效的因素影響應力集中與斷裂失效的因素零件應力狀態：零件應力狀態：舉例：舉例： 上海汽車鍛造總廠生產的汽車鋼板彈簧產生早期上海汽車鍛造總廠生產的汽車鋼板彈簧產生早期失效，綜合分析發現：表面存在較多較深的彈坑及局失效，綜合分析發現：表面存在較多較深的彈坑及局部脫碳。部脫碳。應力狀態：彎曲疲勞應力狀態：彎曲疲勞缺陷：缺陷： 降低降低應力集中的措施應力集中的措施 強化材料，降低應力集中的作用強化材料，降低應力集中的作用整體強化整體強化局部強化局部強化工藝、特工藝、特點點 合理設計，降低應力集中系數

18、合理設計，降低應力集中系數 合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數軸肩軸肩軸環軸環 合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數間隔環間隔環凹圓角凹圓角卸載槽卸載槽 合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數減小輪轂端部的厚度減小輪轂端部的厚度輪轂上開卸載槽輪轂上開卸載槽減小輪轂的剛度減小輪轂的剛度作階梯軸作階梯軸 合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數增大花鍵的直徑增大花鍵的直徑開卸載槽開卸載槽孔上倒角孔上倒角 過盈配合時增大配合處的直徑過盈配合時增大配合處的直徑 合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數 合理設計，降低應力集中系數合

19、理設計，降低應力集中系數典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析2.3 殘余應力與殘余應力與零件失效零件失效殘余應力殘余應力：物體在無外載荷時，存在于其內部并保持物體在無外載荷時，存在于其內部并保持平衡的一種應力。（固有應力、內應力）平衡的一種應力。（固有應力、內應力）分類分類第一類殘余應力（第一類殘余應力（ ）：宏觀內應力，由整個）：宏觀內應力，由整個 物體變形不均勻引起物體變形不均勻引起第二類殘余應力（第二類殘余應力（ ）：微觀內應力，由晶粒）：微觀內應力，由晶粒 變形不均勻引起變形不均勻引起第三類殘余

20、應力（第三類殘余應力（ ）：點陣畸變，由位錯、）：點陣畸變，由位錯、 空位引起。空位引起。 機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞疲勞強度強度、抗應力腐蝕能力抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性尺寸穩定性有十分重要的影響。有十分重要的影響。 殘余應力的作用殘余應力的作用 適當的、分布合理的適當的、分布合理的殘余壓應力殘余壓應力可能成為提高?？赡艹蔀樘岣咂趶姸?、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素；用壽命的因素； 不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生

21、應力腐蝕，影響尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事蝕，影響尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。故。 利：預應力處理，如汽車板簧的生產。利：預應力處理，如汽車板簧的生產。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。作用作用 熱處理殘余應力熱處理殘余應力 表面化學熱處理殘余應力表面化學熱處理殘余應力 焊接殘余應力焊接殘余應力 鑄造殘余應力鑄造殘余應力 涂鍍層殘余應力涂鍍層殘余應力 切削加工殘余應力切削加工殘余應力哪些工藝過程中會產生殘余應力？哪些工藝過程中會產生殘余應力？產生了怎樣產生了怎樣的殘余應力？的殘余應力？殘余應力是怎樣殘余應力是怎樣產生

22、的？產生的？ 熱應力組織應力拘束應力熱應力組織應力拘束應力 不均勻的塑性變形不均勻的塑性變形 不均勻的溫度變化不均勻的溫度變化 不均勻的相變不均勻的相變消除和調整殘余應力的方法消除和調整殘余應力的方法 去應力退火去應力退火金屬材料種類金屬材料種類 溫度溫度/ 時間時間/h灰鑄鐵灰鑄鐵碳鋼碳鋼Cr不銹鋼不銹鋼Cr-Ni不銹鋼不銹鋼(316)銅合金銅合金(60Cu-40Zn)銅合金銅合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211 自然時效處理自然時效處理 回火回火 施加靜載施加靜載 使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形，使工

23、件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形，使殘余應力松弛。使殘余應力松弛。例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，產生所謂的產生所謂的“脹形脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。以減小焊接殘余應力。 振動時效振動時效 (Vibration Stress Relief, VSR) 錘擊、噴丸、滾壓錘擊、噴丸、滾壓 振動等離子熔覆過程示意圖振動等離子熔覆過程示意圖0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz時時，熔覆層出現罕見的分層現象熔覆層出現罕見的分層現象殘余應力的測量方法殘余應力的

24、測量方法破損法破損法無損法無損法盲孔法盲孔法環芯法環芯法磁彈性法磁彈性法X射線衍射法射線衍射法 在一塊在一塊各向同性各向同性的板材中假定存在殘余應力，鉆一小的板材中假定存在殘余應力，鉆一小孔后，孔周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出孔孔后，孔周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出孔周圍釋放的應變，然后根據力學知識推算出殘余應力。周圍釋放的應變，然后根據力學知識推算出殘余應力。盲孔法的基本原理盲孔法的基本原理盲孔法測試殘余應盲孔法測試殘余應力應變片示意圖力應變片示意圖 靜態電阻應變儀靜態電阻應變儀 應變花應變花鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附加應變對實驗結果造成鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附

25、加應變對實驗結果造成的影響不容忽視。的影響不容忽視。改進方法：改進方法： 逐層剝除法逐層剝除法 階梯鉆孔法階梯鉆孔法 一點多次擴孔的盲孔測定法一點多次擴孔的盲孔測定法環芯法的測量原理環芯法的測量原理 一塊各向同性的板材中假定存在雙向殘余應力，其上一塊各向同性的板材中假定存在雙向殘余應力，其上加工一環芯直徑圓環槽，環芯周圍區域的應力將重新分布，加工一環芯直徑圓環槽，環芯周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出周圍釋放的應變，然后推算出殘余應力的通過應變儀測出周圍釋放的應變，然后推算出殘余應力的大小和方向。大小和方向。環芯法測量殘余應力環芯法測量殘余應力用的應變花用的應變花缺點：缺點： 機械加工是

26、破壞性的，會影響零件繼續使用；機械加工是破壞性的，會影響零件繼續使用； 檢測時已附加有加工應變，降低了檢測精度；檢測時已附加有加工應變，降低了檢測精度；優點優點： 直觀、檢測方便；直觀、檢測方便； 可用剝層法測試材料深處的殘余應力，測試精度在國家可用剝層法測試材料深處的殘余應力，測試精度在國家標準要求之內（誤差小于標準要求之內（誤差小于25MPa25MPa）；）； 適合于各類材料；適合于各類材料；中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究Research on Measuring Welding Residual Stress of Plate of Moderate

27、 Thickness Using Blind-hole Method優秀碩士論文優秀碩士論文： 通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測量殘余應力。當某一波長的量殘余應力。當某一波長的X射線照射到多晶體樣品上并射線照射到多晶體樣品上并滿足布拉格方程時會產生衍射。如果存在宏觀殘余應力，滿足布拉格方程時會產生衍射。如果存在宏觀殘余應力，晶粒晶面間距會發生變化，晶粒晶面間距會發生變化，X射線衍射峰的位置也將發生射線衍射峰的位置也將發生變化，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應變化，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應變，通過彈性力學

28、理論即可求得殘余應力（變，通過彈性力學理論即可求得殘余應力（表面應力表面應力）。）。X射線衍射法的基本原理射線衍射法的基本原理材料中殘余應力的材料中殘余應力的X X射線衍射分析和作用射線衍射分析和作用張定銓何家文著張定銓何家文著西安交通大學出版社西安交通大學出版社Stress3000 衍射儀衍射儀鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管外觀鋼岔管外觀多晶磁疇結構示意圖多晶磁疇結構示意圖磁彈性法的基本原理磁彈性法的基本原理技術磁化過程的三個階段技術磁化過程的三個階段磁彈性法的基本原理磁彈性法的基本原理“巴克豪森噪聲效應巴克豪森噪聲效應” 拉應力時，平行于拉應力方向的磁疇將增拉應力時，平行于

29、拉應力方向的磁疇將增加，巴克豪森噪聲幅度值增加，磁彈性儀的輸加，巴克豪森噪聲幅度值增加，磁彈性儀的輸出電量增加。出電量增加。優點：優點：方便、快速和準確方便、快速和準確缺點：缺點：只適用于磁性材料只適用于磁性材料2.4 材料的韌性與斷裂設計材料的韌性與斷裂設計低應力脆斷低應力脆斷 通常發生脆斷時的宏觀應力很低，按強度設計是安全的。通常發生脆斷時的宏觀應力很低，按強度設計是安全的。 脆斷通常發生在比較低的工作溫度下。脆斷通常發生在比較低的工作溫度下。 脆斷從應力集中處開始，裂紋源通常在結構或材料的脆斷從應力集中處開始，裂紋源通常在結構或材料的 缺陷處，如裂紋、缺口、夾雜等。缺陷處，如裂紋、缺口、

30、夾雜等。 厚截面、高應變速率促進脆斷。厚截面、高應變速率促進脆斷。共同點？共同點？材料的韌性：材料的韌性：材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和塑性的綜合表現。大小，是強度和塑性的綜合表現。靜力韌度靜力韌度應力應變曲線應力應變曲線沖擊韌度沖擊韌度斷裂韌度斷裂韌度斷裂韌度在失效分析中的應用斷裂韌度在失效分析中的應用舉例：舉例：問題：問題：材料將發生什么形式的失效？材料將發生什么形式的失效？怎樣建立失效判據以及相應的設計準則？怎樣建立失效判據以及相應的設計準則？不同應力狀態下如何表示材料的抗力？不同應力狀態下如何表示材料的抗力？2.5 應力分析與應力分析

31、與失效分析失效分析工程構件所處的應力狀態復雜多樣工程構件所處的應力狀態復雜多樣應力狀態影響材料的失效形式應力狀態影響材料的失效形式脆斷脆斷 鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂剪斷剪斷 鑄鐵壓縮、硬鋁拉伸時的斷裂鑄鐵壓縮、硬鋁拉伸時的斷裂屈服屈服 低碳鋼拉伸、扭轉和壓縮時低碳鋼拉伸、扭轉和壓縮時 為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于材料破壞原因的假設及計算方法材料破壞原因的假設及計算方法。 根據簡單實驗所測得的根據簡單實驗所測得的材料抗力材料抗力，分析計算其他，分析計算其他復雜應力狀態下復雜應力狀態下材料的強度材料的強度。 應力狀態分析與

32、強度理論應力狀態分析與強度理論 脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，且多發生在垂直于最大正應力的截面上，如鑄鐵受且多發生在垂直于最大正應力的截面上，如鑄鐵受拉、扭，低溫脆斷等。拉、扭，低溫脆斷等。關于關于屈服的強度理論：屈服的強度理論：最大切應力理論最大切應力理論和和最大畸變能密度理論最大畸變能密度理論 塑性屈服：材料破壞前發生顯著的塑性變形，且多發塑性屈服：材料破壞前發生顯著的塑性變形，且多發生在最大剪應力面上，例如低碳鋼拉、扭，鑄鐵壓。生在最大剪應力面上，例如低碳鋼拉、扭，鑄鐵壓。關于關于斷裂的強度理論：斷裂的強度理論：最大拉應力理論最大拉應

33、力理論和和最大伸長線應變理論最大伸長線應變理論 最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力理論（第一強度理論） 最大拉應力是引起材料斷裂的主要因素最大拉應力是引起材料斷裂的主要因素。即無論材料處。即無論材料處于什么應力狀態，只要最大拉應力達到簡單拉伸時破壞的于什么應力狀態，只要最大拉應力達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。極限值，就會發生脆性斷裂。01 構件危險點的最大拉應力構件危險點的最大拉應力1 極限拉應力，由單拉實驗測得極限拉應力，由單拉實驗測得b 00 b1 斷裂條件斷裂條件 nb1設計準則設計準則鑄鐵拉伸鑄鐵拉伸鑄鐵扭轉鑄鐵扭轉 最大伸長線應變理論（第二強度理論）最大伸長線應

34、變理論（第二強度理論） 最大伸長線應變是引起斷裂的主要因素最大伸長線應變是引起斷裂的主要因素。即無論材料。即無論材料處于什么應力狀態處于什么應力狀態, ,只要最大伸長線應變達到簡單拉伸時只要最大伸長線應變達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。01 構件危險點的最大伸長線應變構件危險點的最大伸長線應變1 極限伸長線應變，由單向拉伸實驗測得極限伸長線應變，由單向拉伸實驗測得0 E/)(3211 Eb/0 實驗表明：實驗表明：該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材料的斷裂較符合，如鑄鐵受拉壓比第一強度理論更接近實際料的

35、斷裂較符合，如鑄鐵受拉壓比第一強度理論更接近實際情況。情況。強度條件強度條件)(321nb斷裂條件斷裂條件EEb)(1321b)(321即即 最大切應力是引起材料屈服的主要因素最大切應力是引起材料屈服的主要因素。即無論材料。即無論材料處于什么應力狀態處于什么應力狀態, ,只要最大切應力達到了簡單拉伸屈服只要最大切應力達到了簡單拉伸屈服時的極限值，材料就會發生屈服時的極限值，材料就會發生屈服( (或剪斷）。或剪斷）。0max 最大切應力理論（第三強度理論）最大切應力理論（第三強度理論） 構件危險點的最大切應力構件危險點的最大切應力max 極限切應力，由單向拉伸實驗測得極限切應力，由單向拉伸實驗測

36、得0 2/0s 2/ )(31maxs31 屈服條件屈服條件 ss31n設計準則設計準則低碳鋼拉伸低碳鋼拉伸低碳鋼扭轉低碳鋼扭轉實驗表明：實驗表明：此理論對于此理論對于塑性材料塑性材料的屈服破壞能夠得到的屈服破壞能夠得到較為滿意的解釋。并能解釋材料在三向均壓下不發生較為滿意的解釋。并能解釋材料在三向均壓下不發生塑性變形或斷裂的事實。塑性變形或斷裂的事實。局限性局限性： 2 2、不能解釋三向均拉下可能發生斷裂的現象。、不能解釋三向均拉下可能發生斷裂的現象。1 1、未考慮、未考慮 的影響，試驗證實最大影響達的影響，試驗證實最大影響達15%15%。2 最大畸變能密度是引起材料屈服的主要因素最大畸變能

37、密度是引起材料屈服的主要因素。即無論。即無論材料處于什么應力狀態材料處于什么應力狀態, ,只要最大畸變能密度達到簡單拉只要最大畸變能密度達到簡單拉伸屈服時的極限值伸屈服時的極限值, ,材料就會發生屈服。材料就會發生屈服。0ddvv 最大畸變最大畸變能密度理論（第四強度理論）能密度理論（第四強度理論）213232221d)()()(61Ev 構件危險點的畸變能密度構件危險點的畸變能密度d20261sdEv 畸變能密度的極限值，由單拉實驗測得畸變能密度的極限值，由單拉實驗測得0d屈服條件屈服條件22132322212)()()(s 設計準則設計準則 ss213232221)()()(21n實驗表明

38、：實驗表明：對塑性材料，此理論比第三強度理論更符合對塑性材料，此理論比第三強度理論更符合 試驗結果，在工程中得到了廣泛應用。試驗結果，在工程中得到了廣泛應用。11 , r)(3212 ,r )()()(212132322214 , r強度理論的統一表達式：強度理論的統一表達式： r相當應力相當應力313 ,r準則準則：切應力是使材料達到危險狀態的主要因素，但切應力是使材料達到危險狀態的主要因素，但滑移面上所產生的阻礙滑移的內摩擦力卻取決于剪切滑移面上所產生的阻礙滑移的內摩擦力卻取決于剪切面上的正應力面上的正應力的大小。的大小。 莫爾理論適用于脆性剪斷：莫爾理論適用于脆性剪斷： 莫爾理論認為材料

39、的剪斷破壞一般發生在切應力值莫爾理論認為材料的剪斷破壞一般發生在切應力值最大的截面上。最大的截面上。 脆性剪斷脆性剪斷：在某些應力狀態下，拉壓強度不等的一些材：在某些應力狀態下，拉壓強度不等的一些材料可能發生剪斷，例如鑄鐵的壓縮。料可能發生剪斷，例如鑄鐵的壓縮。莫爾強度理論（修正的最大切應力理論）莫爾強度理論（修正的最大切應力理論） 1 1、在三向拉伸應力狀態下，不論是脆性或塑性材料，均、在三向拉伸應力狀態下，不論是脆性或塑性材料，均發生脆性斷裂，宜采用發生脆性斷裂，宜采用最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力理論（第一強度理論）。 2 2、脆性材料：在二向拉伸應力狀態下及二向拉伸、脆性材料

40、：在二向拉伸應力狀態下及二向拉伸- -壓縮壓縮應力狀態且拉應力較大的情況下，應采用應力狀態且拉應力較大的情況下，應采用最大拉應力理論最大拉應力理論；在二向拉伸在二向拉伸- -壓縮應力狀態且壓應力較大的情況下，應采用壓縮應力狀態且壓應力較大的情況下，應采用最大伸長線應變理論最大伸長線應變理論；在復雜應力狀態的最大、最小應力分；在復雜應力狀態的最大、最小應力分別為壓、拉時，由于材料的許用拉、壓應力不等，壓應力占別為壓、拉時，由于材料的許用拉、壓應力不等，壓應力占優宜采用優宜采用莫爾強度理論莫爾強度理論。 3 3、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用畸變能理論畸變能理論

41、（第四強度理論）（第四強度理論）和和最大切應力理論（第三強度理論）最大切應力理論（第三強度理論）。 4 4、三向壓縮狀態下，無論是塑性和脆性材料，均采用、三向壓縮狀態下，無論是塑性和脆性材料，均采用畸變能理論畸變能理論。 單向拉應力：單向拉應力：連桿、螺栓、鋼絲繩連桿、螺栓、鋼絲繩 平面拉應力：平面拉應力：薄壁壓力容器薄壁壓力容器 交變應力：交變應力：曲軸、軸承、齒輪、螺栓、連桿曲軸、軸承、齒輪、螺栓、連桿 彎曲應力：彎曲應力：軸類零件、梁軸類零件、梁 扭轉應力：扭轉應力：傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠 接觸應力：接觸應力：齒輪、軸承齒輪、軸承2.6 金屬構件中可

42、能引起失效的常見缺陷金屬構件中可能引起失效的常見缺陷 鑄態金屬組織缺陷鑄態金屬組織缺陷 金屬鍛造及軋制件缺陷金屬鍛造及軋制件缺陷 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組織缺陷 熱處理產生的組織缺陷熱處理產生的組織缺陷 冷加工缺陷冷加工缺陷鑄造過程示意圖鑄造過程示意圖 孔眼類缺陷（氣孔、縮孔、疏松、砂眼、渣眼等）孔眼類缺陷（氣孔、縮孔、疏松、砂眼、渣眼等） 裂紋（熱裂紋、冷裂紋）裂紋（熱裂紋、冷裂紋） 形狀、尺寸及表面質量不合格（變形、錯箱、形狀、尺寸及表面質量不合格（變形、錯箱、 偏芯、澆不足、冷隔、披縫、表面粘砂及偏芯、澆不足、冷隔、披縫、表面粘砂及 表面粗糙等）表面粗糙等） 化學成分不一致（區域偏析、

43、重力偏析、枝晶偏析）化學成分不一致（區域偏析、重力偏析、枝晶偏析） 鑄態金屬組織常見缺陷鑄態金屬組織常見缺陷名稱 特 征名稱 特 征氣 孔主要為圓形、橢圓形的孔洞，表面較光滑，一般不在鑄件表面露出，大孔獨立存在，小孔則成群出現。 縮孔縮松 1縮孔：形狀為不規則的封閉或敞露的空洞，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，常出現在鑄件最后凝固部位。 2疏松：鑄件斷面上出現的分散而細小的縮孔。 粘 砂鑄件的部分或整個表面粘附著一層金屬和砂粒的機械混和物，多發生在鑄件厚壁和熱節處。 裂紋 1熱裂：斷面嚴重氧化，無金屬光澤，斷口沿晶界產生和發展，外形曲折而不規則的裂紋。 2冷裂：穿過晶體而不沿晶界斷裂，斷口有金屬光澤或有

44、輕微氧化色。 披縫 鑄件表面上有凸起的金屬片狀物，表面粗糙，邊角銳利，有小部分與鑄件本體相連。 化學成分及力學性能不合格 鑄件的化學成分和硬度、強度、伸長率、沖擊韌度、耐熱、耐蝕及耐磨等性能不符合技術條件要求。 白 口灰鑄鐵件斷面全部或表面出現亮白色組織，常在鑄件薄的斷面，棱角及邊緣部分。 縮孔縮孔厚大熱節厚大熱節, ,孔內粗糙；孔內粗糙；氣孔氣孔上表皮下上表皮下, ,孔內光滑；孔內光滑；砂眼砂眼轉角皮表轉角皮表, ,孔內有砂；孔內有砂；渣眼渣眼上表轉角上表轉角, ,孔內有渣?？變扔性；咎卣鳎夯咎卣鳎嚎s孔位置的確定縮孔位置的確定-等溫線法等溫線法1.1.熱裂紋熱裂紋 紋短、縫寬、形狀曲折

45、、縫內有氧化色紋短、縫寬、形狀曲折、縫內有氧化色。 形成熱裂的主要因素有：形成熱裂的主要因素有： 合金性質合金性質 結晶區間越寬、含硫量高易裂。結晶區間越寬、含硫量高易裂。 鑄型阻力鑄型阻力 注意型砂的退讓性注意型砂的退讓性。裂紋熱裂紋和冷裂紋裂紋熱裂紋和冷裂紋2.2.冷裂紋冷裂紋 形狀細小，直線狀。形狀細小，直線狀。 冷裂常出現在鑄件的最后凝固部位、鑄件形狀復冷裂常出現在鑄件的最后凝固部位、鑄件形狀復雜、受拉伸處，與鑄造缺陷有關；與合金性質有關。雜、受拉伸處，與鑄造缺陷有關；與合金性質有關。鑄件的內在質量及檢驗方法鑄件的內在質量及檢驗方法 金屬鍛造及軋制件缺陷金屬鍛造及軋制件缺陷內部組織缺陷

46、內部組織缺陷表面缺陷表面缺陷粗大魏氏體組織粗大魏氏體組織網絡狀碳化物及帶狀組織網絡狀碳化物及帶狀組織表層脫碳表層脫碳流線不順流線不順結疤結疤折疊折疊表面裂紋表面裂紋分層分層劃傷劃傷魏氏組織魏氏組織帶狀組織帶狀組織 流線組織：流線組織：CastingMachiningForging 鍛件相對鑄件和機加工零件，有更高的強度和韌性。鍛件相對鑄件和機加工零件，有更高的強度和韌性。 沖鍛時，鍛件可能留下沖鍛時，鍛件可能留下貫穿組織的流線，這些晶界貫穿組織的流線，這些晶界直接暴露在外，容易被環境直接暴露在外，容易被環境腐蝕，產生粗糙表面，應力腐蝕，產生粗糙表面，應力集中。集中。 金屬焊接組織缺陷金屬焊接組

47、織缺陷常見焊接缺陷常見焊接缺陷 焊接接頭的不完整性稱焊接缺陷。主要有焊接接頭的不完整性稱焊接缺陷。主要有焊接焊接裂紋裂紋、未焊透未焊透、夾渣夾渣、氣孔氣孔和和焊縫外觀缺陷焊縫外觀缺陷等等。 熱裂紋的特征：熱裂紋的特征： 熱裂紋可發生在熱裂紋可發生在焊縫區焊縫區或或熱影響區熱影響區。 熱裂紋的微觀特征是沿晶界開裂熱裂紋的微觀特征是沿晶界開裂晶間裂紋晶間裂紋。 熱裂紋在高溫下形成，所以有氧化色彩。熱裂紋在高溫下形成，所以有氧化色彩。 焊接裂紋焊接裂紋熱裂紋和冷裂紋：熱裂紋和冷裂紋： 冷裂紋的形態和特征：冷裂紋的形態和特征： 焊縫區和熱影響區都可能產生焊縫區和熱影響區都可能產生冷裂紋冷裂紋。冷裂。冷

48、裂紋的特征是無分支，通常為穿晶型。冷裂紋無氧紋的特征是無分支，通常為穿晶型。冷裂紋無氧化色彩?；?。 最常見的冷裂紋是最常見的冷裂紋是延遲裂紋延遲裂紋，即在焊后延遲，即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋。一段時間才發生的裂紋。 焊接氣孔焊接氣孔 氫氣孔氫氣孔 高溫時，氫在液體中的溶解度很大，大量的氫溶高溫時，氫在液體中的溶解度很大，大量的氫溶入焊縫熔池中，而焊縫熔池在熱源離開后快速冷卻，入焊縫熔池中，而焊縫熔池在熱源離開后快速冷卻，氫的溶解度急速下降，析出氫氣，產生氫氣孔。氫的溶解度急速下降，析出氫氣，產生氫氣孔。 一氧化碳氣孔一氧化碳氣孔 當熔池氧化嚴重時，熔池存在較多的當熔池氧化嚴重時，熔池存在較多的FeO，在熔池，在熔池