零件断裂失效与材料强度

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,2,零件断裂失效,与材料强度,2,2.1.1,失效的主要形式及其原因,序号,失效类型,失效形式,直接原因,1,过量变形失效,a.,扭曲（如花键）,b.,拉长（如紧固件）,c.,胀大超限（如液压活塞缸体）,d.,高低温下的蠕变（如动力机械）,e.,弹性元件发生永久变形,由于在一定载荷条件下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。,2,断裂失效,一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）,由于载荷或应力强度超过当时材料的承载能力而引起。,环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）,由于环境介质、应力共同作用引起的低应力脆断。,疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转、接触、拉,-,拉、拉,-,压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。,由于周期（交变）作用力引起的低应力破坏。,3,表面损伤失效,磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤（发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨损和磨粒磨损。,由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动造成材料流失所引起的一种失效形式。,腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。,环境气氛的化学和电化学作用引起。,2.1,机械零件失效形式与来源,3,2.1.2,失效的来源,引起零件早期时效的原因是很多的，主要有以下几方面：,1,、设计与选材上的问题；,2,、加工、热处理或材质上的问题；,3,、装配上的问题；,4,、使用、操作和维护不当的问题。,据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工方面的问题占,56%,以上。这是一个重要方面，在失效分析和设计制造中都应引起足够重视。,2.1,机械零件失效形式与来源,4,2.2.1,应力状态分析与强度理论,（,1,）材料的失效形式和应力状态 脆断 剪断 屈服,（,2,）强度理论,名 称,基本假设,相当应力表达式,强度条件,应用范围,第一强度理论（最大拉应力理论）,最大拉应力是引起材料破坏的原因。,极脆,材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）。三向拉应力状态。,第二强度理论（最大拉应变理论）,最大拉应变是引起材料破坏的原因。,压、扭联合作用下的脆性材料。,第三强度理论（最大切应力理论）,最大切应力是引起材料破坏的原因。,同,第四强度理论。,第四强度理论（统计平均剪应力理论）,最大剪应力无疑是材料屈服的主要原因，但其他斜面上的切应力也有影响，所以应用统计平均切应力。,塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、退火球铁、铜、铝等）的单向或二向应力状态。,任何材料在二向或三向压缩应力状态。,莫尔理论（修正后的第三强度理论）,在,最大切应力的基础上，应加正应力的影响。,拉压强度极限不等的脆性或低塑性材料在二向应力状态（二向压缩除外）的精确计算。,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,4,2.2.1,应力状态分析与强度理论,（,3,）强度理论应用,按这些理论，便可根据简单实验（如拉伸试验）所测得的材料抗力，分析计 算其他复杂应力状态下材料的强度。如按强度理论可以建立纯剪切应力状态的强 度条件并可以由此确立塑性材料许用剪应力,与许用拉应力,之间的关系：,如前所述，纯剪应力状态是一拉一压二向应力状态，且,按第三强度理论得出的强度条件为,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,按第四强度理论，可得出,5,注意：,对于同一种材料，采用不同的强度理论进行分析，有时会得出不同的结果。如铸铁在二向拉伸一向压缩且压力较大的情况下，试验结果与按第二强度理论的计算结果相近；而按照这一理论，铸铁在二向拉伸时应比单向拉伸安全，这显然与试验结果不相符，在这种情况下用第一理论计算的结果就比较接近试验数据。,因此在进行实际分析时应按各种强度理论的适用范围选用。,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,5,2.2.2,应力集中,零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中，表示应力集中程度大小的系数称为,应力集中系数：,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,5,当构件承受图示的应力状态时，裂隙端点附近的应力分布为：,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,5,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,当薄板或长柱在裂隙方向及其垂直方向受有均布剪力,q,时，其裂,隙端点（裂隙形式和前相同）附近的应力分布为：,5,形状,应力集中类型,载荷类型,应力集中系数（,）,集中特性,t/r,5,10,板材,细小的单边或双边切口,r,H,0.1mm,拉伸或压缩,5.5,7.5,棒材,细小的环形外部切口或内部小空腔,r,H,0.1mm,拉伸,3.5-4.0,4.5-5.0,弯曲,2.7-2.8,3.5,扭转,外部切口,3.0,4.0,内部切口,1.6,2.0,管材,内部或外部的细小环形切口,r,H,0.1mm,拉伸或弯曲,3.5-4.0,4.5-5.0,扭转,3.0,4.0,不同试样的应力集中系数,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,6,降低应力集中系数的措施,：,1,从设计方面降低应力集中系数,（,1,）变截面部位的过渡 加大圆角或改变方式,（,2,）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位,（,3,）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,6,降低应力集中系数的措施,：,2,采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度,（,1,）表面处理强化 表面感应加热淬火、渗碳、氮化和复合处理等,（,2,）薄壳淬火 直径大且有截面变化的短轴类零件，如选用低淬透性钢，经强烈淬火后，可形成表面薄的淬硬层，其内存在残余压应力，可降低应力集中的影响。,（,3,）喷丸强化 使金属表层强化且产生大的残余压应力，从而降低应力集中的的危害。,（,4,）滚压强化 使零件表面形变强化并产生残余压应力，从而降低应力集中的有害作用。,疲劳时的有效应力集中系数,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,7,2.2.3,残余应力和装配应力,1,残余应力的产生,（,1）,焊接残余应力,（,2）,热处理残余应力,（,3）,表面化学热处理引起的残余应力,（,4）,电镀引起的残余应力,（,5）,切削加工残余应力,2,消除残余应力的方法,（,1）,去应力退火,（,2）,回火或自然时效处理,（,3,）加静载（或动载）,（,4,）火焰烘烤法,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,8,（1）,焊接残余应力,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,9,（2）,热处理残余应力,组织应力分布,冷却初期,冷却后期,热应力分布,表面发生相变,心部发生相变,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,10,（2）,热处理残余应力,轧辊淬火残余应力,中心,表面,材料：,0.97%,C,硬化深度：,2.42.8,mm,心部轴向,心部周向,表面轴向,表面周向,火焰淬火残余应力分布,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,11,（3）,化学热处理引起的残余应力,（D,表示有效渗碳层深度）,D=0.8mm,渗碳层残余应力分布,氮化层残余应力分布,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,12,（4）,电镀引起的残余应力,金属,电镀溶液,应力（,MPa,）,Cr,Ni,Cu,Co,Zn,Zd,Pb,铬酸,硫酸,50,C,铬酸,硫酸,65,C,铬酸,硫酸,85,C,光亮镀镍用液纯净,光亮镀镍用液,+,杂质,光亮镀镍用液,+,糖精,酒石酸钾钠,氰化物,酒石酸钾钠,氰化物,+,硫氰酸钾,硫酸盐,酸,氰化物,过氯酸盐,107,255,432,107,225,19,61,-28,315630,-56 12,-8,-31,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,13,（5）,切削加工残余应力,铣加工表面残余应力,B,侧刃铣（低速）,C,端面铣（低速）,D,滚铣（高速）,砂轮太硬时的磨削应力,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,14,金 属 材 料 种 类,温度,C,时间,h,灰口铸铁,碳钢,Mo,钢（,C,0.2%）,Mo,钢（,0.2%,C,0.35%）,CrMo,钢（,2%,Cr，0.5%Mo）,CrMo,钢（,9%,Cr，1%Mo）,Cr,不锈钢,CrNi,不锈钢（,316,）,CrNi,不锈钢（,310,）,铜合金（,Cu）,铜合金（,80,Cu20Zn,或70,Cu30Zn）,铜合金（,60,Cu40Zn）,铜合金（,64,Cu18Zn18Ni）,镍和蒙乃尔合金（,Ni6469%Cu2632%,少量,Fe，,Mn,430600,600680,600680,680760,720750,750780,780800,820,870,150,260,190,250,280320,0.55,1,2,23,2,3,2,2,2,0.5,1,1,1,13,去应力退火的温度及保温时间,去应力退火,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,15,回火（,200400,C）,或自然时效（可降低残余应力,30%,）,加静载,使有残余应力部位发生屈服。,加动载,振动法，主要用于铸件和焊件；锤击法，主要用于焊接件。,火焰烘烤法,用于焊接件，可降低残余应力,30%,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,16,残余应力的测试方法,机械法,逐层剥除法 切割法 钻孔法,机械测长法，电阻,应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法,物理测定法,X,射线测定法,测定晶粒内的特定晶面的面间距发生的变化，求得应力。有照相法和计数管法。,磁性测定方法,铁磁体的磁化，受到晶体的各向异性、晶粒大小、合金元素、夹杂物及应力的影响。残余应力对磁畴的旋转和唯一会产生附加的阻力。,其他,脆性涂层,光学方法,奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性）,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,16,残余应力,对静强度和变形的影响,a）,加载前的残余应力,b）,加载后的残余应力,c）,中央部分的应力,-,应变曲线,d）,两侧部分的应力,-,应变曲线,e）,整体部分的应力,-,应变曲线,塑性材料,影响不大，或,没有影响,淬火回火,影响不可忽视,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,16,对硬度的影响,从原理而言硬度可分为压入硬度和回弹硬度。无论哪种硬,度的测定值都在一定程度上受到残余应力的影响，从而使测,得的硬度值有所变动。在压入硬度的情况，残余应力要影响,到压入部分周围塑性变形。,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,16,对疲劳的影响,一般，当承受交变应力的构件存在压缩残余应,力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸残余应力,时，构件的疲劳强度下降。,对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响,对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的，有大量的事例和分析表明有许多类似的失效的应力是由残余应力提供的或残余应力起到了至关重要的作用。,2.2,零件受力分析及强度刚度计算,17,2.3.1,低应力脆断及材料的韧性,脆性断裂的共性特点：,（,1,）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的,（,2,）脆断通常发生在比较低的工作温度下,（,3,）脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处,（,4,）厚截面、高应变速率促进脆断。,冲击韧性,应力场强度因子,缺口敏感性,温度和应变速率对脆断的影响,脆性转折温度,FATT NDT SATT FTP METT,2.3,材料的韧性与断裂设计,18,冲击韧性,在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是缺口冲击实验。为了统一和对比，人们对冲击实验的试样、冲击方法等规范化，形成了标准的冲击韧性实验方法和试样标准。常用的冲击试样有夏氏,V,型和梅氏,U,型缺口试样，如图所示，用冲击试样的断裂功,A,K,（J）,或,a,k,（J/cm,2,）,作为材料的韧性指标。,2.3,材料的韧性与断裂设计,18,2.3.2,断裂韧性在结构设计和失效分析中的应用,安全判据 是结构断裂设计的依据。,结构设计应用例,（,1,）一厚板零件，使用,0.45,C-Ni-Cr-Mo,钢制造。其 如图所示。,无损检测发现裂纹长度在,4,mm,以上，设计工作应力为 。,讨论：,a,工作应力,d,=750MNm,-2,时，检测手