机械零件的失效分析 (2).ppt

第二节第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂零件在静载和冲击载荷下的断裂一、基本概念一、基本概念静载荷和冲击载荷断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。断裂的分类力学力学宏观宏观微观微观正断正断切断切断韧断韧断脆断脆断微孔聚合微孔聚合解理解理晶间晶间晶内晶内“虹虹桥桥”系系綦綦江江县县形形象象工工程程，形形似似彩彩虹虹而而得得名名，该该桥桥跨跨越越长长江江支支流流綦綦河河，连连接接城城东东城城西西，于于1994年年11月月5日日动动工工建建设设，1996年年2月月16日日竣竣工工，桥净空跨度桥净空跨度120米，耗资米，耗资368万元。万元。1999年年1月月4日日晚晚6时时50分分左左右右，彩彩虹虹桥桥整整体体垮垮塌塌，包括包括18名年轻武警战士在内的名年轻武警战士在内的40人遇难。人遇难。调调查查组组认认为为，这这次次垮垮塌塌事事件件由由两两方方面面的的原原因因造造成成。一一是是工工程程质质量量问问题题；二二是是工工程程承承发发包包不不合合法法。调调查查结结果果表表明明，这这次次惨惨剧剧不不是是天天灾灾，而而是是人人祸祸。其其根根本本原原因因，是是由由于于政政府府在在工工程程开开发发建建设设上上没没有有遵遵循循法法律律，履履行行必必要要的的审审核核、论论证证程程序序，采采取取了了“特特事事特特办办”的的方方式式，盲盲目目追追求求效效率率营营造造“献献礼礼工工程程”，从而酿成大祸。，从而酿成大祸。綦江彩虹桥垮塌案1999年3、4月，重庆第一中级人民法院对“綦江彩虹桥垮塌案”14名责任被告人进行一审宣判。其中10人不服，并上诉。同年12月，重庆市高院作出终审判决。林世元 男，原綦江县委员会副书记，因受贿罪、玩忽职守罪，被高级人民法院终审判处死刑，缓期2年执行。张基碧 男，原綦江县城乡建设管理委员会主任，因玩忽职守罪，被判处有期徒刑6年。赵祥忠 男，原重庆市市政工程质量监督站站长，因工程重大安全事故罪，被判处有期徒刑5年，并处以罚金2万元。贺际慎 女，原綦江县人大常委会副主任，因玩忽职守罪，被判处有期徒刑3年。费上利 男，“虹桥”工程组织承建者，因工程重大安全事故罪，被判处有期徒刑10年，并处罚金50万元。此外，李蒙泽、孙立、段浩、夏福利、阎珂、刘泽均、胡开明、王远凯等人，及重庆通用工业技术服务部，因重大工程重大安全事故罪、玩忽职守罪、生产销售不符合安全标准的产品罪等罪名，被判处6年至10年的有期徒刑，并处以3万至25万元罚金。綦江彩虹桥垮塌案例微孔聚合型断口微孔聚合型断口解理型断口解理型断口晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂裂纹形成（萌生）阶段裂纹形成（萌生）阶段裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段断裂过程断裂过程裂裂纹纹萌萌生生：材材料料在在外外力力作作用用下下，形形成成微微裂裂纹纹或以内部缺陷作为裂纹源。或以内部缺陷作为裂纹源。裂裂纹纹扩扩展展：微微裂裂纹纹或或裂裂纹纹源源逐逐渐渐扩扩展展至至一一临临界界尺尺寸寸时时，立立即即发发生生断断裂裂。前前者者段段称称裂裂纹纹亚亚稳稳扩扩展展阶阶段段，后后者者称称裂裂纹纹失失稳扩展阶段。稳扩展阶段。裂裂纹纹亚亚稳稳扩扩展展时时，裂裂纹纹扩扩展展阻力大，阻力大，da/dt较小；较小；裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展时时，裂裂纹纹扩扩展展阻阻力力小小，da/dt大大，最最大大可可达达该该材材料的声速。料的声速。韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，裂纹的扩展与塑性变形同时进行，故有明显的塑性变形，断裂慢。脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，故无明显塑性变形，断裂快。韧性韧性越好，脆断倾向越小；韧性越好，脆断倾向越小；力学性能指标：力学性能指标：冲击韧性冲击韧性 断裂韧性断裂韧性材材料料在在塑塑性性变变形形和和断断裂裂过过程程中中吸吸收收能能量量的的能能力力，是是材材料料强强度度和和塑塑性性的的综综合合表现。表现。二、冲击韧性二、冲击韧性衡量指标：冲击吸收功衡量指标：冲击吸收功 Ak 冲击韧度冲击韧度 ak(ak Ak/Fk)材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。工工程程中中常常将将材材料料的的屈屈服服强强度度与与冲冲击击韧韧性性结结合合在在一一起起用用于于零零件件及及结结构构的的设计。设计。焊焊接接结结构构设设计计中中，除除了了强强度度的的要要求外，规定焊接接头冲击吸收功求外，规定焊接接头冲击吸收功 Ak 27J冲击韧性的应用冲击韧性的应用-59-124162479低强度铁素体钢冲击断口照片低强度铁素体钢冲击断口照片系列冲击试验奥氏体钢低强度铁素体钢高强度钢冲击吸收功 Ak温度 TTk温度对材料的韧性影响很大，材料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温度，Tk。Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性好很低。三、断裂韧性传统的零件及结构设计是基于“材料是一个连续均质的整体”假设之上的，为防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上了材料的塑性和韧性指标。五大力学五大力学性能指标性能指标强度 b,s塑性,韧性 Ak/ak实际材料中是存在微裂纹及各种冶金缺陷的，而其中裂纹是最危险的一类缺陷，因此有必要研究带裂纹体的问题。断裂力学断裂力学应力强度因子应力强度因子断裂力学研究表明：裂纹尖端的应力应变场可用物理量来表征。x x,y,xyx x,y,xy张开型裂纹张开型裂纹I型型滑移型裂纹滑移型裂纹II型型撕裂型裂纹撕裂型裂纹III型型:几何形状因子，Y12；:工作应力；a:裂纹半长度。2a研究表明：当KI较小时，裂纹不会扩展，零件是安全的；当KI达到一个临界值时，裂纹才会扩展，这个临界值KIC是材料的性质。断裂韧度断断裂裂韧韧度度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：单位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2KI KIC 构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂KI KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件断裂判据断裂判据应用已知应力，材料，确定结构安全的最大裂纹长度已知裂纹长度，材料，确定结构安全的最大应力已知应力，裂纹长度，确定结构安全的材料断裂韧度是用高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，及用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等大型零件的重要性能指标。加载方式加载方式材料本质材料本质温度和加载速度温度和加载速度应力集中应力集中零件尺寸零件尺寸四、影响脆性断裂的因素四、影响脆性断裂的因素（一）加载方式和材料本质零零件件受受外外力力作作用用时时，其其内内部部各各点点的的应应力力状状态态可可用用三三个个主主应应力力1、2、3来来（1 2 3）来表示。）来表示。材料力学知识材料力学知识：应力状态软性系数，零件加载方式由表示。maxmaxksk侧压侧压22单向压单向压2 2扭转扭转0.80.8单向拉单向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.522单向压单向压2 2扭转扭转0.80.8单向拉单向拉0.50.5三向不等拉三向不等拉0.50.5加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同加载方式相同，材料本质不同，断裂方式不同（二）温度和加载速度TksTkTk（三）应力集中应力集中改变了应力状态，max，maxmax,。单单向向拉拉伸伸0.50.5，而而缺缺口口拉拉伸伸试样试样 0.5 0.5，易引起脆断。，易引起脆断。因此，因此，应应力集中会引起材料脆化。力集中会引起材料脆化。（四）零件尺寸薄板处于平面应力状态，较大；厚板处于平面应变状态，较小，易产生脆断。第三节 零件在交变载荷 下的疲劳断裂基本概念断口特征抗力指标一、基本概念一、基本概念交变载荷：载荷大小和交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载方向随时间发生周期变化的载荷。荷。疲劳断裂：零件在交变疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。断裂的现象成为疲劳断裂。最大最大应应力力 max最小最小应应力力 min幅幅应应力力 a平均平均应应力力 m应应力比力比 r火车轴（弯曲）火车轴（弯曲）曲轴（扭转）曲轴（扭转）齿轮齿根齿轮齿根（弯曲）（弯曲）球轴承球轴承（压缩）（压缩）连杆连杆（小拉大压）（小拉大压）缸盖螺钉缸盖螺钉（大拉小拉）（大拉小拉）疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点应力很低，常小于静载屈服强度；断裂时无明显宏观塑性变形，脆断；断口显示出裂纹形成、扩展和最后断裂三个阶段。二、疲劳断口的特征二、疲劳断口的特征零件所用材料的内部缺陷、加工缺陷、设计欠缺等引起局部应力集中，这些局部区域成为裂纹的产生地，即疲劳裂纹源区。疲劳源区疲劳源区疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹形成后，在交变应力的作用下，裂纹口不断张开和闭合，裂纹表面相互摩擦，裂纹向前扩展的同时留下一条条光亮的弧线，称疲劳线。疲劳线呈“贝壳状”或“海滩状”，这是疲劳断裂的重要特征。最后断裂区最后断裂区随着裂纹的扩展，有效承载面积减小，应力增加，当应力超过材料的断裂强度时，即发生快速断裂。此区同静载脆断断口，呈放射状。疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲一个疲劳源劳源两个疲两个疲劳源劳源微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区区疲疲劳劳源源区区三、疲劳抗力指标及其影响因素无裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳极限、过载持久值、缺口敏感度疲劳极限、过载持久值、缺口敏感度带裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值 Kth影响疲劳裂纹抗力的因素载荷类型、材料本质、表面状态、温度、介质载荷类型、材料本质、表面状态、温度、介质（一）无裂纹零（构）件的疲劳抗力指标材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳极限疲劳极限材材料料在在高高于于疲疲劳劳极极限限的的应应力力作作用用下下发发生生疲疲劳劳断断裂裂的的循循环环周次。周次。过载持久值过载持久值N1、N2、N3、N4均为疲劳过载持久值。试 验 测 定材 料 的 疲劳 极 限 常用 旋 转 弯曲 疲 劳 试验，r=-1，结果用-1表示。钢铁材料 部分在色金属（Al合金）条条件件疲疲劳劳极限极限应用多数零件按疲劳极限进行设计；有些零件承受的交变应力远高于疲劳极限，用过载持久值进行设计。低周疲劳 N105。疲劳缺口敏感度疲劳缺口敏感度常用q来衡量缺口对疲劳极限的影响其中，Kt为理论应力集中系数，与零件的几何形状有关，与材料无关，可从手册中查到；Kf为有效应力集中系数，即光滑试样和缺口试样疲劳极限之比，与零件几何形状及材料有关。maxmaxm mlg N-1-1-1N-1N0q1；Kf1，-1N-1，即缺口不降低疲劳极限，对缺口不敏感，此时q0；KtKf时，q1，缺口严重降低疲劳极限；q越小越好。（二）带裂纹零构件的疲劳抗力指标aNaC1Np1在固定应力比和应力幅时，可测得a-N曲线，裂纹扩展速率da/dN随a增加而增大；Np2aC2增加应力幅，在相同 循 环 次 数 下，da/dN增大；da/dN与与a、有关有关ABCIIIIII10-810-6mm/cyc10-510-2mm/cycK=KIC应用选材确定带裂纹零（构）件的最大承载能力确定零（构）件的允许的最大裂纹长度（三）影响疲劳抗力的因素（三）影响疲劳抗力的因素载荷类型载荷类型材料本质材料本质零件表面状态零件表面状态工作温度工作温度腐蚀介质腐蚀介质1.载荷类型载荷类型对疲劳极限及疲劳裂纹扩展门槛值均有重要影响。拉拉-压疲劳压疲劳-1p0.85-1 （钢）（钢）0.65-1 （铸铁）（铸铁）扭转疲劳扭转疲劳-1p0.55-1 （钢）（钢）0.8-1 （铸铁）（铸铁）2.材料本质不同材料有不同的疲劳曲线，r、q、da/dN、KIC及Kth不同；-10.5 b 中、低强度钢0.42 b 灰铸铁0.48 b 球墨铸铁0.350.4 b 铸铁铜合金材料的纯度及组织状态对疲劳抗力有显著影响组织状态b/MPa-1/MPa退火（铁素体珠光体）650314淬火（马氏体）208077540Cr钢组织类型对疲劳极限的影响钢组织类型对疲劳极限的影响3.零件的表面状态零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响。材料表面状态b/MPa-1/MPa45钢（正火）光滑656280有刀痕65414540Cr（淬火200回火）光滑1947780有刀痕19223004.工作温度T，r，Kth，da/dN 5.腐蚀介质在腐蚀介质作用下，r，Kth，da/dN 腐蚀疲劳小结疲疲劳劳断断裂裂是是零零构构件件常常见见的的一一种种失失效效形形式式，它是一种脆性断裂，危害很大；它是一种脆性断裂，危害很大；疲疲劳劳断断口口上上可可清清楚楚显显示示疲疲劳劳裂裂纹纹源源、裂裂纹纹扩扩展展区区和和最最后后断断裂裂区区，断断口口是是判判断断是是判断疲劳断裂的重要依据；判断疲劳断裂的重要依据；无无裂裂纹纹零零构构件件设设计计中中常常用用的的疲疲劳劳抗抗力力指指标标是是疲疲劳劳极极限限、过过载载持持久久值值和和疲疲劳劳缺缺口口敏感度；敏感度；r，构构件件在在一一定定的的周周次次下下断断裂裂，该该周周次次称称为为过过载载持持久久值值，工工作作应应力力越越大大，过过载载持久值越低；持久值越低；带裂纹零构件的疲劳抗力指标是带裂纹零构件的疲劳抗力指标是Kth；r与与Kth均均为为材材料料无无限限寿寿命命的的疲疲劳劳性性能能，前前者者表表示示材材料料阻阻止止裂裂纹纹形形成成的的能能力力，后后者者表示材料阻止裂纹扩展的能力。表示材料阻止裂纹扩展的能力。綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂分析彩虹桥竣工庆祝现场彩虹桥竣工庆祝现场坍塌的彩虹桥坍塌的彩虹桥彩虹桥的 主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉 索、锚具和镏片严重锈蚀。工程质量问题坍坍塌塌原原因因有有二二，一一是是工工程程质质量量问问题题，二二是是工工程程承承发发包包不不合合法法。此此工工程程无无设设计计专专用用章章，设设计计手手续续不不全全，实实际际上上是是私私人人设设计计；施施工工承承包包者者是是一一个个挂挂靠靠国国有有的的个个体体业业主主，其其组组织织的的施施工工队队伍伍不不具具备备进进行行市市政政工工程程建建设设的的技技术术力力量量和和设设备备，不不具具有有合合法法的的市政工程施工资质。市政工程施工资质。调查组结论调查组结论记者的报道记者的报道专业分析裂裂纹纹三向应力三向应力三向应力三向应力裂纹裂纹脆化脆化结构脆性断裂结构脆性断裂