第二章_失效分析基础知识课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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2a2bmax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 复合理论应力集中系数 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 当NSR1
5、 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
6、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(0.10.01mm)、原子尺度(10-3106)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
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