1、第二章第二章 失效分析基础知识失效分析基础知识2.1 机械零件失效形式与来源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机械零件失效形式及原因 1.按照产品按照产品失效的形态失效的形态进行分类进行分类过量变形过量变形扭曲、拉长、胀大、扭曲、拉长、胀大、蠕变、弹性元件永久蠕变、弹性元件永久变形变形断裂断裂一次加载断裂一次加载断裂过载过载环境介质环境介质环境、应力环境、应力疲劳断裂疲劳断裂交变应力交变应力表面损伤表面损伤磨损磨损材料流失材料流失腐蚀腐蚀化学和电化学化学和电化学对断裂的分类对断裂的分类力学力学脆性断裂脆性断裂 延性断裂延性断裂工艺工艺铸件铸件 锻件锻件 焊接焊接金相金相穿
2、晶断裂穿晶断裂 沿晶断裂沿晶断裂产品产品轴轴 齿轮齿轮 连接件连接件断裂机制断裂机制微孔型断裂微孔型断裂解理型断裂解理型断裂沿晶断裂沿晶断裂 疲劳断裂疲劳断裂原因原因（机理（机理模式）模式）过载过载 疲劳疲劳 脆性脆性环境环境 混合混合断口形貌断口形貌（宏观）（宏观）纤维状纤维状 结晶状结晶状 细瓷细瓷状状 贝壳贝壳 人字形杯锥人字形杯锥状状断口形貌断口形貌（微观）（微观）微孔微孔 冰糖冰糖 河流花样河流花样台阶台阶 扇形扇形 蛇形蛇形 龟龟板板 辉纹辉纹 2.根据失效的诱发因素分类根据失效的诱发因素分类（力学、环境、时间）（力学、环境、时间）机械力机械力引发引发弹性变形弹性变形 塑性变形塑性
3、变形 断裂断裂 疲劳疲劳 剥落剥落热应力热应力引发引发蠕变蠕变 热松弛热松弛 热冲击热冲击 热疲劳热疲劳 蠕变疲劳蠕变疲劳摩擦力摩擦力引发引发粘着磨损粘着磨损 磨粒磨损磨粒磨损 表面疲劳磨损表面疲劳磨损冲击磨损冲击磨损 微动磨损微动磨损 咬合咬合活性介活性介质引发质引发化学腐蚀化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀 应力腐蚀应力腐蚀 腐蚀腐蚀疲劳疲劳 生物腐蚀生物腐蚀 辐照腐蚀辐照腐蚀 氢致损伤氢致损伤3.根据使用过程对失效分类根据使用过程对失效分类失效率失效率早期失效期早期失效期使用时间使用时间使用寿命使用寿命偶然失效期偶然失效期规定的失效率规定的失效率损耗失效期损耗失效期图图2-1 浴盆曲线浴盆曲
4、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从经济法的观点对失效进行分类涉及到责任问题涉及到责任问题 产品缺陷失效产品缺陷失效（本质失效）（本质失效）产品质量问题带来的失效，责产品质量问题带来的失效，责任归生产单位任归生产单位误用失效误用失效使用不当造成的，用户责任使用不当造成的，用户责任受用性失效受用性失效不可抗力原因导致不可抗力原因导致损耗失效损耗失效正常失效正常失效分类方法非常多，综合使用分类方法非常多，综合使用2.1.2 失效的来源失效的来源1.设计的问题设计的问题 高应力部位存在沟槽，机械缺口及圆角半高应力部位存在沟槽，机械缺口及圆角半径过小等径过小等 应力计算方面
5、的错误。载荷类型性质大小应力计算方面的错误。载荷类型性质大小没有正确的认识没有正确的认识 设计判据不正确。设计判据不正确。2.材料选择上的缺点材料选择上的缺点 选择的判据有误（有经验无准则）选择的判据有误（有经验无准则） 脆性脆性 韧脆转变温度韧脆转变温度 KIC 韧性韧性 抗拉强度抗拉强度 剪切屈服剪切屈服 疲劳疲劳 疲劳强度疲劳强度 疲劳寿命疲劳寿命 蠕变蠕变 持久强度持久强度 工作温度工作温度 应力腐蚀应力腐蚀 腐蚀介质腐蚀介质 腐蚀抗力腐蚀抗力 缺陷缺陷 冶金缺陷冶金缺陷 加工缺陷加工缺陷3.加工制造及装配中存在的问题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加工方法的
6、选择及合理的技术要求 热处理热处理 酸洗酸洗 电镀电镀 正确的安装正确的安装4.不合理的服役条件不合理的服役条件 不合理的启动停车、超速、过载、服役、不合理的启动停车、超速、过载、服役、超温、异物、腐蚀介质超温、异物、腐蚀介质2.2.1 应力集中与应力集中系数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。的系数称为应力集中系数。2.2 应力集中与零件失效应力集中与零件失效2a2bmax平均平均PP 我们知道，裂纹尖端曲率半径越小，应力我们知道，裂纹尖端
7、曲率半径越小，应力集中程度越大。当集中程度越大。当r趋近于趋近于0时，应力趋近时，应力趋近于无穷大。于无穷大。 当应力强度大于材料的屈服强度时，材料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。发生塑性变形，应力得到松弛。 缺口形状影响应力集中程度缺口形状影响应力集中程度，圆孔优于椭，圆孔优于椭圆优于尖角圆优于尖角 缺口位置缺口位置 零件结构零件结构 缺口尺缺口尺寸寸 载荷性质载荷性质等都是重要的原因等都是重要的原因 缺口件有效疲劳强度的计算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复合理论应力集中系数k11）（缺口试件的疲劳极限光滑
8、试件的疲劳极限fK 复合理论应力集中系数复合理论应力集中系数 参看参看26页表页表2-22.2.1 应力集中对零件失效的影响应力集中对零件失效的影响 缺陷处均会产生应力集中缺陷处均会产生应力集中 加工、冶炼、设加工、冶炼、设计等缺陷计等缺陷 1.材料的缺口敏感性材料的缺口敏感性 bNbNSR 当当NSR1时，缺口处发生塑性变形，缺口时，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强化效应，材料的缺口敏感性小或不敏感 当当NSR0.1mm 微孔应力：在晶粒尺度（微孔应力：在晶粒尺度（0.10.01mm）、）、原子尺度（原子尺度（10-3106）范围内，保持平衡）范围内，保持平衡的
9、应力。的应力。 工作工作 ：外加载荷：外加载荷+残余应力残余应力 残余压应力：提高疲劳抗力，抗腐蚀应力等残余压应力：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使用过程中残余应力的重新分布而导致材料尺寸的变化布而导致材料尺寸的变化2.3.2 残余应力的产生残余应力的产生 1.热处理残余应力热处理残余应力 热应力：不同温度处膨胀量不用引发的热应力：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组织应力：不同组织的比容不同引起的 图图2-9 图图2-10请同学分析图请同学分析图2-122.表面化学热
10、处理引起的残余应力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、渗与化学热处理的种类有关，一般渗碳、渗氮后为压应力状态。氮后为压应力状态。影响因素：影响因素： 渗碳厚度：典型随着渗层厚度增加，外表渗碳厚度：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钢种的影响：相变过程中的应力状态不同3.焊接残余应力焊接残余应力 热应力、组织应力、拘束应力热应力、组织应力、拘束应力影响因素
11、影响因素: 直接应力直接应力: 加热不均匀加热不均匀 间接应力：焊前残余应力，焊后变形的影间接应力：焊前残余应力，焊后变形的影响响 组织应力：高淬透性钢较为明显，回火不组织应力：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足时，可能导致焊接接头脆性开裂4.铸造残余应力铸造残余应力 结构应力结构应力 组织应力组织应力影响因素：影响因素： 构件截面内保持平衡的残余应力：表层和内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。（图的构件
12、，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素有关，一般认为与型砂的强度成正比 铸件成分：硅小，磷大铸件成分：硅小，磷大 组织转变：与淬火残余应力相同组织转变：与淬火残余应力相同5.涂镀层引起的残余应力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、电镀：电镀层的特性、基体金属、电解液、工艺工艺 激光强化：温差较大激光强化：温差较大 热喷涂涂层：温度梯度较大，物理特性差热喷涂涂层：温度梯度较大，物理特性差异大异大6.切削加工的残余应力切削加工的残余应力 塑性变形塑性变形+摩擦热摩擦热
13、2.3.3 残余应力的影响残余应力的影响1.对静强度的影响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，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载荷除去后残余应力也会发生改变2.对硬度的影响对硬度的影响对压入硬度：残余拉应力使硬度下降，压应对压入硬度：残余拉应力使硬度下降，压应力的影响不大（图力的影响不大（图2-26）对回弹硬度：残余拉应力使硬度下降对回弹硬度：残余拉应力使硬度下降3.对疲劳强度的影响对疲劳强度的影响残余拉应力：降低疲劳强度残余拉应力：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
14、的方法消除和调整残余应力的方法 热作用法热作用法 机械作用法机械作用法1.去应力退火去应力退火 消除焊接、铸造、机加残余应力消除焊接、铸造、机加残余应力2.回火或自然失效处理回火或自然失效处理 回火：淬火后的应力消除回火：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：是将工件加热到人工时效：是将工件加热到550650进行去应力进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底为彻底. 3.机械法机械法加
15、载荷使得有残余应力的部位发生屈服而松加载荷使得有残余应力的部位发生屈服而松弛应力弛应力反复弯曲法、旋转扭转法、拉伸法、振动法、反复弯曲法、旋转扭转法、拉伸法、振动法、锤击法（焊接）锤击法（焊接）振动时效：对构件加交变应力，与残余应力振动时效：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。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材料的韧性与断裂设计2.4.1 低应力脆断及材料的韧性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断裂韧度在结构设计和失效分析中的应用用2.5 应
16、力分析与失效分析应力分析与失效分析2.5.1 应力状态分析与强度理论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和应力状态 失效形式失效形式 脆断：无宏观塑性变形脆断：无宏观塑性变形 剪断：沿最大剪应力方向断裂（铸铁的压缩）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屈服：经过一定塑性变形后的断裂应力状态应力状态 单向应力状态，二维应力状态三维单向应力状态，二维应力状态三维2.强度理论强度理论 表表2-5 最大拉应力理论最大拉应力理论 最大拉应变理论最大拉应变理论 最大切应力理论最大切应力理论 统计平均切应力理论统计平均切应力理论 莫尔理论莫尔理论2.5.2
17、 单向拉压应力单向拉压应力1.数学表达式数学表达式 对脆性材料对脆性材料 对塑性材料对塑性材料 bbnn0 ssnn0许用应力许用应力 安全系数安全系数 2.提高材料强韧性能的措施提高材料强韧性能的措施 拉应力时：截面受力均匀拉应力时：截面受力均匀 淬透性淬透性 弯曲、扭转：淬硬层厚度为轴半径的弯曲、扭转：淬硬层厚度为轴半径的1/31/2，心部韧性较好，表层硬度较高，心部韧性较好，表层硬度较高 防止氧化、脱碳、过烧等缺陷生成防止氧化、脱碳、过烧等缺陷生成3.失效分析失效分析 韧性韧性or脆性？脆性？ 强度设计？强度设计？ 加工缺陷？加工缺陷？ 冶金缺陷？冶金缺陷？2.5.3 平面拉应力平面拉应
18、力 特点：切向应力是轴向应力的两倍特点：切向应力是轴向应力的两倍 注意切应力的作用：注意切应力的作用： 对压力容器件：对压力容器件： 轴向的焊缝轴向的焊缝 热影响区热影响区 尺尺寸变化的地方寸变化的地方 失效分析失效分析 泄露（韧性）泄露（韧性） 爆炸（脆性）爆炸（脆性）例：高压气瓶例：高压气瓶2.5.4 弯曲应力弯曲应力1.应力状态应力状态三点弯曲：三点弯曲：yWMM弯矩弯矩W抗弯截面系数抗弯截面系数上压下拉上压下拉2.选材及热处理选材及热处理 表面淬火，不完全淬透表面淬火，不完全淬透3.失效分析失效分析 断裂：脆断断裂：脆断 疲劳断裂，夹杂，残余拉应力疲劳断裂，夹杂，残余拉应力 轴向裂纹：
19、淬硬层过大，残余应力为拉应轴向裂纹：淬硬层过大，残余应力为拉应力力2.5.5 扭转应力扭转应力 特点：特点： 兼顾强度和韧性兼顾强度和韧性 选材：中碳或中碳合金钢选材：中碳或中碳合金钢 热处理：不淬透热处理：不淬透 中温回火得到回火托氏体中温回火得到回火托氏体 失效分析：失效分析： 韧断：断口平齐并与轴线垂直韧断：断口平齐并与轴线垂直 低温回火低温回火 脆断：断口与轴线成脆断：断口与轴线成45螺旋状螺旋状 高温回火高温回火 扭转角过大：刚度不够扭转角过大：刚度不够maxmax2.5.6 交变应力交变应力1.交变应力的类型和特点交变应力的类型和特点 表表2-7 56页页应力的大小或方向随着时间变
20、化而变化的应力应力的大小或方向随着时间变化而变化的应力2.指标指标 疲劳抗力：疲劳抗力： 疲劳极限疲劳极限 疲劳强度疲劳强度 疲劳破坏的持久值疲劳破坏的持久值 裂纹扩展速率裂纹扩展速率3.交变应力下的安全系数交变应力下的安全系数 影响因素较多影响因素较多 应力集中和应变集中的影响应力集中和应变集中的影响 Kf 尺寸影响尺寸影响 尺寸增加，疲劳强度降低尺寸增加，疲劳强度降低 表面加工状态的影响表面加工状态的影响 表面腐蚀的影响表面腐蚀的影响 表面强化的影响表面强化的影响 对称循环下的安全系数对称循环下的安全系数2.5.7 接触应力接触应力自习自习人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
