常见失效形式及特征和诊断.pptx

2010.11.02第三章 常见失效形式及特征和诊断失效分析主要内容主要内容疲劳断裂失效疲劳断裂失效脆性断裂失效脆性断裂失效塑性断裂失效塑性断裂失效屈服失效屈服失效过量弹性变形失效过量弹性变形失效失效分析主要内容主要内容蠕变失效蠕变失效磨损失效磨损失效腐蚀疲劳失效腐蚀疲劳失效氢脆失效氢脆失效腐蚀失效、应力腐蚀失效腐蚀失效、应力腐蚀失效失效分析3.1过量弹性变形失效过量弹性变形失效3.1.1概述概述弹性性变形形零件受机械零件受机械应力或力或热应力作用力作用产生生弹性性变形形胡克定律：胡克定律：热胀冷冷缩：线膨膨胀系数系数失效：工作失效：工作载荷和温度使零件的荷和温度使零件的弹性性变形形量超量超过匹配数匹配数值失效分析3.1.2特征及判断特征及判断失效失效产品是否有品是否有严格的尺寸匹配要求，高温或格的尺寸匹配要求，高温或低温工作低温工作经历配合表面是否有划配合表面是否有划伤、擦痕或磨、擦痕或磨损设计是否考是否考虑弹性性变形影响形影响计算算验证失效分析3.1.3防止措施防止措施选材或材或结构构材料的材料的弹性模量、性模量、热膨膨胀系数系数增加截面增加截面积、降低、降低应力力匹配尺寸匹配尺寸采用减少采用减少变形影响的形影响的转接件接件失效分析3.2屈服失效屈服失效3.2.1概述概述屈服失效屈服失效由由过量塑性量塑性变形引起的失效形引起的失效例例某厂的洗某厂的洗涤塔塔为薄壁薄壁圆筒筒结构。构。输入煤气前入煤气前用蒸汽冲洗，之后用蒸汽冲洗，之后错误关关闭放散放散阀，向塔内，向塔内喷冷水，使塔内蒸汽冷凝形成冷水，使塔内蒸汽冷凝形成负压。导致塔壁收致塔壁收缩内陷，塔身整体内陷，塔身整体发生扭曲生扭曲变形，形，产生屈服失生屈服失效。效。失效分析3.2.2特征及判断特征及判断失效件有明失效件有明显的塑性的塑性变形形测量失效件或与正常件比量失效件或与正常件比较严重的塑性重的塑性变形用肉眼判形用肉眼判别失效分析3.2.3过载压痕痕损伤屈服失效的特殊形式屈服失效的特殊形式两个互相接触的曲面之两个互相接触的曲面之间存在静存在静压应力，力，使匹配的一方或双方使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局生局部屈服形成局部的凹陷。部的凹陷。例例滚珠珠轴承在开始运行前如果静承在开始运行前如果静载过大，大，钢球球压入入滚道使型面破坏道使型面破坏较少少单独出独出现，往往是其他失效形式如磨，往往是其他失效形式如磨损、接触疲、接触疲劳失效的失效的诱因。因。失效分析3.2.4防止和改防止和改进措施措施降低降低实际应力力降低工作降低工作应力：减小零件有效截面力：减小零件有效截面积和和工作工作载荷荷减少残余减少残余应力：工力：工艺因素因素降低降低应力集中力集中提高材料屈服提高材料屈服强度度失效分析材料的材料的韧性与断裂性与断裂设计断裂力学和断裂力学和断裂力学理断裂力学理论在失效分析中的在失效分析中的应用用低温脆性和低低温脆性和低应力脆断力脆断失效分析断裂力学主要内容断裂力学主要内容1概述概述2Griffith断裂理断裂理论3裂裂纹扩展的能量判据展的能量判据4裂裂纹尖端的尖端的应力力场5裂裂纹尖端的塑性区尖端的塑性区6断裂力学理断裂力学理论在失效分析中的在失效分析中的应用用失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计力学力学宏观宏观正断正断切断切断韧断韧断脆断脆断失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计材料断裂的载荷变形量关系 失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计一、一、断裂力学概述断裂力学概述断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。按照按照传统力学力学设计，只要求工作，只要求工作应力力小于小于许用用应力力，即，即 acac时时，就就会会自自动动扩扩展展；而而当当a aacac时时，要要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力3.Griffith3.Griffith公式和理论断裂强度公式比较公式和理论断裂强度公式比较 m=m=（E/aE/a）1/2 c=(2E/a)1/21/2 c=(2E/a)1/2在在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化的消长与变化失效分析结论1.Griffith认为，裂，裂纹尖端局部区域的材料区域的材料强度可达其理度可达其理论强度度值。2.倘若由于倘若由于应力集中的作用而使裂的作用而使裂纹尖端的尖端的应力超力超过材料的理材料的理论强度度值，则裂裂纹扩展，展，引起断裂。引起断裂。3.根据根据弹性性应力集中系数的力集中系数的计算算,可得到相可得到相似公式似公式4.Griffith公式公式适用于陶瓷、玻璃陶瓷、玻璃这类脆性材料。失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计三、三、裂裂纹扩展的能量判据展的能量判据断裂断裂过程程裂裂纹形成（萌生）形成（萌生）阶段段裂裂纹扩展展阶段段裂裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹或以或以内部缺陷作内部缺陷作为裂裂纹源。源。裂裂纹扩展：微裂展：微裂纹或裂或裂纹源逐源逐渐扩展至一展至一临界尺界尺寸寸时，立即，立即发生断裂。前者段称裂生断裂。前者段称裂纹亚稳扩展展阶段，后者称裂段，后者称裂纹失失稳扩展展阶段。段。失效分析断裂断裂过程程裂裂纹亚稳扩展展时，裂，裂纹扩展阻力大，展阻力大，da/dt较小；小；裂裂纹失失稳扩展展时，裂，裂纹扩展阻力小，展阻力小，da/dt大，大，最大可达最大可达该材料的声速。材料的声速。韧断断时，裂，裂纹的的亚稳扩展展阶段段较长，裂，裂纹的的扩展与塑性展与塑性变形同形同时进行，故有明行，故有明显的塑性的塑性变形，形，断裂慢。断裂慢。脆断脆断时，几乎没有，几乎没有亚稳扩展展阶段，故无明段，故无明显塑塑性性变形，断裂快。形，断裂快。失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计三、三、裂裂纹扩展的能量判据展的能量判据断裂的能量判据 裂裂纹失失稳扩展展条件：条件：GriffithGR R=GriffithGR R=s Orowan修正修正GR R=2(sp)断裂的能量判据断裂的能量判据：GIGIc GIc=或或GIc=2(s+p)当当G GI I增增大大，达达到到材材料料对裂裂纹扩展展的的极极限限抗抗力力时，裂裂纹体体处于于临界界状状态。此此时，G GI I达达到到临界界值G GICIC，裂裂纹体体发生断裂生断裂G GICIC的的单位位为Jmm2，与与冲冲击韧性性的的相相同同，故故可可将将GIC称为断裂韧性。失效分析材料的韧性与断裂设计材料的韧性与断裂设计四、四、裂裂纹顶端的端的应力力场断裂力学研究表明：裂断裂力学研究表明：裂纹尖端的尖端的应力力应变场可用物理量来表征。可用物理量来表征。x x,y,xyx x,y,xy失效分析三种断裂三种断裂类型型根据裂根据裂纹体的受体的受载和和变形情况，可将裂形情况，可将裂纹分分为三种三种类型：型：(a)张开型开型(或称拉伸型或称拉伸型)裂裂纹：外加拉：外加拉应力与裂力与裂纹面面垂直，使裂垂直，使裂纹张开。开。这种种张开型裂开型裂纹通常通常简称称I型型裂裂纹。(b)滑开型滑开型(或称剪切型或称剪切型)裂裂纹：外加切：外加切应力平行于裂力平行于裂纹面并垂直于裂面并垂直于裂纹前前缘线，通常称，通常称为型裂型裂纹。(c)撕开型裂撕开型裂纹：外加切：外加切应力既平行于裂力既平行于裂纹面又平行面又平行于裂于裂纹前前缘线，也，也简称称型裂型裂纹。实际工程构件中裂工程构件中裂纹形式大多属于形式大多属于I型裂型裂纹，也，也是最危是最危险的一种裂的一种裂纹形式，最容易引起低形式，最容易引起低应力力脆断。脆断。失效分析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型型失效分析裂纹尖端附近的应力场裂纹尖端附近的应力场(a)(b)失效分析裂纹尖端附近的应力场裂纹尖端附近的应力场设一无限大平板中心含有一一无限大平板中心含有一长为的穿透裂的穿透裂纹，垂直裂，垂直裂纹面方向平板受均匀的拉伸面方向平板受均匀的拉伸载荷作用。荷作用。对于薄板，于薄板，处于平面于平面应力状力状态,见图a az=0z=0，xz=yz=0 xz=yz=0,即只有即只有,x,y,xyx,y,xy3 3个个应力分量力分量作用在作用在XOYXOY平面内，平面内，平面平面应力状力状态具有三向具有三向应变对于厚板，于厚板，处于平面于平面应变状状态，见图bz=0z=0，故有，故有zz=v(x+yx+y），xz=yzxz=yz=0,即尖端附近的即尖端附近的应变仅存在存在xx,yy,xyxx,yy,xy3个个应变分量分量存存在于在于XOY平面内，平面内，平面平面应变状状态受三向拉受三向拉应力作用力作用I型裂型裂纹尖端尖端处于三向拉伸于三向拉伸应力状力状态，应力状力状态柔度系数柔度系数很小，因而是危很小，因而是危险的的应力状力状态。失效分析对于于I型裂型裂纹，裂，裂纹尖端任一点的尖端任一点的应力和位移分量取决力和位移分量取决于于该点的坐点的坐标(r,)(r,)，材料的，材料的弹性常数以及参量性常数以及参量K KI I。KI I可用下式表示可用下式表示 K KI I=若裂若裂纹体的材料一定，且裂体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置尖端附近某一点的位置(r,)(r,)给定定时，则该点的各点的各应力分量唯一地决定于力分量唯一地决定于K KI I之之值。K KI I之之值愈大，愈大，该点各点各应力力,位移分量之位移分量之值愈高。愈高。K KI I反映了裂反映了裂纹尖端区域尖端区域应力力场的的强度，故称度，故称为应力力强度度因子。因子。它它综合反映了外加合反映了外加应力、裂力、裂纹长度度对裂裂纹尖端尖端应力力场强度的影响。度的影响。失效分析四、断裂判据四、断裂判据断裂断裂韧性：性：对于受于受载的裂的裂纹体，体，应力力强度因子度因子KIKI是描写裂是描写裂纹尖端尖端应力力场强弱程度的力学参量，可以推断当弱程度的力学参量，可以推断当应力增大力增大时，KIKI也逐也逐渐增加，当增加，当K1K1达到某一达到某一临界界值时，带裂裂纹的构件就的构件就断裂了。断裂了。这一一临界界值便称便称为断裂断裂韧性性K Kc c（平面应力断裂韧性）或或K KIcIc（平面应变断裂韧性）。断裂断裂K K判据：判据：当当应力力强度因子增大到一度因子增大到一临界界值，这一一临界界值在数在数值上上等于材料的平面等于材料的平面应变断裂断裂韧性性K KIcIc时，裂，裂纹就立即失就立即失稳扩展，构件就展，构件就发生脆断。于是，断裂判据便可表达生脆断。于是，断裂判据便可表达为 KI I=K KIcIc失效分析断裂韧度KIC:是是评定定材材料料抵抵抗抗脆脆性性断断裂裂的的力力学学性性能能指指标，指指的的是是材材料料抵抵抗抗裂裂纹失失稳扩展的能力。展的能力。单位：MPam1/2或者或者MNm-3/2失效分析五、断裂力学理五、断裂力学理论在失效分析中的在失效分析中的应用用已知已知应力，材料，确定力，材料，确定结构安全的最大裂构安全的最大裂纹长度度已知裂已知裂纹长度，材料，确定度，材料，确定结构安全的最大构安全的最大应力力已知已知应力，裂力，裂纹长度，确定度，确定结构安全的材料构安全的材料失效分析安全判据安全判据是结构断裂设计的依据。是结构断裂设计的依据。1结构设计应用例结构设计应用例（1）一厚板零件，使用）一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。其钢制造。其如图所示。如图所示。无损检测发现裂纹长度在无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为以上，设计工作应力为。讨论：讨论：a工作应力工作应力 d=750MNm-2时，检测手段能否保证防止发生脆断？时，检测手段能否保证防止发生脆断？b企图通过提高强度以减轻零件重量，若企图通过提高强度以减轻零件重量，若 b提高到提高到1900MNm-2是否合适？是否合适？c如果如果 b提高到提高到1900MNm-2，则零件的允许工作应力是多少？，则零件的允许工作应力是多少？解：解：a选用钢材，选用钢材，为为66MNm-3/2，计算得，计算得b通过热处理提高材料强度通过热处理提高材料强度 b=1900MNm-2，则，则=34.5MNm-3/2，计算得裂纹临界长，计算得裂纹临界长度度2c=2.1mm。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。若改用钢材若改用钢材4，则可计算得，则可计算得2c约为约为4.35mm，满足要求。，满足要求。c在在 b=1900MNm-2时，对钢材时，对钢材1，在临界裂纹，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为时，其工作应力为 d=685MNm-2对钢材对钢材4，在临界裂纹，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为时，其工作应力为 d=990MNm-2 失效分析 例例2*2*计算构件中的临界裂纹尺寸，并评价材料的计算构件中的临界裂纹尺寸，并评价材料的脆断倾向。脆断倾向。一般构件中，较常见的是表面半椭圆裂纹。一般构件中，较常见的是表面半椭圆裂纹。由前式并从安全考虑，其临界裂纹尺寸可由下式估算由前式并从安全考虑，其临界裂纹尺寸可由下式估算ac=0.25(75/1500)ac=0.25(75/1500)2 2=0.625 mm=0.625 mm(1)(1)超高强度钢超高强度钢 这类钢的屈服强度高而断裂韧性低。若这类钢的屈服强度高而断裂韧性低。若某构件的工作应力为某构件的工作应力为1500 MPa1500 MPa，而材料的，而材料的K KICIC=75MPam,=75MPam,则则ac=0.25(Kac=0.25(KICIC/)2 2失效分析(2)(2)中低强度钢中低强度钢 这类钢在低温下发生韧脆转变。这类钢在低温下发生韧脆转变。在韧性区，在韧性区，K KICIC可高达可高达150 MPam150 MPam 而在脆性区，则只有而在脆性区，则只有30-40 MPam30-40 MPam，甚至更低，甚至更低这类钢的设计工作应力很低，往往在这类钢的设计工作应力很低，往往在200 MPa200 MPa以下。取工作以下。取工作应力为应力为200 MPa200 MPa，则在韧性区，则在韧性区，acac0.25(150/200)0.25(150/200)2 2=140140 mmmm。因用中低强度钢制造构件，在韧性区不会发生舱断；即因用中低强度钢制造构件，在韧性区不会发生舱断；即使出现裂纹，也易于检测和修理。而在脆性区使出现裂纹，也易于检测和修理。而在脆性区ac=ac=0.25(30/200)0.25(30/200)2 2=5.6 mm5.6 mm。所以中低强度钢在脆性区。所以中低强度钢在脆性区仍有脆断的可能。仍有脆断的可能。失效分析1.外因外因板厚或截面尺寸：断裂板厚或截面尺寸：断裂韧性随板厚或截面尺寸性随板厚或截面尺寸的增加而减小的增加而减小趋于于KIC温度：随温度下降，断裂温度：随温度下降，断裂韧性急性急剧降低。降低。应变速率：速率：应变速率增加，断裂速率增加，断裂韧性降低。性降低。2.内因内因晶粒尺寸：晶粒尺寸：细化晶粒同化晶粒同时提高提高强度和度和韧性性夹杂和第二相：使和第二相：使韧性降低性降低组织结构：构：马氏体，氏体，贝氏体，奥氏体氏体，奥氏体断裂断裂韧性：奥氏体性：奥氏体下下贝氏体氏体马氏体氏体上上贝氏体氏体断裂韧性影响因素断裂韧性影响因素失效分析低低应力脆断特点力脆断特点低低应力，符合力，符合强度度设计准准则发生在比生在比较低的工作温度下低的工作温度下裂裂纹源通常在源通常在结构或材料的缺陷构或材料的缺陷处厚截面、高厚截面、高应变速率促速率促进脆断脆断低应力脆断及材料的韧性低应力脆断及材料的韧性失效分析钢的脆性钢的脆性1.1.冷脆：当温度低于某一温度冷脆：当温度低于某一温度tktk时，材料由韧性断裂转变为脆性时，材料由韧性断裂转变为脆性断裂。原因：温度降低，材料的断裂。原因：温度降低，材料的断裂韧性下降断裂韧性下降。2.2.蓝脆：碳钢和某些合金钢在蓝脆：碳钢和某些合金钢在230230370370拉伸时，强度升高，塑性拉伸时，强度升高，塑性降低出现脆性。在该温度范围内降低出现脆性。在该温度范围内加热钢的氧化色为蓝色，故称为加热钢的氧化色为蓝色，故称为蓝脆。原因：主要是杂质和合金蓝脆。原因：主要是杂质和合金元素在晶界沉淀，降低晶界结合元素在晶界沉淀，降低晶界结合能，使钢的断裂韧性下降。能，使钢的断裂韧性下降。3.3.重结晶脆：某些钢钢在奥氏体重结晶脆：某些钢钢在奥氏体转变温度以上发生重结晶，呈现转变温度以上发生重结晶，呈现较大脆性。原因：奥氏体韧性相较大脆性。原因：奥氏体韧性相减少，钢的断裂韧性下降。减少，钢的断裂韧性下降。失效分析失效分析3.3塑性断裂失效塑性断裂失效3.3.1概述概述塑性塑性变形形零件所受的零件所受的实际应力高于材料的屈服力高于材料的屈服强度度时产生的生的变形。形。塑性断裂失效塑性断裂失效在断裂前有明在断裂前有明显的塑性的塑性变形，一般表形，一般表现为过载断裂。断裂。属于微孔聚集型断裂，是塑性属于微孔聚集型断裂，是塑性变形累形累积的的结果。果。裂纹萌生和扩展过程：裂纹萌生和扩展过程：塑性变形塑性变形 微孔形成、长大、连接微孔形成、长大、连接 塑性变形塑性变形 试样断裂，剪切唇试样断裂，剪切唇微孔聚集型断裂的断裂韧性与材料的弹性模量、应变强化指数微孔聚集型断裂的断裂韧性与材料的弹性模量、应变强化指数和第二相质点间距有关。和第二相质点间距有关。失效分析中低强度钢的光滑圆柱试样静拉伸断口中低强度钢的光滑圆柱试样静拉伸断口断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇断口三要素：纤维区、放射区、剪切唇失效分析3.3.2特征及判断特征及判断塑性断裂的主要特征塑性断裂的主要特征裂裂纹或断口有宏或断口有宏观塑性塑性变形形显微微组织：大面：大面积的的韧窝裂裂纹或断口附近有明或断口附近有明显的塑性的塑性变形形层（剪切唇）（剪切唇）判断依据判断依据肉眼可肉眼可见的塑性的塑性变形。形。零件表面覆盖的脆性膜开裂。零件表面覆盖的脆性膜开裂。断口两断口两侧不能拼合。不能拼合。裂裂纹源区断口粗糙，源区断口粗糙，纤维状，色状，色泽灰暗。灰暗。失效分析3.3.3改改进措施措施与屈服失效相同，尽可能使塑性与屈服失效相同，尽可能使塑性变形不形不继续发展成展成为断裂。断裂。失效分析3.4脆性断裂失效脆性断裂失效3.4.1概述概述脆性断裂脆性断裂断裂前没有明断裂前没有明显塑性塑性变形，断裂形，断裂应力低于屈服力低于屈服强度，又称度，又称为低低应力脆断。力脆断。1.低温脆性断裂低温脆性断裂冷脆金属冷脆金属绝大多数的体心立方金属及密排六方金属。如大多数的体心立方金属及密排六方金属。如铁素体、低碳素体、低碳钢。随着温度的降低，随着温度的降低，发生断裂形式生断裂形式转化及塑脆化及塑脆过渡。渡。失效分析断裂特点：（断裂特点：（低碳低碳钢）屈服屈服强度度s s随温度降低而随温度降低而显著升高，而脆性断裂著升高，而脆性断裂强度度f f无明无明显变化化T TTkTk，由塑性断裂向脆，由塑性断裂向脆性断裂性断裂转化。化。缺口的存在使材料脆性缺口的存在使材料脆性倾向增加，向增加，TkTk升高。升高。失效分析三要素三要素失效分析3.4.1概述概述2.含裂含裂纹体体试样或零件或零件的低的低应力脆断力脆断断裂力学断裂力学应力水平越高，脆性断力水平越高，脆性断裂裂裂裂纹尺寸越小尺寸越小裂裂纹尺寸越大，脆性断尺寸越大，脆性断裂裂应力水平越低力水平越低断裂断裂韧度度失效分析3.4.1概述概述3.冶金缺陷引起的低冶金缺陷引起的低应力脆断力脆断过热、过烧、非金属、非金属夹杂、回火脆性等、回火脆性等例例粗晶粗晶组织失效分析3.4.2特征及判断特征及判断没有明没有明显宏宏观塑性塑性变形形裂裂纹源位于源位于变截面截面应力集中或缺陷力集中或缺陷处平断口，断口平面与主平断口，断口平面与主应力方向垂直力方向垂直断口呈断口呈细瓷状，光亮，瓷状，光亮，闪光刻面，无剪切光刻面，无剪切唇唇发生在低温或冲生在低温或冲击载荷作用下荷作用下断裂瞬断裂瞬间完成完成失效分析3.4.3防止措施防止措施从从设计上考上考虑，应保保证工作温度高于材料的脆性工作温度高于材料的脆性转变温度，温度，对在低温下工作的零件在低温下工作的零件应选用脆性用脆性转变温度比工作温度更低的材料；尽量避免三向温度比工作温度更低的材料；尽量避免三向应力的工作条件，减力的工作条件，减缓应力集中。力集中。从工从工艺上考上考虑，应正确正确执行工行工艺规程，避免程，避免诸如如过热、过烧、回火脆性、回火脆性、焊接裂接裂纹及淬火裂及淬火裂纹等。等。热加工后需要回火的，加工后需要回火的，应及及时回火，消除内回火，消除内应力。力。对于于电镀件件应及及时进行去行去氢处理。理。从操作上考从操作上考虑，应遵守遵守设计规定的使用条件，操定的使用条件，操作平作平稳，尽量避免冲，尽量避免冲击载荷。荷。失效分析低低应力脆断力脆断举例例119121912年泰坦尼克号（年泰坦尼克号（TitanicTitanic）首航沉没于冰海，）首航沉没于冰海，成了成了2020世世纪令人令人难以忘以忘怀的悲惨海的悲惨海难。19851985年以后，探年以后，探险家家们数次深潜到数次深潜到12,61212,612英尺深英尺深的海底研究沉船，起出的海底研究沉船，起出遗物。物。19951995年年2 2月美国月美国科科学大众学大众（Popular SciencePopular Science）杂志志发表了表了R R Gannon Gannon 的文章，的文章，标题是是What Really Sank The What Really Sank The TitanicTitanic,副副标题是是“为什么什么不会沉没的不会沉没的船船在撞上一个冰山后在撞上一个冰山后3 3小小时就沉没了？一就沉没了？一项新的科学新的科学研究回答了研究回答了8080年未解之年未解之谜”。http:/ Titanic 号采用了含硫高的号采用了含硫高的钢板，板，韧性很差，特性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。是典型的脆性断口。近代船用近代船用钢板的冲板的冲击试样则具有相当好的具有相当好的韧性性Titanic号钢板号钢板(左图左图)和近代船用钢板和近代船用钢板(右图右图)的冲击试验结果的冲击试验结果失效分析失效分析失效分析低低应力脆断力脆断举例例2钢制油罐制油罐车因因焊接缺陷而引起低温脆断接缺陷而引起低温脆断失效情况：失效情况：在在-34运行运行过程中在底梁和罩体程中在底梁和罩体连接接处断裂，断裂，裂裂纹起源于底梁支撑件两起源于底梁支撑件两侧的厚的厚6.3mm的前盖的前盖板和厚板和厚16mm的的侧支撑板之支撑板之间的的焊缝。断裂特征：裂断裂特征：裂纹形成后向上呈脆性形成后向上呈脆性扩展，穿展，穿过侧支撑板，通支撑板，通过外罩板和外罩板和侧支撑板之支撑板之间的的焊缝达达20cm多；断口上有多；断口上有“人人”字花字花样，逆指向，逆指向裂裂纹源。源。失效分析失效分析：失效分析：裂纹及缺陷检查：仔细检查裂纹源处焊缝，发现有裂纹及缺陷检查：仔细检查裂纹源处焊缝，发现有未熔合，焊缝热影响区有表面裂纹等缺陷。未熔合，焊缝热影响区有表面裂纹等缺陷。材质检查：钢的化学成分符合标准材质检查：钢的化学成分符合标准性能检测：对外罩板和侧支撑板进行缺口冲击试验，性能检测：对外罩板和侧支撑板进行缺口冲击试验，21J21J脆性转变温度分别为脆性转变温度分别为-7-5-7-5 和和-1-15 5 ，外罩，外罩板零延性转变温度板零延性转变温度NDT=5-10 NDT=5-10。结论：断裂起始于：断裂起始于焊接缺陷，属于低温脆性断接缺陷，属于低温脆性断裂，其原因裂，其原因为钢材脆性材脆性转变温度太高，温度太高，结构工构工作温度低于作温度低于钢材脆性材脆性转变温度。温度。措施：更措施：更换材料，材料，应改善改善焊接工接工艺和和检验方法。方法。失效分析3.5疲劳断裂失效疲劳断裂失效3.5.1概述概述疲疲劳失效：材料与构件在交失效：材料与构件在交变应力作用下力作用下的失效，称的失效，称为疲疲劳失效失效(fatiguefailure),简称疲称疲劳(fatigue)。循循环载荷作用下，荷作用下，经一定循一定循环周次后周次后发生生的断裂称的断裂称为疲疲劳断裂。断裂。据据统计，在机械零件失效中有，在机械零件失效中有6070以上以上属于疲属于疲劳失效。失效。失效分析疲劳失效实例疲劳失效实例失效分析失效分析 疲劳源疲劳源疲劳源疲劳源失效分析失效分析该曲曲轴是是疲劳断裂，开始主要开始主要为旋旋转弯曲弯曲疲劳开裂开裂轴的断面一部分光亮，一部轴的断面一部分光亮，一部分粗糙，应该属于疲劳断裂分粗糙，应该属于疲劳断裂失效分析轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）失效分析失效分析机身结构强度机翼颤振和付翼“反逆”现象主要原因是结构刚度不足。疲劳和耐久性要求失效分析3.5疲劳断裂失效疲劳断裂失效3.5.13.5.1概述概述疲疲劳失效的分失效的分类按按按按应应力状力状力状力状态态拉拉压疲疲劳、弯曲疲、弯曲疲劳、扭、扭转疲疲劳、接触疲、接触疲劳、振、振动疲疲劳按按按按环环境和接触情况境和接触情况境和接触情况境和接触情况机械疲机械疲劳(常温、空气中的疲常温、空气中的疲劳)、高温疲、高温疲劳、低温、低温疲疲劳、冷、冷热疲疲劳及腐及腐蚀疲疲劳等等按断裂寿命和按断裂寿命和按断裂寿命和按断裂寿命和应应力高低力高低力高低力高低 高周疲高周疲劳：N Nf f10105 5，s s，高，高应力力疲疲劳，应变疲疲劳失效分析基本形式基本形式n n 切断疲切断疲劳失效失效力学条件：力学条件：切切应力缺口切断力缺口切断强度度l l正正应力缺口正断力缺口正断强度度11特点：特点：1.1.疲疲劳裂裂纹起源起源处为平面平面应力状力状态。2.2.初裂初裂纹的所在平面与的所在平面与应力力轴约成成4545角，沿滑移面角，沿滑移面扩展。展。例：面心立方例：面心立方结构的构的单相金属材料相金属材料产生条件：生条件：低低强度高塑性材料；中小型及薄壁零件度高塑性材料；中小型及薄壁零件大大应力振幅；高的加力振幅；高的加载频率；率；较高的温度条件高的温度条件失效分析正断疲正断疲劳失效失效力学条件：力学条件：正正应力缺口正断力缺口正断强度度1切切应力缺口切断力缺口切断强度度(5107)(5108)次次时的的应力力为“条件条件疲疲劳极限极限”钢铁材料 部分有色金属（Al合金）条件疲劳极限条件疲劳极限失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正近似近似S-N曲曲线：根据拉伸：根据拉伸强度做出。度做出。对称弯曲：称弯曲：N=103疲疲劳极限极限为0.9 b，N=106转折点，折点，-1=0.5 b（锻钢）0.4 b(轧钢材、材、铸钢和和铸铁)失效分析失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正负荷持久荷持久值：材料在高于：材料在高于疲疲劳极限的极限的应力作用下力作用下发生疲生疲劳断裂的循断裂的循环周次。周次。N0疲疲劳寿命；寿命；A相相应的的应力水平幅力水平幅值；NA疲疲劳曲曲线转折点的折点的疲疲劳寿命；寿命；r疲疲劳极限；极限；K疲疲劳曲曲线有限寿命有限寿命部分的斜率部分的斜率失效分析1、构件外形的影响（、构件外形的影响（应力集中会力集中会显著降低著降低构件的疲构件的疲劳极限）极限）2、构件尺寸的影响（随着、构件尺寸的影响（随着试件横截面尺寸件横截面尺寸的增大，疲的增大，疲劳极限会相极限会相应地降低）地降低）3、构件表面、构件表面质量的影响（表面量的影响（表面质量越高，量越高，疲疲劳极限越高）极限越高）失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正1应力集中因素修正力集中因素修正截面突截面突变处的的应力集中力集中疲疲劳条件下的条件下的应力集中系数力集中系数在弯曲或拉在弯曲或拉压条件下条件下在扭在扭转条件下条件下11f-=SSK光滑试样的疲劳极限；有应力集中试样的疲劳极限。失效分析截面突变处的应力集中现象截面突变处的应力集中现象失效分析Kt理论应力集中因数，可查表确定理论应力集中因数，可查表确定失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正1应力集中因素修正力集中因素修正缺口敏感性系数缺口敏感性系数Kt理论应力集中系数失效分析q 材料对应力集中的敏感系数材料对应力集中的敏感系数失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正2.尺寸效尺寸效应应力梯度力梯度尺寸系数尺寸系数大尺寸试样的疲劳极限光滑小试样的疲劳极限失效分析失效分析钢质构件的尺寸系数失效分析例例 铬镍合金钢阶梯轴铬镍合金钢阶梯轴 b=920MPa，1=420MPa，1=250MPa，求弯曲和，求弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数解：1.弯曲时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数由表查尺寸系数f50f40r=5失效分析2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数由图表查有效应力集中系数应用直线插值法由表查尺寸系数失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正3.构件表面状构件表面状态的影响的影响表面加工系数表面加工系数其它加工时的疲劳极限磨削加工时的疲劳极限失效分析表面加工系数 1失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正4.环境介境介质的影响的影响表面腐表面腐蚀系数系数-1试件在干燥空气中的疲劳极限-1C同一材料在腐蚀介质中的疲劳极限失效分析失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正5.表面表面强化的影响化的影响直接提高了表面直接提高了表面层的的强度；改度；改变了表面的内了表面的内应力力分布，使表面分布，使表面层产生残余生残余压应力，降低了表面拉力，降低了表面拉应力力表面表面强化方法：化方法：表面冷作表面冷作变形形(喷丸、丸、滚压、滚压抛光等抛光等)；表面表面热处理理(表面渗碳、渗氮、表面渗碳、渗氮、氰化、表面高化、表面高频或火焰或火焰淬火等淬火等)表面表面镀层和涂和涂层失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正5.表面表面强化的影响化的影响表面表面强化系数化系数失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(一一)疲疲劳曲曲线及修正及修正表面状表面状态系数：表面加工系数、表面腐系数：表面加工系数、表面腐蚀系数和表面系数和表面强化系数化系数总称。称。无限寿命无限寿命设计（Nf107）:对早期失效零件早期失效零件首先首先应核算其核算其强度度设计失效分析无限无限寿命区寿命区有限寿命区有限寿命区失效分析3.5.2疲疲劳失效行失效行为特征特征(二二)应变一寿命曲一寿命曲线(三三)含裂含裂纹构件的疲构件的疲劳行行为特征特征(四四)热疲疲劳失效分析3.5.2疲劳失效行为特征热疲劳的基本概念热疲劳的基本概念热疲劳破坏热疲劳破坏：金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环：金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环(或热应变循环或热应变循环)，或者与机械应力的联合作用下导致疲劳裂，或者与机械应力的联合作用下导致疲劳裂纹形成与扩展，最后一期零部件疲劳失效的现象。纹形成与扩展，最后一期零部件疲劳失效的现象。产生原因：产生原因：工作交变温度工作交变温度热应力热应力(又称温差应力又称温差应力)变化引起材料内部变化引起材料内部膨胀和收缩产生循环膨胀和收缩产生循环热应变，热应变，塑性应变累积损伤产生疲劳裂塑性应变累积损伤产生疲劳裂纹。纹。p零件热膨胀受到约束零件热膨胀受到约束p同一零件内部存在温度梯度同一零件内部存在温度梯度p两组件之间存在温度差两组件之间存在温度差p线膨胀系数不同的材料相组合或连接线膨胀系数不同的材料相组合或连接应变疲劳失效分析热疲劳破坏的特征热疲劳破坏的特征宏观断口：与机械疲劳断口在宏观上有相似宏观断口：与机械疲劳断口在宏观上有相似1.深灰色，覆盖氧化物深灰色，覆盖氧化物2.表面疲劳裂纹呈表面疲劳裂纹呈龟裂状龟裂状或近似相互平行的多裂纹形态或近似相互平行的多裂纹形态3.裂纹裂纹走向：沿晶或穿晶走向：沿晶或穿晶裂纹端部较尖锐，裂纹内有腐蚀产物裂纹端部较尖锐，裂纹内有腐蚀产物4.裂纹源于表面，与表面垂直，多源裂纹源于表面，与表面垂直，多源裂纹扩展深度与应力、时间及温差变化相对应裂纹扩展深度与应力、时间及温差变化相对应微观微观断口：断口：疲劳辉纹粗大，有时出现韧窝花样疲劳辉纹粗大，有时出现韧窝花样失效分析失效分析失效分析影响因素影响因素1.环境的温度梯度及变化频率越大越易产生热疲劳环境的温度梯度及变化频率越大越易产生热疲劳2.热膨胀系数不同的材料组合时，易出现热疲劳热膨胀系数不同的材料组合时，易出现热疲劳3.晶粒粗大且不均匀，易产生热疲劳晶粒粗大且不均匀，易产生热疲劳4.晶界分布的第二相质点对热疲劳的产生，具有促进作用晶界分布的第二相质点对热疲劳的产生，具有促进作用5.材料的塑性差，易产生热疲劳材料的塑性差，易产生热疲劳6.零件的几何结构对金属的膨胀和收缩的约束作用大，易产生零件的几何结构对金属的膨胀和收缩的约束作用大，易产生热疲劳热疲劳塑性材料，不易发生；塑性材料，不易发生；脆性材料，易发生；脆性材料，易发生；蠕变蠕变/疲劳的共同作用疲劳的共同作用失效分析3.5疲劳断裂失效疲劳断裂失效3.5.3疲疲劳失效的判断失效的判断疲疲劳断裂失效原因断裂失效原因疲劳失效过程和机制疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳失效过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成疲劳裂纹形成疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展:微裂纹扩展、宏观裂纹扩展微裂纹扩展、宏观裂纹扩展瞬时断裂瞬时断裂:当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂当裂纹扩展达到临界尺寸时，发生最终的断裂失效分析疲劳微裂纹形成的方式表面滑移带开裂在循环载荷作用下,即使循环应力不超过屈服强度，也会在试件表面形成滑移带,称为循环滑移带。拉伸时形成的滑移带分布较均匀，而循环滑移带则集中于某些局部区域。而且在循环滑移带中会出现挤出与挤入，从而在试件表面形成微观切口。夹杂物与基体相界面分离或夹杂物本身断裂晶界或亚晶界开裂。失效分析v疲劳的初期，出现滑移带。随着循环数的增加，滑移带增加。v除去滑移带，重新循环加载，滑移带又在原处再现。v这种滑移带称为持久滑移带(Persist Slip Band)。v在持久滑移带中出现疲劳裂纹。v 已形成的微裂纹在循环加载时将继续长大。当微裂纹顶端接近晶界时，其长大速率减小甚至停止长大。这必然是因为相邻晶粒内滑移系的取向不同。循环滑移带的持久性失效分析v微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微微裂纹只有穿过晶界，才能与相邻晶粒内的微裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观裂纹联接，或向相邻晶粒内扩展，以形成宏观尺度的疲劳裂纹。尺度的疲劳裂纹。v因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因因为晶界有阻碍微裂纹长大和联接的作用，因而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。而有利于延长疲劳裂纹形成寿命和疲劳寿命。v较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体较大的夹杂物或第二相，会由于夹杂物与基体界面开裂而形成微裂纹。界面开裂而形成微裂纹。v第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。第二相在循环加载，会形成沿晶裂纹。失效分析晶粒晶粒裂纹扩展路径裂纹扩展路径侵入和挤出模型失效分析滑移带滑移带滑移带滑移带初始裂纹初始裂纹初始裂纹初始裂纹晶界晶界晶界晶界失效分析初始缺陷初始缺陷初始缺陷初始缺陷滑滑滑滑 移移移移滑移带滑移带滑移带滑移带初始裂纹初始裂纹初始裂纹初始裂纹(微裂纹微裂纹微裂纹微裂纹)宏观裂纹宏观裂纹宏观裂纹宏观裂纹脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂宏观裂纹扩展宏观裂纹扩展宏观裂纹扩展宏观裂纹扩展失效分析第第I阶阶段段，裂裂纹纹沿沿着着与与拉拉应应力力成成45o的的方方向向，即即在在切切应应力力最最大大的的滑滑移移面面内内扩扩展展。第第I阶阶段段裂裂纹纹扩扩展展的的距距离一般都很小，约为离一般都很小，约为23个晶粒。个晶粒。第第II阶