失效分析—材料强度与断裂_中国矿业大学.ppt

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,失效分析,材料强度与断裂,孙 智,博士,中 国 矿 业 大 学 教授，博导,中国机械工程学会失效分析学会失效分析专家,1,基本概念,2,束德林：金属力学性能，机械工业出版社，,TG113.2/S-253,，,TG113.2/S-253.2,孙茂才：金属力学性能，哈工大出版社，,TB3-51/C-532/10,徐积善：强度理论及其应用，水电出版社，,TG0346/X-432,郑,修麟：材料力学性能，西北工大出版社，,TG13301/Z-883,杨道明：金属力学性能与失效分析，冶金工业出版社，,TG115/Y-254,俞,茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社，,TG0346/Y-526,楮武,扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社，,TG111.91,2,本课程主要内容：,断裂力学基础（线弹性条件下的断裂韧性和断裂应力，缺口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性条件下裂纹前端的应力应变场及断裂韧性）。,断裂物理基础（断裂类型及断裂强度；韧断与脆断的特点、断裂判据及断口特征）。,断裂的微观机理（裂纹的形成理论与裂纹扩展途径分析）。韧化原理及工艺（影响韧性的因素及韧化工艺）。,疲劳断裂（疲劳断裂的机理，疲劳裂纹的形成与扩展，疲劳短裂纹及疲劳的闭合效应）。,环境断裂（氢致断裂的机理及力学参量；应力腐蚀机理及表征参量高温蠕变变形与断裂机理）,。,2,1.1.1,金属的常规性能指标,1.1,金属机械性能指标,拉伸曲线示意图,2,1.1.1,金属的常规性能指标,1.1,金属机械性能指标,拉伸曲线示意图,2,1.1.1,金属的常规性能指标,强度指标：,比例极限,p,应力与应变成正比关系的最大应力。,弹性极限,e,材料由弹性变形过渡到弹,-,塑性变形的应力。,应力超过弹性极限，即开始发生塑性变形。微量塑性变形。不允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。,屈服极限,金属发生明显塑性变形的抗力。,屈服点,s,屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。,屈服强度,0.2,规定产生,0.2%,残余伸长的应力。,抗拉强度（强度极限）,b,试样拉断前最大载荷所决定的条件临界应力。,国家标准中规定：,e,（,0.01,）,，,S,（,0.2,），,b,1.1,金属机械性能指标,2,1.1.1,金属的常规性能指标,塑性指标：,塑性,断裂前金属发生塑性变形的能力,伸长率,K,断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸,长与试样原标距的比值，。,伸长率与试样原始标距长度有关，,5,，,10,断面收缩率,断裂后试样截面的相对收缩值，与试样尺寸无关。,1.1,金属机械性能指标,2,1.1.1,金属的常规性能指标,硬度,衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种,综合性能指标,，不是一个单纯的物理量，试验方法不同，其物理意义也不同。,一般可以认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。,压入法、刻划法。,压入法,静载和动载。,静载,布氏、洛氏、维氏硬度。,动载,肖氏硬度。,1.1,金属机械性能指标,2,布氏硬度,HB,xxx,X,：,一定直径的钢球压入试件，用压入深度表征材料的硬度。测量压入坑的直径。,一般用于测试有色金属、调质和正火、退火态的黑色金属。,根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。,洛氏硬度,HRA,、,HRB,、,HRC,：,用,120,的金刚石圆锥或直径,1.588mm,压入试件，测量压入深度，以深度大小表征材料的硬度值。,一般用于测量淬火回火态的钢试件。,表面硬度计：,用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金属镀层等的硬度。,维氏硬度及显微硬度,HV,：,用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕对角线长度。,肖氏硬度,HS,：,动载试验法。用一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。,肖氏硬度,只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。,1.1,金属机械性能指标,2,1.1.1,金属的常规性能指标,硬度和抗拉强度之间的经验关系：,未淬硬钢：,b,=0.362HB HB,175,b,=0.345HB HB,175,b,=2.64,10,3,/,（,130-HRB,）,HRB,90,b,=2.61,10,3,/,（,130-HRB,）,100,HRB,90,碳钢：,b,=2.5HS,b,=51.32,10,4,/,（,100-HRC,）,2,HRC,27,灰铸铁：,b,=,（,HB-40,）,/6,b,=48.46,10,4,/,（,100-HRC,）,2,40,HRC,27,铸钢：,b,=,（,0.3,0.4,）,HB HRC,40,b,=8.61,10,3,/,（,100-HRC,）,HRC,40,1.1,金属机械性能指标,2,1.1.2,金属的其它性能指标,扭转,弯曲,压缩,1.1,金属机械性能指标,2,扭转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。,1.1,金属机械性能指标,2,弯曲试验：,表面强度。,脆性材料，表面处理的工件。铸铁，焊接接头等。评定塑性材料的塑性。,三点弯曲法。,1.1,金属机械性能指标,2,1.2.1,交变载荷,在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。,1.2,疲 劳 强 度,承受交变应力典型零件的应力循环特征,循环特征,零件名称,轴,齿轮齿根,轴承,连杆,螺栓,应力变化,循环特征,对称循环,脉动循环,脉动循环,大压小拉,大拉小压,应力性质,r,=,-,1,r,=,0,r,=,-,-,r,-,1,0,r,1,应力状态,对称弯曲,脉动弯曲,脉动压缩,不对称,不对称,2,1.2.2,交变应力下材料的抗力指标及性质,（,1,）疲劳抗力,材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力,。,（,2,）疲劳抗力指标及性质,a,疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力,r,，,称该材料的疲劳极限。,b,条件疲劳极限（疲劳强度）对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限表示。一般规定，承受大于,510,7,510,8,次应力循环而不破坏的最大应力称该材料的条件疲劳极限。,c,疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（,r,），,破坏前的应力循环次数，叫疲劳破坏的持久值。,d,裂纹扩展速率,1.2,疲 劳 强 度,2,对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲劳极限是不同的：,对称弯曲,-1,=0.4,b,对称拉压,-1,=0.28,b,对称扭转,-1,=0.22,b,脉动弯曲,-1,=0.65,b,1.2,疲 劳 强 度,2,1.2.3,交变应力下的安全系数,（）应力集中和应变集中的影响,（）尺寸的影响,一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。,尺寸的影响可用尺寸系数,来表示,1.2,疲 劳 强 度,图,2-25,锻钢疲劳极限的尺寸系数,2,（,3,）,表面加工状态的影响,表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数,1,来表示,钢件表面加工系数,1,抛光，,2,磨削，,3,精车，,4,粗车，,5,轧制，,6,淡水腐蚀表，,7,海水腐蚀表面,1.2,疲 劳 强 度,2,（,4,）,表面腐蚀的影响,腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数,2,来表示。,（,5,）表面强化的影响,一般来讲，材料强化能提高材料的疲劳极限，特别是存在应力集中时，效果更显著。表面强化对材料疲劳极限的影响可用表面强化系数,3,来表示。,强化方法,心部强度,b,（,MPa,）,钢试样的表面强化系数,3,光滑试样,有应力集中试样,K,f,1.5,K,f,2.0,高频淬火,600900,8001000,1.31.5,1.21.4,1.41.5,1.52.0,1.82.2,渗 氮,9001200,400600,1.11.3,1.82.0,1.517,3,1.72.1,渗 碳,700800,10001200,1.41.5,1.21.3,2,辊 压,6001500,1.11.4,1.41.6,1.62.0,喷 丸,6001500,1.11.4,1.11.4,1.62.0,1.2,疲 劳 强 度,2,1.2.4,接触应力,1,、接触面间的赫兹应力,两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（,Hertz,）,的弹性理论提出的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。,1.2,疲 劳 强 度,2,2,、,沿圆柱体接触面的对称平面（,y,=0,）,上，各点的应力分量,1.2,疲 劳 强 度,2,3,、,最大切应力,数值计算式,所在位置,切应力,yz,（,45,）在,z,=0.786,b,处达最大值。,1.2,疲 劳 强 度,2,4,、,交变切应力,实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交变切应力,yzn,的最大值在,z,0,=0.5,b,处，其值,yzn,max,=0.25,j,。,5,、,摩擦力对接触应力的影响,当摩擦系数为,1/3,时，将有如下变化：,最大主应力分量将增加,39%,；,最大切应力分量将增加,43%,；,最大交变应力分量将增加,36%,；,最大切应力所在位置，由距表面,0.786,b,处，移至表面，并向,y,方向偏离,0.3,b,。,1.2,疲 劳 强 度,