认证主体：吉**（实名认证）
IP属地：贵州
下载本文档
应力集中与零件失效
残余应力与零件失效
材料的韧性与断裂设计
裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；
裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；
腐蚀产物的水溶液PH值在5～6，呈现酸性；
断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中的氮含量；
结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效裂纹均从内表起因（%）材料选择不恰当38装配错误15错误的热处理15机械设计错误11未预见的操作条件8环境控制不够充分6不恰当的或缺少监测与质量控制5材料混杂2表3在一般工业工程中调查的失效原因的比例起因起因（%）保养不恰当44安装错误17设计缺陷16不正确的维修损坏10材料缺陷7未定原因8表4航空零件失效原因的比例起因机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？设计的问题材料选择上的问题加工制造及装配中存在的问题不合理的服役条件机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？设计的问题分析设计原因引起失效需要注意：
对复杂构件进行可靠的应力计算，充分考虑构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小；在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小；
避免设计时只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视脆性断裂、低循环疲劳、应力
腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效；分析设计原因引起失效需要注意：对复杂构件进行可靠的应力RD2车轴举例RD2车轴举例选材：使用性原则加工工艺性能原则经济性原则特殊环境材料中的缺陷：铸造焊接锻造热处理切削加工材料选择上的问题：选材：使用性原则加工工艺性能原则经济性原则特殊环境材料中的缺制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不文明施工及安装导致的表面损伤；不合理的服役条件：超速、过载、不合理的启动和停车、异常介质的引入；制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不合理的服役条件：超速、过键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬断区键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬2.2应力集中与零件失效应力集中与应力集中系数应力集中对零件失效的影响降低应力集中的措施2.2应力集中与零件失效应力集中与应力集中系数含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配，也会造成应力集中。含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变截面过渡圆角处的应力分布理论应力集中系数应力集中系数手册变截面过渡圆角处的应力分布理论应力集中系数应力集中系数手册几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会受到哪些因素的影响？？提出问题：应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会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、检修产生缺陷影响应力集中与断裂失效的因素材料力学性能零件几力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；影响应力集中与断裂失效的因素力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，影响应力集零件几何形状：断裂部位影响应力集中与断裂失效的因素零件几何形状：断裂部位影响应力集中与断裂失效的因素零件应力状态：举例：上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。应力状态：弯曲疲劳零件应力状态：举例：上海汽车锻造总厂生产的汽缺陷：缺陷：降低应力集中的措施
强化材料，降低应力集中的作用整体强化局部强化工艺、特点降低应力集中的措施强化材料，降低应力集中的作用整体
合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数
合理设计，降低应力集中系数轴肩轴环合理设计，降低应力集中系数轴肩轴环
合理设计，降低应力集中系数间隔环凹圆角卸载槽合理设计，降低应力集中系数间隔环凹圆角卸载槽
合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载槽减小轮毂的刚度作阶梯轴合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载
合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径开卸载槽合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径开卸载槽孔上倒角
过盈配合时增大配合处的直径
合理设计，降低应力集中系数孔上倒角过盈配合时增大配合处的直径合理设计，降低应力集
合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析2.3残余应力与零件失效残余应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。（固有应力、内应力）分类第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位引起。2.3残余应力与零件失效残余应力：物体在无外载荷时，存在
机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性有十分重要的影响。残余应力的作用
适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，影响尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。作用利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜
热处理残余应力
表面化学热处理残余应力
焊接残余应力
铸造残余应力
涂镀层残余应力
切削加工残余应力哪些工艺过程中会产生残余应力？产生了怎样的残余应力？热处理残余应力表面化学热处理残余应力焊接残残余应力是怎样产生的？？热应力＋组织应力＋拘束应力
不均匀的塑性变形
不均匀的温度变化
不均匀的相变残余应力是怎样产生的？？热应力＋组织应力＋拘束应力消除和调整残余应力的方法去应力退火金属材料种类温度/℃时间/h灰铸铁碳钢Cr不锈钢Cr-Ni不锈钢(316)铜合金(60Cu-40Zn)铜合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211自然时效处理消除和调整残余应力的方法去应力退火金属材料种类温度回火
施加静载使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，使残余应力松弛。例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，产生所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。回火施加静载例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内振动时效
(VibrationStressRelief,VSR)锤击、喷丸、滚压
振动时效(VibrationStressRelie振动等离子熔覆过程示意图振动等离子熔覆过程示意图0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象残余应力的测量方法破损法无损法盲孔法环芯法磁弹性法X射线衍射法残余应力的测量方法破损法无损法盲孔法环芯法磁弹性法X射线衍射在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一小孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。盲孔法的基本原理盲孔法测试残余应力应变片示意图在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一
静态电阻应变仪应变花静态电阻应变仪钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容忽视。钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容改进方法：
逐层剥除法
阶梯钻孔法
一点多次扩孔的盲孔测定法改进方法：环芯法的测量原理一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的大小和方向。环芯法测量残余应力用的应变花环芯法的测量原理一块各向同性的板材中假定存在双缺点：
机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用；
检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；优点：
直观、检测方便；
可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家标准要求之内（误差小于25MPa）；
适合于各类材料；缺点：优点：中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod优秀硕士论文：中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究优秀硕士论文：
通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余应力。当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射峰的位置也将发生变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力（表面应力）。X射线衍射法的基本原理《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》张定铨何家文著西安交通大学出版社通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余Stress3000衍射仪Stress3000衍射仪钢岔管测区位置示意图钢岔管外观钢岔管测区位置示意图钢岔管外观多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理技术磁化过程的三个阶段技术磁化过程的三个阶段磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应”拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增加，巴克豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输出电量增加。磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应”拉应力时优点：方便、快速和准确缺点：只适用于磁性材料优点：方便、快速和准确缺点：只适用于磁性材料2.4材料的韧性与断裂设计低应力脆断
通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。
脆断通常发生在比较低的工作温度下。脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。
厚截面、高应变速率促进脆断。共同点？2.4材料的韧性与断裂设计低应力脆断通常发生脆断时的材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。静力韧度―应力－应变曲线冲击韧度断裂韧度材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和断裂韧度在失效分析中的应用举例：断裂韧度在失效分析中的应用举例：问题：材料将发生什么形式的失效？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？不同应力状态下如何表示材料的抗力？2.5应力分析与失效分析工程构件所处的应力状态复杂多样问题：材料将发生什么形式的失效？2.5应力分析与失效分析应力状态影响材料的失效形式脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂屈服低碳钢拉伸、扭转和压缩时应力状态影响材料的失效形式脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断
为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因的假设及计算方法。根据简单实验所测得的材料抗力，分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。应力状态分析与强度理论为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。关于屈服的强度理论：最大切应力理论和最大畸变能密度理论
塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。关于断裂的强度理论：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直■最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力是引起材料断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。－构件危险点的最大拉应力－极限拉应力，由单拉实验测得■最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力是引起材料断断裂条件设计准则铸铁拉伸铸铁扭转断裂条件设计准则铸铁拉伸铸铁扭转■最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大伸长线应变达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。
－构件危险点的最大伸长线应变
－极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得■最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大伸长线应变是引实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。强度条件断裂条件即实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大切应力达到了简单拉伸屈服时的极限值，材料就会发生屈服(或剪断）。■最大切应力理论（第三强度理论）
－构件危险点的最大切应力
－极限切应力，由单向拉伸实验测得最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应屈服条件设计准则低碳钢拉伸低碳钢扭转屈服条件设计准则低碳钢拉伸低碳钢扭转实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。局限性：
2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。1、未考虑的影响，试验证实最大影响达15%。实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到局限性：2最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大畸变能密度达到简单拉伸屈服时的极限值,材料就会发生屈服。■最大畸变能密度理论（第四强度理论）
－构件危险点的畸变能密度
－畸变能密度的极限值，由单拉实验测得最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什屈服条件设计准则实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。屈服条件设计准则实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更强度理论的统一表达式：相当应力强度理论的统一表达式：相当应力准则：切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切面上的正应力σ的大小。莫尔理论适用于脆性剪断：莫尔理论认为材料的剪断破坏一般发生在切应力值最大的截面上。
脆性剪断：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材料可能发生剪断，例如铸铁的压缩。莫尔强度理论（修正的最大切应力理论）准则：切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但滑移面上所产生
1、在三向拉伸应力状态下，不论是脆性或塑性材料，均发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论（第一强度理论）。
2、脆性材料：在二向拉伸应力状态下及二向拉伸-压缩应力状态且拉应力较大的情况下，应采用最大拉应力理论；在二向拉伸-压缩应力状态且压应力较大的情况下，应采用最大伸长线应变理论；在复杂应力状态的最大、最小应力分别为压、拉时，由于材料的许用拉、压应力不等，压应力占优宜采用莫尔强度理论。
3、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用畸变能理论（第四强度理论）和最大切应力理论（第三强度理论）。
4、三向压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用畸变能理论。强度理论的选用原则1、在三向拉伸应力状态下，不论是脆性或塑性材料
单向拉应力：连杆、螺栓、钢丝绳
平面拉应力：薄壁压力容器
交变应力：曲轴、轴承、齿轮、螺栓、连杆
弯曲应力：轴类零件、梁
扭转应力：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠
接触应力：齿轮、轴承单向拉应力：连杆、螺栓、钢丝绳平面拉应力：薄壁压力容2.6金属构件中可能引起失效的常见缺陷铸态金属组织缺陷
金属锻造及轧制件缺陷
金属焊接组织缺陷
热处理产生的组织缺陷
冷加工缺陷2.6金属构件中可能引起失效的常见缺陷铸态金属组织缺陷铸造过程示意图铸造过程示意图孔眼类缺陷（气孔、缩孔、疏松、砂眼、渣眼等）裂纹（热裂纹、冷裂纹）
形状、尺寸及表面质量不合格（变形、错箱、偏芯、浇不足、冷隔、披缝、表面粘砂及表面粗糙等）化学成分不一致（区域偏析、重力偏析、枝晶偏析）铸态金属组织常见缺陷孔眼类缺陷（气孔、缩孔、疏松、砂眼、渣眼等）铸态金属名称特征名称特征气孔主要为圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。缩孔缩松1．缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。2．疏松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。粘砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。裂纹1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。2．冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。披缝铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。化学成分及力学性能不合格铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。白口灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。名称特征名称特缩孔—厚大热节,孔内粗糙；气孔—上表皮下,孔内光滑；砂眼—转角皮表,孔内有砂；渣眼—上表转角,孔内有渣。基本特征：缩孔—厚大热节,孔内粗糙；基本特征：缩孔位置的确定---等温线法缩孔位置的确定---等温线法1.热裂纹
纹短、缝宽、形状曲折、缝内有氧化色。形成热裂的主要因素有：
⑴合金性质
结晶区间越宽、含硫量高易裂。
铸型阻力
注意型砂的退让性。裂纹－－热裂纹和冷裂纹2.冷裂纹
形状细小，直线状。
冷裂常出现在铸件的最后凝固部位、铸件形状复杂、受拉伸处，与铸造缺陷有关；与合金性质有关。1.热裂纹纹短、缝宽、形状曲折、缝内有氧化色。裂纹－－热零件失效分析失效分析基础知识课件铸件的内在质量及检验方法铸件的内在质量及检验方法金属锻造及轧制件缺陷内部组织缺陷表面缺陷粗大魏氏体组织网络状碳化物及带状组织表层脱碳流线不顺结疤折叠表面裂纹分层划伤金属锻造及轧制件缺陷内部组织缺陷表面缺陷粗大魏氏体组织网魏氏组织带状组织魏氏组织带状组织流线组织：CastingMachiningForging锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。流线组织：CastingMachiningForging
冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露金属焊接组织缺陷常见焊接缺陷
焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。金属焊接组织缺陷常见焊接缺陷焊接接头的不完整热裂纹的特征：
热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。热裂纹的微观特征是沿晶界开裂－－晶间裂纹。热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。焊接裂纹热裂纹和冷裂纹：冷裂纹的形态和特征：
焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。热裂纹的特征：焊接裂纹热裂纹和冷裂纹：冷裂纹的形态和特焊接气孔氢气孔高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。一氧化碳气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：
FeO+C=Fe+CO↑氮气孔熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。
焊接气孔氢气孔一氧化碳气孔氮气孔重庆綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂分析坍塌的彩虹桥重庆綦江彩虹桥垮塌-脆性断裂分析坍塌的彩虹桥裂纹记者的报道裂纹记者的报道记者的报道三向应力记者的报道三向应力
主拱钢管焊接问题。主拱钢管在工厂加工中，对接焊缝普遍存在裂纹、未焊透、未熔合、气孔、夹渣等严重缺陷，质量达不到施工及验收规范规定的二级焊缝检验标准。
吊杆锁锚问题。吊杆钢绞线锁锚方法错误，不能保证钢绞线有效锁定及均匀受力，锚头部位的钢绞线出现部分或全部滑出使吊杆钢绞线锚固失效。
钢管混凝土问题。主拱钢管内混凝土强度达不到设计要求，局部有漏灌现象，在主拱肋板处甚至出现1米多长的空洞。吊杆的灌浆防护也存在严重质量问题。
设计问题。设计粗糙，更改随意，构造有不当之处。对主拱钢结构的材质、焊接质量、接头位置及锁锚质量均无明确要求。在成桥增设花台等载荷后，主拱承载力不能满足相应规范要求。事故原因分析主拱钢管焊接问题。主拱钢管在工厂加工中，对接焊缝普遍存在热处理产生的组织缺陷氧化、脱碳内氧化淬火裂纹过热过烧淬火软点回火脆性石墨化脆性网状或大块状碳化物粗大马氏体和大量残余奥氏体热处理产生的组织缺陷氧化、脱碳内氧化淬氧化：在氧和氧化性气体的作用下，金属表面生成氧化皮的现象。使工件尺寸减小，表面粗糙，严重的会成为废品。脱碳：工件表面的碳被氧化，碳含量减少的现象。使表面硬度、耐磨性下降。内氧化：合金内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区。氧化：在氧和氧化性气体的作用下，金属表面生成氧化皮的现象。使过热：加热温度过高或保温时间过长导致奥氏体晶粒剧烈长大。过烧：经常发生在高温扩散退火或高速钢淬火过程中，粗大晶粒的晶界上出现局部烧化或氧化现象。淬火软点：淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、材料淬透性低引起。回火脆性：低温回火脆性和高温回火脆性过热：加热温度过高或保温时间过长导致奥氏体晶粒过烧：经常发生石墨化脆性：碳素工具钢或弹簧钢，退火过程中渗碳体中析出石墨，增加钢的脆性。网状或大块状碳化物粗大马氏体和大量残余奥氏体淬火裂纹石墨化脆性：碳素工具钢或弹簧钢，退火过程中渗碳网状或大块状碳冷加工缺陷切削加工缺陷磨削加工缺陷表面粗糙的刀痕表面层加工硬化精度尺寸不符合要求残余应力磨削裂纹表面烧伤与剥皮表面粗糙度表面残余应力冷加工缺陷切削加工缺陷磨削加工缺陷表面粗糙的刀痕表面层加第2章失效分析基础知识零件失效形式与来源
应力集中与零件失效
残余应力与零件失效
材料的韧性与断裂设计
裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；
裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；
腐蚀产物的水溶液PH值在5～6，呈现酸性；
断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中的氮含量；
结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效裂纹均从内表起因（%）材料选择不恰当38装配错误15错误的热处理15机械设计错误11未预见的操作条件8环境控制不够充分6不恰当的或缺少监测与质量控制5材料混杂2表3在一般工业工程中调查的失效原因的比例起因起因（%）保养不恰当44安装错误17设计缺陷16不正确的维修损坏10材料缺陷7未定原因8表4航空零件失效原因的比例起因机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？设计的问题材料选择上的问题加工制造及装配中存在的问题不合理的服役条件机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？设计的问题分析设计原因引起失效需要注意：
对复杂构件进行可靠的应力计算，充分考虑构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小；在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小；
避免设计时只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视脆性断裂、低循环疲劳、应力
腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效；分析设计原因引起失效需要注意：对复杂构件进行可靠的应力RD2车轴举例RD2车轴举例选材：使用性原则加工工艺性能原则经济性原则特殊环境材料中的缺陷：铸造焊接锻造热处理切削加工材料选择上的问题：选材：使用性原则加工工艺性能原则经济性原则特殊环境材料中的缺制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不文明施工及安装导致的表面损伤；不合理的服役条件：超速、过载、不合理的启动和停车、异常介质的引入；制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不合理的服役条件：超速、过键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬断区键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂键槽初始裂纹源裂纹扩展区最终瞬2.2应力集中与零件失效应力集中与应力集中系数应力集中对零件失效的影响降低应力集中的措施2.2应力集中与零件失效应力集中与应力集中系数含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配，也会造成应力集中。含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况零件的几何形状发生突变截面过渡圆角处的应力分布理论应力集中系数应力集中系数手册变截面过渡圆角处的应力分布理论应力集中系数应力集中系数手册几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线典型结构的应力集中曲线应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会受到哪些因素的影响？？提出问题：应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会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、检修产生缺陷影响应力集中与断裂失效的因素材料力学性能零件几力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；影响应力集中与断裂失效的因素力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，影响应力集零件几何形状：断裂部位影响应力集中与断裂失效的因素零件几何形状：断裂部位影响应力集中与断裂失效的因素零件应力状态：举例：上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。应力状态：弯曲疲劳零件应力状态：举例：上海汽车锻造总厂生产的汽缺陷：缺陷：降低应力集中的措施
强化材料，降低应力集中的作用整体强化局部强化工艺、特点降低应力集中的措施强化材料，降低应力集中的作用整体
合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数
合理设计，降低应力集中系数轴肩轴环合理设计，降低应力集中系数轴肩轴环
合理设计，降低应力集中系数间隔环凹圆角卸载槽合理设计，降低应力集中系数间隔环凹圆角卸载槽
合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载槽减小轮毂的刚度作阶梯轴合理设计，降低应力集中系数减小轮毂端部的厚度轮毂上开卸载
合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径开卸载槽合理设计，降低应力集中系数增大花键的直径开卸载槽孔上倒角
过盈配合时增大配合处的直径
合理设计，降低应力集中系数孔上倒角过盈配合时增大配合处的直径合理设计，降低应力集
合理设计，降低应力集中系数合理设计，降低应力集中系数典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析典型的应力集中部位及处理方法分析2.3残余应力与零件失效残余应力：物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。（固有应力、内应力）分类第一类残余应力（Ⅰ）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起第二类残余应力（Ⅱ）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起第三类残余应力（Ⅲ）：点阵畸变，由位错、空位引起。2.3残余应力与零件失效残余应力：物体在无外载荷时，存在
机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性有十分重要的影响。残余应力的作用
适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，影响尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。作用利：预应力处理，如汽车板簧的生产。弊：引起变形、开裂，如黄铜
热处理残余应力
表面化学热处理残余应力
焊接残余应力
铸造残余应力
涂镀层残余应力
切削加工残余应力哪些工艺过程中会产生残余应力？产生了怎样的残余应力？热处理残余应力表面化学热处理残余应力焊接残残余应力是怎样产生的？？热应力＋组织应力＋拘束应力
不均匀的塑性变形
不均匀的温度变化
不均匀的相变残余应力是怎样产生的？？热应力＋组织应力＋拘束应力消除和调整残余应力的方法去应力退火金属材料种类温度/℃时间/h灰铸铁碳钢Cr不锈钢Cr-Ni不锈钢(316)铜合金(60Cu-40Zn)铜合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211自然时效处理消除和调整残余应力的方法去应力退火金属材料种类温度回火
施加静载使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，使残余应力松弛。例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，产生所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。回火施加静载例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内振动时效
(VibrationStressRelief,VSR)锤击、喷丸、滚压
振动时效(VibrationStressRelie振动等离子熔覆过程示意图振动等离子熔覆过程示意图0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象残余应力的测量方法破损法无损法盲孔法环芯法磁弹性法X射线衍射法残余应力的测量方法破损法无损法盲孔法环芯法磁弹性法X射线衍射在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一小孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。盲孔法的基本原理盲孔法测试残余应力应变片示意图在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一
静态电阻应变仪应变花静态电阻应变仪钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容忽视。钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容改进方法：
逐层剥除法
阶梯钻孔法
一点多次扩孔的盲孔测定法改进方法：环芯法的测量原理一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的大小和方向。环芯法测量残余应力用的应变花环芯法的测量原理一块各向同性的板材中假定存在双缺点：
机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用；
检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；优点：
直观、检测方便；
可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家标准要求之内（误差小于25MPa）；
适合于各类材料；缺点：优点：中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod优秀硕士论文：中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究优秀硕士论文：
通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余应力。当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射峰的位置也将发生变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力（表面应力）。X射线衍射法的基本原理《材料中残余应力的X射线衍射分析和作用》张定铨何家文著西安交通大学出版社通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余Stress3000衍射仪Stress3000衍射仪钢岔管测区位置示意图钢岔管外观钢岔管测区位置示意图钢岔管外观多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理多晶磁畴结构示意图磁弹性法的基本原理技术磁化过程的三个阶段技术磁化过程的三个阶段磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应”拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增加，巴克豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输出电量增加。磁弹性法的基本原理“巴克豪森噪声效应”拉应力时优点：方便、快速和准确缺点：只适用于磁性材料优点：方便、快速和准确缺点：只适用于磁性材料2.4材料的韧性与断裂设计低应力脆断
通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。
脆断通常发生在比较低的工作温度下。脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。
厚截面、高应变速率促进脆断。共同点？2.4材料的韧性与断裂设计低应力脆断通常发生脆断时的材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。静力韧度―应力－应变曲线冲击韧度断裂韧度材料的韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和断裂韧度在失效分析中的应用举例：断裂韧度在失效分析中的应用举例：问题：材料将发生什么形式的失效？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？不同应力状态下如何表示材料的抗力？2.5应力分析与失效分析工程构件所处的应力状态复杂多样问题：材料将发生什么形式的失效？2.5应力分析与失效分析应力状态影响材料的失效形式脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂屈服低碳钢拉伸、扭转和压缩时应力状态影响材料的失效形式脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂剪断
为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因的假设及计算方法。根据简单实验所测得的材料抗力，分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。应力状态分析与强度理论为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。关于屈服的强度理论：最大切应力理论和最大畸变能密度理论
塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。关于断裂的强度理论：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直■最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力是引起材料断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。－构件危险点的最大拉应力－极限拉应力，由单拉实验测得■最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力是引起材料断断裂条件设计准则铸铁拉伸铸铁扭转断裂条件设计准则铸铁拉伸铸铁扭转■最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大伸长线应变达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。
－构件危险点的最大伸长线应变
－极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得■最大伸长线应变理论（第二强度理论）最大伸长线应变是引实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。强度条件断裂条件即实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大切应力达到了简单拉伸屈服时的极限值，材料就会发生屈服(或剪断）。■最大切应力理论（第三强度理论）
－构件危险点的最大切应力
－极限切应力，由单向拉伸实验测得最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应屈服条件设计准则低碳钢拉伸低碳钢扭转屈服条件设计准则低碳钢拉伸低碳钢扭转实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。局限性：
2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。1、未考虑的影响，试验证实最大影响达15%。实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到局限性：2最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大畸变能密度达到简单拉伸屈服时的极限值,材料就会发生屈服。■最大畸变能密度理论（第四强度理论）
－构件危险点的畸变能密度
－畸变能密度的极限值，由单拉实验测得最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什屈服条件设计准则实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。屈服条件设计准则实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更强度理论的统一表达式：相当应力强度理论的统一表达式：相当应力准则：切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切面上的正应力σ的大小。莫尔理论适用于脆性剪断：莫尔理论认为材料的剪断破坏一般发生在切应力值最大的截面上。
脆性剪断：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材料
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！