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1、3 构件常见失效形式 3.1 变形失效,3 金属构件常见失效形式及其判断,失效形式：变形、断裂、腐蚀和磨损等,学习内容：失效条件、特征及判断依据,3.1 变形失效,虎克定律：E,回顾,一、弹性变形失效,E弹性模量；钢：约2105MPa；铝：约0.7105MPa；,1.弹性变形,一 弹性变形失效,可逆性 单值性(线性)变形量很小,2.弹性变形的特点,提高弹性方法 提高材料的弹性极限；降低弹性模量。,4.失去弹性功能的弹性变形失效,指构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的值。判断过量的弹性变形失效比较难。,3.过量的弹性变形失效,当弹性变形已不遵循变形可逆性、单值性和小变形量的特征时，构件就失去
2、了弹性功能而失效。,失去功能的弹性变形失效容易判断,如弹簧被拉得很长;安全阀弹簧,压力没超压,就把阀芯顶起。,选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材料或改善构件结构尽可能获得大的刚度；确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件；采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、软管连接、柔性轴、椭圆管板等。,5.弹性变形失效的原因及防护措施,过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效的原因，而这些原因往往是由于构件原设计的考虑不周、计算错误或选材不当造成的。,防护措施,二 塑性变形失效,二、塑性变形失效,1.塑性变形,2.金属塑性变形的特点,材料中的应力超过屈服极限后产生显著的不可逆变形。材料塑性好坏的衡量
3、指标：伸长率、断面收缩率,不可逆性变形量不恒定慢速变形伴随材料性能的变化,3.塑性变形失效,失效形式：鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷及歪扭畸变等。,塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值。,(a)未加压的圆筒形(b)塑性变形后的鼓胀及断裂图3-3 承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验,4.塑性变形失效的原因及防护措施,合理选材，选择合适的屈服强度，保证材料质量、组织状态及冶金缺陷；准确地确定构件的工作载荷，正确计算应力，合理选取安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集中水平；严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；严禁构件运行超载；监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。
4、,三 高温变形失效,三、高温变形失效,1.蠕变变形失效,高温：高于0.3 Tm(Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔点)，一般碳钢构件300，低合金钢构件400。,蠕变：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形。,压力容器的蠕变变形量一般规定在105 h为1，即蠕变速率为107 mm(mmh)。,1)材料抗蠕变好坏的衡量指标：蠕变极限和持久强度,2)抗蠕变措施：选用抗蠕变性能合适的材料；防止装备中构件的超温使用。,图 3-5 过热管蠕变变形及胀裂,2.应力松弛变形失效,在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程。,用残衡量材
5、料抵抗应力松弛的性能(松弛稳定性)。,预防应力松弛失效的措施：选用松弛稳定性好的材料；对使用过程中的构件进行 一次或多次再紧固。,图 3-6 金属的应力松弛曲线,3.2 断裂失效,3.2 断 裂 失 效,断裂 是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象。断裂的危害：甚大，特别是脆性断裂。断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、断裂。断 口：材料断裂后在断裂部位相匹配的两个断裂表面。断口分析：通过断口及其周围与断裂过程有关信息的分析，判断断裂的类型、断裂过程的机理，找出断裂的原因和预防断裂的措施。,加载条件：中、低速-静载荷，高速-冲击载荷；交变载荷指循环载荷。用拉伸
6、、压缩、弯曲、扭转、剪切、接触作为加载方向。裂纹扩展速率：低速(5m/s)稳态扩展；非稳态快速(1Km/s)扩展，。断裂前应变状态：脆性或即韧性；宏观断裂方向：平直面(平面应变状态)或剪切面(平面应力状态)。断口宏观形貌用肉眼、放大镜或低倍显微镜观察后用光反射(发亮或发灰)和纹理(光滑或粗糙、结晶或丝光、颗粒或纤维、自然现象景观等)来表示。断口微观形貌用显微镜观察的图像像形来表示(韧窝、解理小平面、辉纹、自然现象景观等)。,断裂要素的统一,一 断裂失效分类,一、断裂失效的分类,断裂失效,二 韧性断裂,二、韧性断裂,构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。,图 3-8 液氨管韧性断裂
7、失效,1 断裂特征,1.韧性断裂特征,缓慢的断裂过程：裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢；断前产生显著的塑性变形；两种宏观断裂形貌：,正断(或平断)-宏观断面取向与最大正应力相垂直；剪断(或斜断)-宏观断面取向与最大切应力方向相一致的切断，即与最大正应力约呈45角。,图3-9 韧性断裂宏观形貌,2 断口形貌,2.断口形貌,1)断口宏观形貌,图3-10 光滑圆棒试样韧性断口宏观形貌,图3-11 非杯-锥状韧性断口宏观形貌,根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初步评价材料的性能。纤维区较大-材料的塑性和韧性比较好；放射区较大-材料的塑性降低，而脆性增大。按三区评价材料性能要考虑构件截面形
8、状及尺寸的影响，另外还要考虑随环境条件的影响。如温度降低、加载速度升高等，纤维区及剪切唇区减小、放射区增大，因温度降低会引起低温脆性，加载速度升高使裂纹扩展速率增加。,从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。,2)断口微观形貌,韧性断裂断口的微观形貌呈现出韧窝状，在韧窝的中心常有夹杂物或第二相质点。,韧窝花样：微孔聚集蛇行花样：纯剪切涟波花样：由蛇行滑动形成,a.韧窝,韧窝的分类,三种形态：等轴韧窝 剪切韧窝 撕裂韧窝,图3-12 在三种应力作用下由显微孔洞聚集所形成的韧窝形态示意图,图3-13 20钢拉杆韧窝碳复型透射电镜形貌,取
9、决于材料断裂时微孔的核心数量和材料的相对塑性。,韧窝的大小、深浅和数量,30CrMo钢拉伸断口等轴韧窝形貌(SEM),b.蛇行花样和涟波花样,图3-15 大韧窝的底部可观察有蛇行花样条纹 TEM l0000X,图3-16 剪切韧窝及涟波花样 TEM l0000X,3 防止措施,3.产生原因及防止措施,设计时充分考虑构件的承载能力，尽可能使塑性变形不要发展为断裂；操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况；严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速等；随时注意有无异常变形；定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况。,韧性断裂的原因多是各种影响因素造成的材料强度不足，如构件受到较大的载荷或过
10、载、局部应力集中等。,三 脆性断裂1 脆性断裂特征,三、脆性断裂,1.脆性断裂特征,低应力脆性断裂(高/低强度钢都可能发生)；低温脆性断裂(中/低强度钢，见图3-17)；突发性断裂，断前变形极小，无明显的先兆；通常在体心立方和密排六方金属材料中出现；,图3-17 体心立方Fe和面心立方Ni、Cu的塑性和屈服强度随温度的变化,解理是金属在正应力的作用下沿解理面发生的一种低能断裂。绝大多数解理面是原子密排面。,一般沿低指数晶面穿晶解理断裂。,2 断口形貌,2.脆性断口形貌,1)宏观形貌,小刻面：平滑明亮、结晶状,脆性断口的宏观形貌有两种明显的特征,根据断口人字条纹或山形条纹的图形可以判断脆性断裂的
11、裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。(这是很有实际意义的),人字或山形条纹,图3-18 容器脆性宏观断口的人字条纹和山形条纹(箭头所指方向为微裂纹扩展方向),举例：由人字条纹方向寻找裂纹源,球罐脆性断裂分区低视图,美国顺纳德球形储氢压力容器(直径11.7m)爆炸成为20个碎片，断口呈人字条纹，脆性断裂总长达198m。,2)微观形貌,一般是解理特征，不同组织的解理断口具有不同的形貌：铁素体-河流条纹、舌状花样；珠光体-不连续片层状；马氏体-由许多细小的解理面组成，且有针状刻面。几乎所有的解理断口上均有二次裂纹。,河流条纹,河流流向是裂纹的扩展方向，上游是裂纹源。,舌状花样,材料脆性大、温度低，临界变形
12、困难时,晶体变形以形变孪晶方式进行,易形成解理舌状花样。,图3-23 解理舌状花样形成示意图,其它花样,图3-24 青鱼骨状花样 SEM 2000X,羽毛状花样 SEM 2000X,3 影响因素,3.脆性断裂的影响因素,应力状态指构件内应力的类型、分布、大小和方向。最大切应力促进塑性滑移的发展，它对形变和断裂的发生及发展过程都产生影响；最大拉伸应力只促进脆性裂纹的扩展。maxmax 越大，脆性断裂可能性越大；三向拉伸应力状态下，maxmax 最大，极易导致脆性断裂。构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处极易造成三向拉伸应力状态，这是造成金属构件在静态低负荷下产生脆性断
13、裂的重要原因。,应力状态与缺口效应,温度是造成工程构件脆性断裂的重要因素之一。低温下，材料韧性降低，脆性断裂的可能性大大增加。,温 度,随着钢板厚度的增加，脆性转变温度升高，钢材的缺口脆性增加。,尺寸效应,焊接质量,工作介质,材料和组织因素,4 防止措施,4.预防脆性断裂的途径,防脆性断裂的合理结构设计：应考虑材料的断裂韧性水平、构件的最低工作温度和应力状态、承受的裁荷类型(交变载荷、冲击载荷等)以及环境腐蚀介质；构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度；以断裂力学观点选材，除强度外，还应保证足够的韧性；设计和生产中，要避免应力集中；采用正确的焊接方法和合理的焊接工艺，保证焊接质量。,传统强
14、度设计不包含脆性强度概念，没有考虑温度、加载速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素，构件的脆性断裂是不能避免的。,四 疲劳断裂,四、疲劳断裂,疲劳,疲劳的分类,1 疲劳断裂特征,1.疲劳断裂的现象及特征,载荷是交变负荷。,疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的(累进式)。,疲劳断裂是反复拉伸应力和反复切应力的结果。,疲劳曲线,过程包括疲劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。,疲劳裂纹的萌生 疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的，主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。,图3-29 滑移带中产生的“挤入”及“挤出”示意,疲
15、劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶段。,即使是塑性良好的合金钢或铝合金，疲劳断裂构件断口附近通常也观察不到宏观的塑性变形。,2 断口形貌,2.疲劳断口形貌,三个区域：裂纹起源区、裂纹扩展区和最终断裂区(瞬断区)。,1)断口的宏观形貌,图-3-32 疲劳断口的宏观形貌,裂纹起源区,裂纹扩展区,呈河滩花样(或贝壳状条纹或疲劳弧带),最终断裂区,呈宏观脆性断裂特征(粗糙“晶粒”结构),疲劳源一般只有一个，所占的断面比例很小；疲劳源一般位于表面应力集中处或缺陷部位。表面缺陷：刀痕、划伤、烧伤、锈蚀、淬火裂等；心部或亚表面缺陷：夹杂物、气孔
16、、夹渣、白点、内裂等；表面硬化层：表面淬火层、化学热处理层；应力集中部位:缺口、沟槽、台阶、尖角、小孔、突变截面等。,判断疲劳起源点及裂纹扩展方向判断应力大小 终断区在中心，疲劳断裂应力很高，超过疲劳极限的30100%，一般n3105 次；终断区在表面或近表面，疲劳断裂应力高出疲劳极限不多，最多高出10左右，一般n106 次；终断区的面积大，则应力大；反之则应力小。,根据疲劳断口的宏观特征,可做如下判断,判断材料的缺口敏感性,材料对缺口敏感，则疲劳条纹绕着裂源开始较为平坦，向前扩展一定距离后即以反弧形向前扩展(图3-34(b)。,判断负荷类型,图3-34 缺口敏感性对疲劳断口形态的影响,材料对
17、缺口不敏感，则疲劳条纹绕着裂源或为向外凸起的同心圆状(图3-34(a)；,负荷类型、应力集中程度和负荷大小对疲劳断口形态的影响,2)断口的微观形貌,当宏观判断不充分时，微观判据为疲劳断裂提供可靠定性的判据，如断裂条件、裂纹扩展速率等。,疲劳辉纹,疲劳辉纹是一系列基本上相互平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状，并与裂纹微观扩展方向相垂直；裂纹的扩展方向均朝向波纹凸出的一侧；辉纹的间距在很大程度上与外加交变负荷的大小有关；条纹的清晰度则取决于材料的韧性。,疲劳极限应力越高，疲劳辉纹越容易观察到；高强钢疲劳辉纹不如铝合金疲劳辉纹容易观察到。,疲劳辉纹有以下特征,裂纹三阶段有不同的微观特征：疲劳起源部位由很
18、多细滑移线组成，以后形成致密的条纹，随着裂纹的扩展，应力逐渐增加，疲劳条纹的间距也随之增加。,韧性疲劳辉纹较为常见，辉纹间距均匀规则。脆性疲劳辉纹一般不常见，它被切割成一段段的解理台阶，间距不均匀，断断续续。,疲劳辉纹分为韧性辉纹和脆性辉纹。,疲劳断口的微观范围内，通常由许多大小不同、高低不同的小断片组成。疲劳辉纹均匀分布在断片上，每一小断片上的疲劳辉纹连续且相互平行分布，但相邻断片上的疲劳辉纹不连续、不平行。,图3-39 疲劳辉纹与小断片示意图,图3-40 一次载荷循环产生一条疲劳辉纹的过程示意图,一条辉纹代表一次载荷循环，其数目与载荷循环次数相等。,图3-41 不锈钢气阀头疲劳断口上的轮胎
19、压痕花样,轮胎压痕花样不是疲劳本身的形态，却是疲劳断裂的一个表征。,轮胎压痕花样,3 改善途径,3.影响疲劳断裂的因素及其改善途径,构件表面状态,凡是制造工艺过程中产生预生裂纹(如淬火裂纹)、尖锐缺口(如表面粗糙度不符合要求，有加工刀痕等)和任何削弱表面强度的弊病(如表面氧化、脱碳等)都将严重地影响构件的疲劳寿命。材料的强度越高，表面状态对疲劳的影响越大。,构件表面脱碳对静强度影响不大，但是严重地影响过载疲劳寿命，特别是在过载不很高的情况下(在s以下)影响尤其严重。,提高表面质量是提高构件疲劳抗力的重要途径！,粗糙度对不同材料抗拉强度钢材疲劳强度的影响,构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其
20、相类似的表面几何形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。,图3-43 缺口附近的应力分布,缺口效应与应力集中,图3-44 尖锐缺口对疲劳强度的影响,应力峰引起疲劳断裂的可能性特别大。在低应力疲劳中应力峰的存在,使屈服局部化,往往是极为有害的。,设计中应尽量避免应力集中，制造工艺要确保缺口质量，有缺口的构件应避免选用缺口敏感的材料。,材料的应力水平越高，缺口对疲劳强度的削弱越大。用高强度钢制造的构件应当特别注意缺口对疲劳强度的削弱作用。,工程构件在制造时不可避免地产生一定程度的残余应力。,残余应力,残余应力的危害取决于其方向，当残
21、余应力与施加应力反向时，残余应力是有益的，反之则是有害的。构件表面的残余拉应力对疲劳极为不利；表面残余压应力对疲劳大有好处。,表面淬火、渗碳和氮化等表面热处理，喷丸、表面滚压、冷拔、挤压和抛光等机械加工,都产生有利的残余压应力。工程上常用这些方法提高构件的疲劳抗力。,在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高，钼、铬和镍等也有相似的效应。低周疲劳，多数金属的疲劳寿命与晶粒大小无关；高周疲劳，晶粒尺寸减小可增加疲劳寿命，但减小晶粒会增加钢材对缺口的敏感性。质量均匀、无表面缺陷或内在连续性缺陷的材料组织抗疲劳性能好。,材料的成分和组织,在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。,减少夹杂物的数量、减小
22、夹杂物的尺寸和改善夹杂物的形状都能有效提高疲劳强度。(如采用真空冶炼和真空浇注等),构件服役的环境条件对疲劳断裂也有很大影响。其中载荷频率、次载锻炼、间歇运行以及服役环境的温度及介质情况都是主要的。,工作条件,载荷频率的影响 载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度。,金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后，可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。影响次载锻炼效果的因素：次载应力水平越接近疲劳极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，其锻炼效果越好，但达到一定循环周次后效果就不再提高。,次载锻炼的影响,低于疲劳极限的应力
23、叫次载。,次载锻炼效应的应用：构件安装好后，先空载或低载运行一段时间，既可对机器起跑合作用，也可提高构件的疲劳强度，延长疲劳寿命。,间歇运行的影响,非连续(有间歇)疲劳极限和连续疲劳极限有差别。,加载应力低于并接近疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇过载加载对疲劳寿命不但无益，甚至还会降低疲劳强度。,间歇加载提高疲劳强度和寿命有一个最佳间歇时间，其长短和加载应力大小有关。间歇加载提高疲劳强度的规律，可用以指导制订机器运行操作规程和检验规程。,腐蚀环境介质的影响 构件表面的蚀坑、微裂纹等缺陷会加速疲劳源萌生而促进腐蚀疲劳。,温度对疲劳强度的影响 一般是温度降低疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。,一般，具有高蠕变强度的材料，其疲劳强度也高。,
