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1、2 失效分析基础知识,2,2.1.1 失效的主要形式及其原因,2.1机械零件失效形式与来源,3,2.1.1 失效的主要形式及其原因断裂失效的分类 失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型：（1）过载断裂失效；（2）疲劳断裂失效；（3）材料脆性断裂失效；（4）环境诱发断裂失效；（5）混合断裂失效。,2.1机械零件失效形式与来源,3,2.1.2 失效的来源 引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下几方面：1、设计与选材上的问题；2、加工、热处理或材质上的问题；3、装配上的问题；4、使用、操作和维护不当的问题。据调查统计，在失效的原因中，设计
2、和制造加工方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失效分析和设计制造中都应引起足够重视。,2.1机械零件失效形式与来源,3,2.1.2 失效的来源 1、设计问题（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；（2）应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受的载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。（3）设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计判据的选用错误造成失效的事例也时有发生。2、材料选择上的缺点（1）选材的判据有误（2）材料中的缺陷,2.1机械零件失效形式与来源,3,2.1.2 失效的来源 3、加工制造及装配中存在的问题 加工方法不正确，技术要求不合
3、理及操作者失误也是引起设备过早失效的重要原因。热处理不当也是常见的失效原因之一。常见的有过热、回火不充分，加热速度过快及热处理方法选用不合理等。热处理过程中的氧化脱碳、变形开裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发生。酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也是常见的失效形式。不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤或导致残余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。,2.1机械零件失效形式与来源,3,2.1.2 失效的来源 4、不合理的服役条件 不合理的起动和停车、超速、过载服役、温度超过允许值、流速波动超出规定范围（过高或过低）以及异常介质的引入都可能成为设备过早失效的根
4、源。,2.1机械零件失效形式与来源,4,应力状态分析与强度理论（1）材料的失效形式和应力状态 脆断 剪断 屈服（2）强度理论,2.2零件受力分析及强度刚度计算,5,2.2.2 应力集中应力集中系数：,2.2零件受力分析及强度刚度计算,5,2.2.2 应力集中裂隙附近应力集中：,2.2零件受力分析及强度刚度计算,5,不同试样的应力集中系数,2.2零件受力分析及强度刚度计算,5,2.2零件受力分析及强度刚度计算,6,应力集中对零件失效的影响 1、材料的缺口敏感性 应力集中对零件失效的影响，在一定程度上与材料的缺口敏感性有关。缺口导致应力状态的变化和应力集中，有使材料变脆的趋向。,2.2零件受力分析
5、及强度刚度计算,2、影响应力集中与断裂失效的因素（1）材料机械性能的影响（2）零件几何形状的影响（3）零件应力状态的影响（4）加工缺陷的影响（5）装配、检验产生缺陷的影响,6,（2）零件几何形状的影响,2.2零件受力分析及强度刚度计算,零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图,零件在应力集中处产生淬火裂纹示意图,6,降低应力集中系数的措施：1 从设计方面降低应力集中系数（1）变截面部位的过渡 加大圆角或改变方式（2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔2 采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（1）表面处理强化（2）薄壳淬火（3）喷丸强化（4
6、）滚压强化 疲劳时的有效应力集中系数,2.2零件受力分析及强度刚度计算,6,降低应力集中系数的措施：（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔,2.2零件受力分析及强度刚度计算,7,2.2.3 残余应力和装配应力1 残余应力的产生（1）热处理残余应力（2）焊接残余应力（3）表面化学热处理引起的残余应力（4）电镀引起的残余应力（5）切削加工残余应力2 消除残余应力的方法（1）去应力退火（2）回火或自然时效处理（3）加静载（或动载）（4）火焰烘烤法,2.2零件受力分析及强度刚度计算,9,（1）热处理残余应力,组织应力分布,冷却初期,冷却后期,热应力分布,表面发生相变,心部发生相变,2.2零件
7、受力分析及强度刚度计算,9,（1）热处理残余应力,热处理淬火残余应力类型K表层，R心部,2.2零件受力分析及强度刚度计算,10,（1）热处理残余应力,轧辊淬火残余应力,中心,表面,材料：0.97%C 硬化深度：2.42.8mm,心部轴向,心部周向,表面轴向,表面周向,火焰淬火残余应力分布,2.2零件受力分析及强度刚度计算,11,（2）化学热处理引起的残余应力,（D表示有效渗碳层深度）,D=0.8mm,渗碳层残余应力分布,氮化层残余应力分布,2.2零件受力分析及强度刚度计算,8,（3）焊接残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计
8、算,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,激光强化层的残余应力沿层深的分布(a)X层深分布曲线(b)Y层深分布曲线 1-1500W，25mm/s 2-1000W，25mm/s,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,喷涂工艺方法对NiCrSi 涂层残余应力的影响,火焰喷涂涂层内残余应力与其厚度的关系,12,2.2零件受力分析及强度刚度计算,一个预测热喷涂涂层残余应力分布的解析模型：平面几何模型,1 模型公式建立在平面几何的基础之上。1.1 沉积应力1.1.1 第一层,应变,（1）,q内（淬火）应力；Ed杨氏模量假设每一个部位产生的应变是
9、不相等的，并产生反作用力F，于是有,(2),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,(3),在涂层形成一个很大的拉应力，同时，在基板上上产生一个对等的平衡的反作用力压应力。,形成弯矩（banding moment）,(4),中性层1,(5),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,Composite beam stiffness,(6),平衡弯矩M1，产生曲率变化，1-0,(7),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,假设双向应力相等（x=z），厚度方向应力可以忽略（y=0）。由泊松效应（Poisson ef
10、fect），z将在x方向导致一个应变。,(8),x方向的应力应变关系可以表示为：,(9),Effective youngs modulus value.,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,从材料力学可以计算：,(10),(11),涂层第一层中部的应力：,(12),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,(13),平衡应变,等效杨氏模量,(14),F2的表达式,(15),F2分摊在镀层第一层和基板中。,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,作用在基板上的力为：,(16),作用在第一层镀层上的力为：,(17
11、),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,大小相等方向相反的力对形成力矩M2：,F2s和F2w都是压应力。在镀层的第二层上存在与F2大小相等的拉应力。,(18),平衡弯矩M2，产生曲率变化，2-1,(19),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,组合板的硬度（强度）可以写为：,(20),可以确定2为：,(21),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,基板底部和顶部的应力可以写为：,和,(22),(23),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,镀层第一层中部（心）的应力变为：,
12、镀层第二层中部（心）的应力可以计算为：,(24),(25),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,1.1.3 nth 层的应力,上述的分析和计算可以扩展到n层。,(26),(27),(28),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,(30),(29),(31),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,运用式26-29可以估算第j层的应力。用j代替各式中的n，j层中部（心）的应力为：,(32),12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,这里，1jn，其分布如图3所示。,12,（4）涂镀
13、层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,1.2 冷却过程中不同的热收缩,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,考虑两块板从无应力状态冷却T，则产生应变变量=（s-d）T。假设这一应变在板的底部和顶部产生大小相等的反作用的平衡力F(CTE)，则在x轴上由力平衡可以得到：,（33）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,这两个力行成力矩M(CTE)。为了平衡这一力矩，则有曲率变化2-1,（34）,（35）,（36）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件
14、受力分析及强度刚度计算,是中性层（yc=0）到表面（y=0）的距离且等于n。当在涂层中时，n是固定的，为：,从式（34）和（35），可以得出F(CTE)的表达式：,结合式（33）和式（36）-（38），曲率变化从应变变量增加到c-n,（39）,（38）,（37）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,因而，可以从式（37）计算(CET)导致的应力：,（40a）,（40b）,（40c）,（40d）,（40e）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,1.3 最终的应力水平,最终的基板底部和顶部的应力水平可以从式（30）和式（40e）或者（
15、31）和（40d）来进行计算：,和,（41）,（42）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,对于涂层，jth层中部（心）的应力为：,（43）,1jn,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,作为一个例子，nth层中部（心）的应力为：,（44）,12,（4）涂镀层引起的残余应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,2 模型的应用,13,（5）切削加工残余应力,铣加工表面残余应力 B侧刃铣（低速）C端面铣（低速）D滚铣（高速）,砂轮太硬时的磨削应力,2.2零件受力分析及强度刚度计算,14,去应力退火的温度及保温时间,去应力退火,2.2零件受
16、力分析及强度刚度计算,15,回火（200400C）或自然时效（可降低残余应力30%）加静载使有残余应力部位发生屈服。加动载振动法，主要用于铸件和焊件；锤击法，主要用于焊接件。火焰烘烤法用于焊接件，可降低残余应力30%,2.2零件受力分析及强度刚度计算,15,2.2零件受力分析及强度刚度计算,16,残余应力的测试方法机械法逐层剥除法 切割法 钻孔法机械测长法，电阻应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法物理测定法X射线测定法测定晶粒内的特定晶面的面间距发生的变化，求得应力。有照相法和计数管法。磁性测定方法铁磁体的磁化，受到晶体的各向异性、晶粒大小、合金元素、夹杂物及应力的影响。残余应力对磁畴的旋转和
17、唯一会产生附加的阻力。其他 脆性涂层光学方法奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性）,2.2零件受力分析及强度刚度计算,16,残余应力对静强度和变形的影响,a）加载前的残余应力 b）加载后的残余应力 c）中央部分的应力-应变曲线 d）两侧部分的应力-应变曲线 e）整体部分的应力-应变曲线,塑性材料影响不大，或 没有影响淬火回火影响不可忽视,2.2零件受力分析及强度刚度计算,16,残余应力对疲劳的影响 一般，当承受交变应力的构件存在压缩残余应力时，构件的疲劳强度提高；当存在拉伸残余应力时，构件的疲劳强度下降。冷加工和热处理残余应力对疲劳强度的影响,2.2零件受力分析及强度刚度计算,17,低应力脆断及材料的
18、韧性 脆性断裂的共性特点：（1）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的（2）脆断通常发生在比较低的工作温度下（3）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（4）厚截面、高应变速率促进脆断。,2.3 材料的韧性与断裂设计,17,冲击韧性应力场强度因子缺口敏感性温度和应变速率对脆断的影响脆性转折温度 FATT NDT SATT FTP METT,2.3 材料的韧性与断裂设计,18,结构设计应用例（1）一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。其 如图所示。无损检测发现裂纹长度在4mm以上，设计工作应力为。讨论：a 工作应力d=750MNm-2 时，检测手段能否保证防
19、止发生脆断？b 企图通过提高强度以减轻零件重量，若b提高到1900MNm-2 是否合适？c 如果b提高到1900MNm-2，则零件的允许工作应力是多少？,断裂韧性在结构设计 和失效分析中的应用,2.3 材料的韧性与断裂设计,安全判据,是结构断裂设计的依据。,18,解：a 选用钢材，为66MNm-3/2，计算得 b 通过热处理提高材料强度 b=1900MNm-2，则=34.5MNm-3/2，计算得裂纹临界长度2c=2.1mm。小于检测范围，不能保证不发生脆性断裂。若改用钢材4，则可计算得2c约为4.35mm，满足要求。c 在b=1900MNm-2时，对钢材1，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为d=685MNm-2 对钢材4，在临界裂纹2c=4mm时，其工作应力为d=990MNm-2,19,压力容器的防爆设计保证先泄漏，不爆裂临界裂纹ac必须大于容器壁厚由可得 则 ac t 则先泄漏 ac t 则先爆破,2.3 材料的韧性与断裂设计,
