金属构件常见失效形式

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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：σ＝E·ε回顾一、弹性变形失效E—弹性模量；钢：约2×105MPa；铝：约0.7×105MPa；1.弹性变形一弹性变形失效①可逆性②单值性(线性)③变形量很小2.弹性变形的特点提高弹性方法①提高材料的弹性极限；②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

2、量的特征时，构件就失去了弹性功能而失效。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

3、产生显著的不可逆变形。材料塑性好坏的衡量指标：伸长率δ、断面收缩率ψ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

4、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。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0.3Tm(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。减速恒速加速图3-4典型的蠕变曲线压力容器的蠕变变形量一般规定在105h为1％，即蠕变速率为10－7mm／(mm·h)。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：①选用抗蠕变性能合适的材料；②防止装备中构件的超温使用。σ700

5、0.2/1000a.蠕变极限：在给定温度下，一定时间内产生规定蠕变量的应力值。如：σ7001000b.持久强度：材料在某一恒定温度下，经过一定时间而引起断裂的应力值。如：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σ残衡量材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。

6、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、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

7、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、断裂失效的分类混合断裂脆性断裂变形程度韧性断裂切断(韧性)正断应力类型混晶断裂沿晶断裂裂纹途径穿晶断裂环境断裂疲劳断裂其它断裂失效微观机理韧窝断裂疲劳断裂蠕变断裂解理断裂结合力弱化断裂二韧性断裂二、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液氨管韧性断裂失效1断裂特征1.韧性断裂特征①缓慢的断裂过程：裂纹萌生

8、及亚稳扩展阻力大、速度慢；②断前产生显著的塑性变形；③两种宏观断裂形貌：正断(或