常见失效形式及特征和诊断.ppt

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1、2010.11.02第三章常见失效形式及特征和诊断失效分析主要内容疲劳断裂失效脆性断裂失效塑性断裂失效屈服失效过量弹性变形失效失效分析主要内容蠕变失效磨损失效腐蚀疲劳失效氢脆失效腐蚀失效、应力腐蚀失效失效分析3.1过量弹性变形失效3.1.1概述弹性变形零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形胡克定律：热胀冷缩：线膨胀系数失效：工作载荷和温度使零件的弹性变形量超过匹配数值失效分析3.1.2特征及判断失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，高温或低温工作经历配合表面是否有划伤、擦痕或磨损设计是否考虑弹性变形影响计算验证失效分析3.1.3防止措

2、施选材或结构材料的弹性模量、热膨胀系数增加截面积、降低应力匹配尺寸采用减少变形影响的转接件失效分析3.2屈服失效3.2.1概述屈服失效——由过量塑性变形引起的失效例某厂的洗涤塔为薄壁圆筒结构。输入煤气前用蒸汽冲洗，之后错误关闭放散阀，向塔内喷冷水，使塔内蒸汽冷凝形成负压。导致塔壁收缩内陷，塔身整体发生扭曲变形，产生屈服失效。失效分析3.2.2特征及判断失效件有明显的塑性变形测量失效件或与正常件比较严重的塑性变形用肉眼判别失效分析3.2.3过载压痕损伤——屈服失效的特殊形式两个互相接触的曲面之间存在静压应力，使匹配的一方或双方产生局

3、部屈服形成局部的凹陷。例滚珠轴承在开始运行前如果静载过大，钢球压入滚道使型面破坏较少单独出现，往往是其他失效形式如磨损、接触疲劳失效的诱因。失效分析3.2.4防止和改进措施降低实际应力降低工作应力：减小零件有效截面积和工作载荷减少残余应力：工艺因素降低应力集中提高材料屈服强度失效分析材料的韧性与断裂设计断裂力学和断裂力学理论在失效分析中的应用低温脆性和低应力脆断失效分析断裂力学主要内容1概述2Griffith断裂理论3裂纹扩展的能量判据4裂纹尖端的应力场5裂纹尖端的塑性区6断裂力学理论在失效分析中的应用失效分析材料的韧性与断裂设计

4、力学宏观正断切断韧断脆断失效分析材料的韧性与断裂设计材料断裂的载荷－变形量关系失效分析材料的韧性与断裂设计一、断裂力学概述断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ]，就被认为是安全的了。但是实际上一些高强度构件及大型构件经常时未达到屈服强度就发生了脆性断裂，即低应力脆断。研究表明，低应力脆断与构件中存在裂纹或缺陷有关。它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，材料阻止裂纹扩展的韧性指标。失效分析传统的零件及结构设计是基于“材料是一个连续均质

5、的整体”假设之上的，为防止脆性断裂，除强度要求之外，还加上了材料的塑性和韧性指标。五大力学性能指标强度σb,σs塑性δ,ψ韧性Ak/ak失效分析材料的韧性与断裂设计一、断裂力学概述断裂力学：线弹性断裂力学（脆性断裂）和弹塑性断裂力学（韧性断裂）。线弹性断裂力学分析脆性材料裂纹尖端应力应变场时，基于线弹性的假设模型，认为裂纹尖端虽然会出现塑性区，但因塑性区体积很小，其尺寸与裂纹尺寸相比可忽略其影响。但工程构件大多数采用韧性好的塑性材料，只有在低温及较大构件截面积时可增加脆性，才可直接用线弹性断裂力学分析。研究内容：裂纹尖端的应力和应

6、变分析；建立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，断裂机制和提高材料断裂韧性的途径等。失效分析材料的韧性与断裂设计二、Griffith断裂理论基本思想假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力集中已达到很高的数值，从而使裂纹快速扩展，并导致脆性断裂。裂纹模型假设：设想有一单位厚度的无限宽薄板，受到均匀应力σ，两端固定，板内有长2a的穿透裂纹。失效分析Griffith断裂理论分析：根据能量平衡原理，裂纹扩展增加的表面能与系统弹性能相平衡，可以据此计算出断裂应力与裂纹尺寸的关系σc=(2Eγ/πa)1/2

7、Griffith公式还可计算临界裂纹半长为ac=2Eγ/πσ2失效分析1.σc是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平方根成反比2.对于—定裂纹长度a，外加应力达到σc时,裂纹即失稳扩展。承受拉伸应力σ时，板材中半裂纹长度也有一个临界值ac，当a>ac时，就会自动扩展；而当a＜ac时，要使裂纹扩展须由外界提供能量，即增大外力3.Griffith公式和理论断裂强度公式比较σm=（Eγ/a）1/2σc=(2Eγ/πa)1/2在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化失效分析结论1.Grif

8、fith认为，裂纹尖端局部区域的材料强度可达其理论强度值。2.倘若由于应力集中的作用而使裂纹尖端的应力超过材料的理论强度值，则裂纹扩展，引起断裂。3.根据弹性应力集中系数的计算,可得到相似公式4.Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性材料。失