化工设备失效分析课件(第6章).ppt

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1、第六章　金属的疲劳断裂机械零部件或化工设备的疲劳断裂失效，在全部断裂失效中占有很大的比例。第一节疲劳应力应变和疲劳强度一、疲劳应力和疲劳极限大小或方向和大小随时间而变动的应力叫做疲劳应力，如图3－1所示，描述疲劳应力的特征参量有最大应力σmax、最小应力σmin、平均应力σm、交变应力幅σa及应力比R。它们之间的相互关系为:当R＝-1即σm＝0时为对称循环;当R＝0即σmin＝0脉动循环;而R＝+1，即σmin＝σmax时表示为静载。疲劳极限指的是金属不发生疲劳断裂的应力（σa）。事实上有许多材料，或是在某种环境下，并没有无限寿命的，于是定义断裂时循环次数Nf达的应力为疲劳极

2、限。二、等疲劳寿命曲线对于非对称的（）的应力循环，有两个经验式可将材料的强度进行折算：①Goodman关系②Geber关系三、疲劳应力集中系数疲劳应力集中系数疲劳缺口敏感因子应力集中系数=应力集中导致的最大应力（理论应力）不考虑应力集中的名义应力四、疲劳应变-寿命曲线Coffin-Manson公式：式中B为常数，（其中为断面收缩率）。五、疲劳有限寿命和累计寿命原则工况下的载荷往往并非恒定，例如设备总有满载、空载或半载等情况。这时可用累计寿命法则进行估计，即当时，寿命耗尽。式中——应力为对应的疲劳寿命；——在下实际工作的载荷循环数。第二节金属在疲劳载荷作用下的变形和损伤一、包申

3、格效应二、循环硬化与循环软化三、疲劳形变的不均匀性同单调形变时一样，循环形变时金属内部的不可逆滑移，表现于试样表面为滑移带。若每当疲劳一段时间后，用电解抛光去除有滑移带的一薄层（30）继续试验，累计的疲劳寿命可成倍提高。这表明滑移带与疲劳起裂有关。同时有一种滑移带，即使被抛光去除，再次疲劳试验时仍在处出现滑移。这就叫做驻留滑移带。驻留滑移带是形变不均匀性的表现之一。疲劳破坏的实际问题正是在于循环形变的不均匀性。将疲劳断裂了的材料进行疲劳试验，其疲劳寿命与原先相当。这表明疲劳断裂是以集中性损伤起源的。第三节疲劳裂纹的萌生一、表面滑移带裂纹萌生方式疲劳裂纹首先是在形变集中的自由表

4、面形成。金属试样在经过一定次数的循环载荷之后在光滑的表面上会出现皱折不平，它是由于金属发生了片状的挤出和挤入，如图6－14所示。而这些挤入、挤出是来自于驻留滑移带，如图6－15所示，由这样挤入、挤出继续发展成为裂纹是纯金属和单相合金形成疲劳裂纹的主要方式。二、晶界萌生裂纹方式晶界处出现较高的应力；由于形变在晶界处出现凹槽；晶界有杂质偏析或弱化铝、铜、黄铜和低碳钢在大振幅疲劳条件下，疲劳裂纹大都是由晶界开始的。三、相质点或夹杂物附近萌生的疲劳裂纹原因：①夹杂物与机体的分离；②夹杂物破裂四、其它各类非连续性冶金缺陷和工艺缺陷零件表面的刀痕过深，截面变化过渡太陡（因弧半径过小），拉

5、痕、腐蚀痕、工艺裂纹、表面碰伤，均是诱发疲劳裂纹之处。内部的夹渣、缩孔、疏松也可以成为疲劳裂纹萌生地，其基本原理都在于导致应力集中、发生集中滑移。五、微动（Fretting）疲劳起裂在交变载荷作用下，零件接触处的微动摩擦就会通过促使裂纹的萌生和提高裂纹的早期扩展速率而大大降低零件的使用寿命，这就叫做微动疲劳或微振疲劳。第四节疲劳裂纹的扩展及断口形貌疲劳裂纹萌生与扩展的分界点：工程上（如作断裂力学测试中的启裂）常以0.05mm左右作为萌生和扩展的分界点。大量的事实表明，一个疲劳断裂的断口，包括图6－18所示的几个区段：a)与主应力方向大体成45°倾斜的疲劳扩展第I阶段。b)与主

6、应力垂直的疲劳扩展第II阶段。c)瞬断区。一、疲劳裂纹扩展的第I阶段本阶段一般仅一两个晶粒深，但所占疲劳寿命的比例却不低。由于裂纹扩展和速率很低，有时仅为循环n×10－1nm，故在这部分断口上一般都看不出任何扩展的特征形貌。第I阶段的扩展机理，主要是与滑移有关，裂纹的转向是损伤机理和断裂机理变化之表现。在扩展的第I阶段，驻留滑移机理在滑移面上积累损伤而促成剪切断裂。当裂纹深入后，裂尖的塑性区中，易发生形变的方向的分布性滑移起保护作用，而断裂就发生在正应力最大而不利于滑移的面上，故转向正断。二、裂纹扩展的第II阶段及断口微观形貌裂纹转向同正应力垂直起，进入第II阶段。在此阶段中

7、每经一个载荷循环，裂纹就向前扩展一步。于是往往在此口上留下一系列的条带（辉纹）。疲劳辉纹是疲劳断口的特征形貌。由于金属塑性良好而均匀，辉纹显得很明显而有规则，如图6－23所示，疲劳辉纹是显微尺度的条纹，宏观不可见的。疲劳辉纹的机理可用塑性钝化模型来描述（图6－22）。在疲劳循环的前半周的过程中，裂纹将张开，形成COD，裂尖发生钝化，如图6－22中a→b→c所示。后半周由拉转向压，则如图c→d→e所示，裂纹闭合，在尖部留下折痕，当再次拉伸时，此折痕保留，裂纹往前伸展一条，在此口上就留下一条辉纹，可见辉纹是