[理学]失效分析第四章.ppt

第 四 章 静载荷作用下的断裂失效分析 4．1过载断裂失效分析 4．1．1过载断裂失效的定义及断口的一般特征 1．过载断裂失效的定义 当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件 发生的断裂称为过载断裂。 为了安全起见，在设计时，将材料的屈服极限除以一个大于1的 安全系数凡后，作为材料的许用应力即 构件的工作应力应小于或等于 明确：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂 过载：工作应力超过构件的实际承载能力 4．1过载断裂失效分析 2．过载断裂失效断口的一般特征 金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征。 其宏观断口与拉伸试验断口极为相似. 宏观塑性的过载断裂失效:断口上一般可以看到三个特征区，纤 维区、放射区及剪切唇，即通常称为断口的“三要素”。 宏观脆性过载断裂失效的断口特征有两种情况： 拉伸脆性材料:过载断裂的断口为瓷状、结晶状或具有镜面反光 特征；在微观上分别为等轴微孔、沿晶正断及解理断裂. 拉伸塑性材料 : 因其尺寸较大，或有裂纹存在时发生的脆性断 裂，其断口中的纤维区很小，放射区占有极大的比例，周边几乎不 出现剪切唇，其微观断裂机制为微孔聚集型并兼有解理能混合断裂。 4．1过载断裂失效分析 宏观塑性的过载断裂断口的“三要素”： 断口上的“三要素”是塑性过载断裂的基本特征。断口上三个特 征区，纤维区、放射区及剪切唇。纤维区位于断裂的起始部位，放 射区是裂纹的快速扩展区，剪切唇是最后断裂区。 4．1过载断裂失效分析 4．1．2影响过载断裂失效特征的因素 1．材料性质的影响 材料的性质对过载断裂失效特征具有很大的影响。不同性质的 材料虽然发生的同是过载断裂，但其断口形貌却有很大的差异。 (1)大多数的单相金属、低碳钢及珠光体状态的钢，其过载断裂 断口上，具有典型“三要素”的特征。 (2)高强度材料、复杂的工业合金及马氏体时效钢等，其断口的 纤维区内有环形花样，其中心像火山口状，“火山口”中心必有夹杂 物，此为裂纹源。另外，尚有放射区细小及剪切唇也较小等特点。 4．1过载断裂失效分析 (3)中碳钢及中碳合金钢的调质状态，断口的主要特征是具 有粗大的放射剪切花样，基本上无纤维区和剪切唇。放射剪切 是一种典型的剪切脊。另一特点是放射线不是直线的。 (4)塑性较好的材料，由于变形约束小，断口上可能只有纤 维区和剪切唇而无放射区。可以说，断口上的纤维区较大，则 材料的塑性较好；反之，放射区增大，则表示材料的塑性降低 脆性增大。 (5)纯金属还可能出现一种全纤维的断口或角的滑开断口。 (6)脆性材料的过载断裂，在其断口上可能完全不出现“三 要素”的特征，而呈现细瓷状、结晶状及镜面反光状等特征。 4．1过载断裂失效分析 几种拉伸断裂断口形态 a) 高塑性材料的拉伸断口（只有纤维区，没有放射区） b) 中碳钢调质状态拉伸断口（粗大的放射剪切花样） c) 回火脆性状态的碳钢拉伸断口（断口齐平，沿晶型） a b c 4．1过载断裂失效分析 2．零件形状与几何尺寸的影晌 零件的几何形状与结构特点对过载断裂，特别是对宏观塑性过 载断裂的断口特征会产生一定的影响。 (1)圆形试件 圆形试件拉仲延性断 裂的断口特征，光滑试件 通常有如左图所示的形貌 特征。缺口试件断口上三 要素的宏观位置与光滑试 件有很大的差异，如右图 所示。 4．1过载断裂失效分析 (1)圆形试件 对于圆形或近圆形截面的零部件，断裂时可根据断口上的“三要 素”位置判断断裂的起始点即断裂源。在实际分析时，难以得到完整 的“三要素”时，放射区即放射线的方向是判断断裂过程的重要依据。 由于应力状态的关系，通常的过载断裂源即纤维区总是在断面的近 中心部位；但一旦发现相反的放射线走向，亦即断裂源不在零部件 的中心区域，而是在表面或近表面某一位置，则可以确定为构件表 面存在较严重缺陷。 若缺口试件的裂纹以不对称的方式由缺口向内部扩展，断口形 态较为复杂，其断裂过程与零件的应力状态有关。 4．1过载断裂失效分析 (1)圆形试件 裂纹以不对称方式的缺口试 件的初始阶段可能是纤维状的， 第二阶段则可能是放射状的。当 第一阶段和第二阶段相交截，裂 纹停止扩展，形成最后断裂区。 如右图所示： 4．1过载断裂失效分析 (2)矩形试件 矩形截面零件(试件)过载断口也有三要素的特征，不过断口上 “三要素”的相对位置，因其结构方面的影响有下图四种情况。 4．1过载断裂失效分析 (2