《常见失效形式及特征和诊断》.ppt

第三章 常见失效形式及特征和诊断;主要内容;主要内容;3.1过量弹性变形失效;;;3.2屈服失效;;;;;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;;;材料的韧性与断裂设计;;材料的韧性与断裂设计;材料的韧性与断裂设计;;;裂纹尖端附近的应力场;裂纹尖端附近的应力场 ;对于I型裂纹，裂纹尖端任一点的应力和位移分量取决 于该点的坐标(r,θ)，材料的弹性常数以及参量KI。KI 可用下式表示 KI=σ·√πα 若裂纹体的材料一定，且裂纹尖端附近某一点的位置(r,θ)给定时，则该点的各应力分量唯一地决定于KI 之值。 KI之值愈大，该点各应力,位移分量之值愈高。 KI反映了裂纹尖端区域应力场的强度，故称为应力强度 因子。 它综合反映了外加应力、裂纹长度对裂纹尖端应力场强 度的影响。;;;;安全判据 是结构断裂设计的依据。 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？ 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 ;[例2]* 计算构件中的临界裂纹尺寸，并评价材料的脆断倾向。 一般构件中，较常见的是表面半椭圆裂纹。由前式并从安全考虑，其临界裂纹尺寸可由下式估算;(2)中低强度钢 这类钢在低温下发生韧脆转变。 在韧性区，KIC可高达150 MPa√m 而在脆性区，则只有30-40 MPa√m，甚至更低;1.外因 板厚或截面尺寸：断裂韧性随板厚或截面尺寸的增加而减小趋于KIC 温度：随温度下降，断裂韧性急剧降低。 应变速率：应变速率增加，断裂韧性降低。 2.内因 晶粒尺寸：细化晶粒同时提高强度和韧性 夹杂和第二相：使韧性降低 组织结构：马氏体，贝氏体，奥氏体 断裂韧性：奥氏体下贝氏体马氏体上贝氏体 ;低应力脆断特点 低应力，符合强度设计准则 发生在比较低的工作温度下 裂纹源通常在结构或材料的缺陷处 厚截面、高应变速率促进脆断;钢的脆性;;3.3塑性断裂失效;;;;3.4脆性断裂失效;;;;;;;;;右图是建造中的Titanic 号。 Gannon 的文章指出，在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。 船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。 ;由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性;;;;;3.5疲劳断裂失效;;失效分析; 疲劳源;失效分析;;轴的疲劳断口;失效分析;机身结构强度 机翼颤振和付翼“反逆”现象主要原因是结构刚度不足。 疲劳和耐久性要求 ;3.5疲劳断裂失效;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;例 铬镍合金钢阶梯轴 ?b=920MPa， ?–1= 420MPa，?–1= 250MPa ，求弯曲和扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数;2.扭转时的有效应力集中系数和尺寸系数;;;;;;;;;;3.5.2疲劳失效行为特征 热疲劳的基本概念 热疲劳破坏：金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环(或热应变循环)，或者与机械应力的联合作用下导致疲劳裂纹形成与扩展，最后一期零部件疲劳失效的现象。 产生原因： 工作交变温度——热应力(又称温差应力)变化引起材料内部 膨胀和收缩产生循环