2-失效分析基础知识

2019/10/61§2失效分析基础知识材料知识力学知识化学知识失效分析2019/10/62§2.1常见缺陷一铸造缺陷§2.1金属构件中的常见缺陷一、铸态组织缺陷1.缩孔与疏松图2-1缩孔缺陷(a)低碳钼钢铸锭端部取样★形貌特征(b)Cr17铸钢锭下部取样2019/10/63图2-2疏松缺陷(a)45钢铸锭的严重疏松(b)2Cr13钢热轧后退火的中心疏松晶间疏松&枝晶疏松★缩孔与疏松的消除合理选择合金成分合理的铸造工艺合理的锻轧工艺★缩孔与疏松的危害主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响2019/10/642.偏析偏析凝固形成的晶体内部由于扩散不足引起的偏析。晶内偏析晶间偏析区域偏析比重偏析凝固形成的枝状晶内由于扩散不足引起的偏析。金属在凝固时由于某些因素的影响而生产的化学成分不均匀现象先结晶区域的化学成分与后结晶区域间的偏析。先结晶区域的比重不同于后结晶区域间的偏析。2019/10/65偏析的预防①净化合金液②改善凝固条件③扩散退火处理图2-3硫的区域偏析(硫印图)2019/10/663.气孔与白点气孔的类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔气孔的危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性气孔的预防：合金液除气、合理的铸造工艺图2-4气孔2019/10/67白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点。白点的消除：净化除气易发钢种：含Cr、Ni、Mn的合金结构钢及低合金工具钢提醒：含白点的钢材或其它材料不能使用！图2-5白点2019/10/68二锻轧件缺陷二、锻轧件缺陷1.内部组织缺陷危害:脆性增加，强度下降!a.粗大的魏氏组织提醒:重要件不允许有魏氏组织图2-6魏氏组织2019/10/69b.网络状碳化物及带状组织提醒：常导致工、模具钢过早失效危害：使性能呈各向异性!(a)(b)图2-7网络状碳化物(a)及带状组织(b)2019/10/610c.钢材表面脱碳(a)(b)图2-8锻制螺栓表面脱碳后的组织(a)及强度降低而变形(b)2019/10/6112.钢材表面缺陷a.划痕b.表面裂纹c.分层d.折叠e.结疤：金属锭或型材表面的凹凸坑(2～3mm)图2-9低碳钼钢管内壁的折叠和结疤2019/10/612三夹杂物对钢性能的影响三、夹杂物对钢性能的影响1.夹杂物的类型构件失效中，90%是疲劳失效(正常使用时)。a.脆性夹杂物图2-11裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生a.(OM像)38CrMoAl疲劳试样表面裂纹b.(SEM像)疲劳断口,夹杂物与钢基体脱开2019/10/613b.塑性夹杂物图2-12串链状夹杂物图2-13硫化锰塑性夹杂物2019/10/614c.半塑性变形的夹杂物(a)球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物(b)尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物图2-14复合夹杂物的变形2019/10/6152.夹杂物对钢性能的影响a.夹杂物使钢产生微裂纹b.夹杂物易引起应力集中c.夹杂物降低钢的韧性主要是指对强度和韧性的影响。2019/10/616四焊接组织缺陷四、焊接组织缺陷1.接头的形成与区域特征图2-16焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程回顾a.接头组织区域划分热影响区b.焊缝及热影响区的组织c.焊缝结晶过程2019/10/617图2-19焊缝中的多边化裂纹2.焊接裂纹a.热裂纹：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹图2-18焊缝中的高温液化裂纹2019/10/618b.再热裂纹热处理过程中产生的裂纹，一般在550～650℃最为敏感。图2-20焊缝中的再热裂纹2019/10/619c.冷裂纹较低温度下在热影响区产生的裂纹，是一种影响较大的缺陷。有以下三种类型：延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性脆化裂纹图2-21焊缝中的延迟裂纹2019/10/620图2-22焊缝中的淬硬脆化裂纹2019/10/621d.层状撕裂①层状撕裂温度不超过400℃；②常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结构破坏，甚至造成灾难性事故；③低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁容器、潜艇等，易发生层状撕裂。图2-23T型接头的层状撕裂2019/10/622五热处理组织缺陷五、热处理组织缺陷零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织应力而生产的缺陷，如淬裂。1.原材料已有缺陷2.原始组织不良3.有夹杂物4.淬火温度不当5.淬火时冷却不当6.有机械加工缺陷7.淬火后回火不及时淬裂原因：2019/10/623§2.2力学计算基础一传统强度理论§2.2力学计算基本概念一、传统强度理论强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。断裂失效有：最大拉应力理论、最大拉应变理论屈服失效有：最大切应力理论、形状改变比能理论1.强度理论a．最大拉应力理论(第一强度理论)决定构件产生断裂失效的主要因素是最大拉应力。1适用①以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等；范围②主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。而[σ]＝，K为安全系数σbk强度条件:σ1≤[σ]，2019/10/624决定材料发生断裂失效的主要因素是单元体中的最大拉应变ε1。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大拉应变ε1达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的拉应变极限值εf时，材料就将发生断裂失效。强度条件：ε1≤εf极限应变：εf＝σbE广义虎克定律：ε1＝[σ1－μ(σ2＋σ3)]1E即强度条件：σ1－μ(σ2＋σ3)≤[σ]当单向拉伸时，ε1＝σ1／E＝εf＝σb／E，第二强度理论与第一强度理论完全一致。b．最大拉应变理论(第二强度理论)2019/10/625①第二强度理论能很好地解释脆性材料受轴向压缩时，沿纵向发生的断裂失效现象；②脆性材料受一拉一压的二向应力状态，断裂试验结果与第二强度理论计算结果相近。第二强度理论对塑性材料不适用，因为[σ]是材料单向拉伸时沿横截面发生脆断失效的许用应力，像塑性材料(如低碳钢)是不可能通过单向拉伸试验得到材料在脆断时的极限值εf的。2019/10/626c．最大切应力理论(第三强度理论)强度条件：τmax≤τs即强度条件：σ1－σ3≤[σ]复杂应力状态下，τmax＝(σ1－σ3)／2其中[σ]＝σsk单向应力时，τs＝σs／2适用范围：①该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据；②结果偏于安全(没考虑主应力σ2的影响)；③不能解释脆性材料的失效。决定材料塑性屈服而失效的主要因素是单元体中的最大切应力。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体中的最大切应力τmax达到单向拉伸下发生塑性屈服时的极限切应力τs时，材料就发生塑性屈服而失效。2019/10/627d．形状改变比能理论(第四强度理论)复杂应力下构件的形状改变比能为μf＝[(σ1－σ2)2+(σ2－σ3)2+(σ3－σ1)2]1+μ6E强度条件：μf≤(2σs2)1+μ6E单向拉伸时材料与σs相应的形状改变比能为1+μ6E(2σs2)塑性材料，构件形状改变比能是引起屈服的主要因素。即无论构件处于何应力状态，只要形状改变比能μf达到材料在单向拉伸时发生屈服应力σs相应的形状改变比能，材料就屈服引起构件失效。][])()()[(21213232221即2019/10/628形状改变比能理论又称为均方根切应力理论适用范围①该理论是塑性屈服判据，而不是断裂判据；②常用于塑性好的材料如钢、铝、铜等；③与试验结果吻合程度比第二强度理论更好。2.各强度理论的适用范围强度理论的强度条件统一式：σe≤[σ](σe:相当应力)σe--构件危险点处于三个主应力的某种组合。2019/10/629四个强度理论的相当应力表达式如下：])()()[(21)4()3()()2()1(213232221313211eeee用σe对构件进行强度校核，应清楚：①所用强度理论应与在该种应力状态下的失效形式相适应；②采用的[σ]应与该失效形式的极限应力相符合。2019/10/630受三向压应力(但[σ]不能用脆性材料的单向许用应力)或塑性材料的薄壁圆筒受单/双向拉应力。如钢梁塑性材料：受单/双向拉应力(偏安全)。如钢制圆筒脆性材料：受单/双/三向拉应力;塑性材料：受三向拉应力([σ]不是单向拉伸时的许用应力)。第二类强度理论(屈服失效理论)第一类强度理论(断裂失效理论)强度理论名称及分类4--形状改变比能理论3--最大切应力理论2--最大拉应变理论1--最大拉应力理论适用范围脆性材料：受轴向压缩或一拉一压的二向应力2019/10/6313.对传统强度理论的评价GBl50《钢制压力容器》、美国ASME《锅炉及压力容器规范》、英国BS5500《非直接火压力容器》、日本的JISB8243《压力容器构造》等都采用传统强度理论。GBl50-1998《钢制压力容器》①静载荷压力容器及其构件，设计压力为0.1～35MP；②容器中任一点应力按平面力系将其归结为单向屈服的关系，用弹性强度理论导出；③总体一次薄膜应力用最大拉应力理论，将其控制在许用应力之下；④局部应力用最大切应力理论，以三个主应力的最大与最小的差值为应力强度，将其限制在许用值之下。(1)对工程实践仍起指导作用2019/10/632(2)计算结果不够准确①传统强度计算假设材料均匀连续、无损伤实际材料为非均匀连续的，存在微裂纹、微孔洞、剪切带以及各种损伤基元的组合，这大大降低了承载能力。②传统强度计算采用较高的安全系数安全系数是一模糊概念，它包容材料的实际情况、真实变形和制造、使用等过程变化；安全系数是经验取值，当它未能包含以经验取值的因素时，事故就发生了。如“泰坦尼克”豪华游船的惨剧2019/10/633二断裂力学知识二、断裂力学基本概念★断裂力学研究宏观裂纹(≥0.1mm)的均匀连续基体的力学行为，认为断裂主要是宏观裂纹的成长及其失稳扩展。★裂纹失稳扩展通常由裂纹端点开始，裂端区的应力应变场强度大小与裂纹的稳定性密切相关，当裂端表征应力应变场强度的参量达到临界值时，裂纹迅速扩展，使构件断裂。★两个问题①裂纹体在裂端区应力应变场强度的表征及变化规律；②裂纹体发生失稳扩展的临界值。★定量关系建立构件裂纹尺寸、工作应力与材料抵抗裂纹扩展能力之间的定量关系是断裂力学研究的重点。2019/10/634图2-26材料断裂的载荷-变形量关系载荷-变形量呈线性关系(有很小一段非线性关系)载荷与变形量由线性关系变为非线性关系线弹性断裂力学弹塑性断裂力学断裂力学2019/10/6351.线弹性断裂力学1.线弹性断裂力学及其应用图2-27裂纹扩展的三种基本类型(1)裂纹扩展的三种基本类型假设：材料是线弹性的；忽略裂纹尖端出现的体积很小的塑性区的影响。2019/10/6362aσσ裂纹尖端引起的应力集中图2-28无限大平板中心长为2a贯穿厚裂纹(2)张开型裂纹尖端附近的二向应力场方程2019/10/637…..(2-6a)…….(2-6b)..………(2-6c)…..…...…………………….(2-6d)KⅠ---应力场强度因子πⅠaKσ)23sin2sin1(2cosπ21rkx)23sin2sin1(2cosπ21rky)23cos2cos2sinπ21rkxy在裂纹尖端扩展线(即x轴)上，θ=0,sinθ=0,此时0,2πⅠxyyxrk2019/10/638裂纹尖端处于平面应力(即二向应力)状态，如薄板受力，σz=0。裂纹尖端处于平面应变(即三向应力)状态，如厚板受力，εz=0，σz=μ(σx+σy)。2019/10/639(3)应力场强度因子KⅠY叫几何因子(或形状因子)，它是和载荷无关，而与裂纹形状、加载方式及其试样集合形状有关的量。KⅠ叫应力场强度因子，它控制了应力的大小。对其它裂纹状态的张开型裂纹，(2-6)式仍成立，但akY1···························(2-8)2019/10/640当KⅠ增大到某一临界值KⅠC时(临界状态),裂纹突然扩展，材料快速