变形失效

§金属构件常见失效形式——变形2目录工程材料静拉伸时的力学性能弹性变形失效塑性变形失效蠕变失效31工程材料静拉伸时的力学性能拉伸性能通过拉伸试验可测量出材料的弹性、强度、塑性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力学性能。拉伸性能的作用、用途a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要依据之一；b.提供预测材料的其它力学性能的参量，如抗疲劳、断裂性能。41.1力—伸长曲线分析以内的变形为弹性变形,以外发生塑性变形,段为不均匀的塑性变形,是均匀塑性变形,发生缩颈,发生集中塑变,点塑变为,弹性变形为,点塑变为eACCBBkBgLgtLkkL5典型材料的力---伸长曲线1.大多数纯金属(Al,Cu,Au,Ag)：变形分为三个阶段，无屈服塑性变形阶段2.脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢及高碳合金钢）：只有弹性变形阶段，少量或无塑性变形3.高弹材料(橡胶)：只有非线性弹性变形一个阶段，且弹性变形能力强，弹性变形率可达100～1000％4.工程塑料：有弹性变形、均匀塑性变形和不均匀集中塑性变形，因键合方式、成分和组织状态不同而不同61.2应力—应变曲线1.应力条件(工程)应力：σ=F/A0A0-原始截面尺寸真应力：S=F/AA-瞬时截面面积2.应变定义:试样标距内单位长度（或原面积）上的伸长率（或收缩）条件应变：工程伸长应变ε=（L-L0）/L0截面收缩应变Ψ=（A0-A）/A0真应变：因试样长度在不断变化，某一瞬时拉伸试样的长为L，载荷增dF,伸长dL.则该瞬时形变率为dL/L,总形变率--真应变e=ln(L/L0)=ln(1+ε)注：真应变小于工程应变；S=σ(1+ε)，Sσ。7bb[]/n(n2~5)[]/n(n1.5~2.0)这些性能指标是材料工程设计的依据：脆性材料：塑性材料：81.3真应力—应变曲线在弹性变形阶段,工程应力—应变曲线与真应力—应变曲线差别不大,但在塑性变形阶段,差别显著。工程上应用工程应力—应变曲线，材料研究中应用真应力—真应变曲线.91.4静载性能指标1）刚度：零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力•单向拉伸（或压缩）•纯剪切EAPKεσ·AεGAPKγτ·AγE:弹性模量，G:切变模量注：零件刚度和材料刚度不一样，工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度102）强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力σp(比例极限)：应力-应变符合线性关系σe(弹性极限)：加载再卸载，不出现残留永久变形的最高应力σs(屈服极限)：开始塑性变形的应力值，表征材料对微量塑性变形的抗力σb(抗拉极限)：极限载荷对应的应力，表征材料极限承载能力σk(断裂极限)：材料发生断裂时的应力值1.4静载性能指标113）塑性：材料在外力作用下能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力伸长率δ、断面收缩率ψ%100LL-Lδ00%100Aψ00AAL0、A0：拉伸试样的原始标距长度、原始截面积；L、A：拉伸试样断裂后的标距长度、颈缩处最小截面积1.4静载性能指标124）弹性：物体受外力作用变形后，除去作用力时能恢复原来形状的性质1.4静载性能指标135）硬度：材料抵抗压入或刻划的能力1.4静载性能指标布氏硬度（HBS/HBW）洛氏硬度（HRA/HRB/HRC）维氏硬度&显微维氏硬度（HV）其他硬度（努氏硬度HK、肖氏硬度HS、莫氏硬度）14)(222dDDDPHB布氏硬度计布氏硬度15洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计•洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002•根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。16维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕17外力引起原子间距的变化（偏离平衡位置），即产生位移，位移的总和在宏观上表现为材料的变形。将外力去除后，原子依靠彼此之间的作用力又回到原来的平衡位置，宏观变形消失，表现为弹性变形的可逆性。将原子间作用力与原子间距近似看成线性关系，就是所谓的胡克定律σ＝E·ε2弹性变形失效2.1理想弹性变形弹性变形的特点①可逆性②单值性(线性)③变形量很小18滞弹性：材料在快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹性应变的性能粘弹性：材料在外力作用下，粘性和弹性两种变形机理同时存在的力学行为伪弹性：在一定温度条件下，当应力达到一定水平后，金属或合金将由应力诱发马氏体相变，伴随应力诱发相变产生大幅度弹性变形的现象包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变小于4%），而后再同向加载，规定残余伸长应力增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象内耗：单向加载或交变加载一个周期形成的弹性滞后环所代表的能量损失2.2非理想弹性19包申格效应示意图20当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时，就叫做过量弹性变形失效。是指因构件和零件刚性不足，在受力过程中产生过量的弹性变形或弹性失稳，而导致的失效。这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，一般不会引起麻烦。但在一些精密机械中，对零件的尺寸和匹配关系要求严格，当弹性变形超过规定的限量(在弹性极限以内)时，会造成零件的不正常匹配关系(如镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用)。2.3过量的弹性变形失效21例：钢的线膨胀系数约为12×10－6℃－1，是青铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时，就将导致弹性变形失效。22弹性变形失效的判断往往比较困难。这是因为，虽然应力或(和)温度在工作状态下曾引起变形并导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变形已经消失。综合考虑以下几个因素：(1)失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历；2.3.1特征及判断方法23(2)在失效分析时，应注意观察在正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹；(3)在设计时是否考虑了弹性变形(包括热膨胀变形)的影响，并采取了相应的措施；(4)通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。2.3.1特征及判断方法24失效的责任几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。1．选择合适的材料或结构如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，则可以根据具体的要求选用适当的材料。2.3.2防止措施25例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。铍的弹性模量为铝的4倍、钢的1.5倍。如果考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际需要采用热膨胀系数适合的材料。2.3.2防止措施262.确定适当的匹配尺寸弹性变形量是可以计算的，这种尺寸的变化应当在设计时加以考虑。低温度下工作的机件，其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还要确保在低温下尺寸变化后仍能正常工作。对于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验来解决。3.采用减少变形影响的转接件在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹性变形的有害影响。2.3.2防止措施273.1概述塑性变形：零件受力后产生的不可恢复的变形。在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，它的出现说明零件受力过大。但也不是出现任何程度的塑性变形都一定导致失效。塑性变形失效：当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时的现象3塑性变形失效（屈服失效）28例：某厂的洗涤塔为高20.5m、直径3.5m、壁厚8mm的圆筒结构，用于精洗煤气。在输入煤气前，先用蒸汽冲洗洗涤塔约3min，塔内温度约为70℃。其后，错误地关闭了放散阀，又错误地向塔内喷冷水，致使塔内冷凝加快形成负压。在外部大气压力下，塔壁收缩内陷，导致从塔顶至底部发生整体歪扭，中部呈细颈状，产生屈服失效。3塑性变形失效（屈服失效）293.2特征及判断特征：失效件有明显的塑性变形。判断：塑性变形很容易鉴别，只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的塑性变形(如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形特征)用肉眼即可判别。3塑性变形失效（屈服失效）30两个互相接触的曲面之间，存在有静压应力，可使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局部的凹陷，严重者会影响其正常工作，这称为过载压痕损伤，是屈服失效的一种特殊形式。例如：滚珠轴承在开始运转前，如果静载过大，钢球将压入滚道，使其型面受到破坏。这样的轴承在随后的工作中就会使振动加剧而导致早期失效。过载压痕损伤：3塑性变形失效（屈服失效）313.3防止和改进措施1.降低实际应力(1)降低工作应力降低工作应力可从增加零件的有效截面积和减少工作载荷两个方面考虑。准确地确定零件的工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取安全系数，并注意不要在使用中超载。3塑性变形失效（屈服失效）32(2)减少残余应力残余应力的大小与工艺因素有关。应根据零件和材料的具体特点和要求，合理地制定工艺流程，采取相应的措施，以便将残余应力控制在最低限度。(3)降低应力集中应力集中对塑性变形和断裂失效都会产生重要影响3.3防止和改进措施332．提高材料的屈服强度零件的实际屈服强度与选用的材料、状态以及冶金质量有关，因此，必须依据具体情况合理选材，严格控制材质，正确制定和严格控制工艺过程。具体问题要具体分析，要依据失效分析的结果有针对性地采取相应的措施。3.3防止和改进措施344.1概述蠕变失效：金属零件在应力（可能小于σs）和高温（T0.3Tm）的长期作用下，缓慢产生永久变形而导致的失效。蠕变变形机理：位错滑移、原子扩散、晶界滑动。产生条件：1)材料长时间处于加热当中或者在熔点附近时，蠕变产生，且随着温度升高而加剧；2)蠕变失效在高于某一定温度的条件下才能进行；3)应力可能小于σs。4蠕变失效354蠕变失效4.2蠕变的一般规律36第一阶段：称为减速蠕变阶段，蠕变速率由快逐渐变缓，到B点时蠕变速率达到最小值第二阶段：称为恒速蠕变阶段，这一阶段蠕变速率基本不变，在全过程中占据较大的比例第三阶段：称为加速蠕变阶段，表现为蠕变速率加快，最后导致断裂4.2蠕变的一般规律374.3蠕变变形失效的特点①蠕变变形失效是塑性变形失效，但不一定是过载，只是载荷大时，蠕变变形失效时间短，恒速蠕变阶段蠕变速度大；②高温下不但变形引起尺寸变化，还有金属内部组织结构的变化，如珠光体球化、石墨化、碳化物聚集、长大、再结晶以及合金元素的重新分布；③用蠕变极限及持久强度来恒量材料抵抗蠕变的能力。蠕变极限：给定温度下材料产生规定稳态蠕变速率的最大应力或者材料产生一定蠕变变形量的最大应力。持久强度：材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力381.特征1）蠕变变形的速度很缓慢。可以根据零件的具体工况来分析，是否存在产生蠕变的条件(温度、应力和时间)。2）在蠕变断口的最终断裂区上，撕裂岭不如常温拉伸断口上的清晰。断口附近的晶粒形状往往不出现拉长的情况，有时能见到蠕变孔洞。4.3蠕变的特征及判断392.蠕变失效的鉴别方法1）工况差别需要较高的工作温度和较长的服役时间。2）断口形貌的差别塑性断口上韧窝非常清晰，微孔聚合的部位比较尖锐，呈现白亮线条。蠕变断口上，微孔聚合的地方比较钝，没有明显的白亮线。蠕变断口上，有可能看到氧化色，有时还能见到蠕变孔洞。3）断口附近的金相组织蠕变多为沿晶断裂，而塑性断裂多为穿晶型断裂。4.3蠕变的特征及判断401．设计方面正确地选择材料和确定零件尺寸。材料发生蠕变是由于回复和再结晶，位错密度降低，碳化物的球化或石墨化，第二相析出或聚集等原因所引起。所以选用高强耐热钢、合适的热处理、适当的合金化等