機械工程材料沈蓮01章機械零件的失效分析(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 料中都存在著微小的宏觀裂紋（原材料中的冶金缺陷、熱處理裂紋、焊接裂紋、鍛造裂紋、疲勞裂紋等）。正是這種宏觀裂紋的存在，引起材料的低應力脆性斷裂，斷裂力學就是在這樣的背景下產生的。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 斷裂力學提出了材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標 —— 斷裂韌度 ，它是材料抵抗裂紋失穩擴展的能力，其單位是 或 。 12M P a m?ICK斷裂韌度 32M N ?? 12I I CK Y a K???IK 12Y ? :?a: 裂紋尖端應力場強度因子 : 裂紋的幾何形狀因子 : 零件工作應力 : 裂紋半長度 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 : 泊松比 三、影響脆斷的因素 工程力學表明，零件在外力作用下，其內部各點的應力狀態都可用三個主應力 、 、 來表示。根據這三個主應力可以計算出各點所受的最大切應力和“最大正應力”。 1?23?? ?1 2 3? ? ???最大切應力 : “最大正應力” : ? ?m a x 1 3 2? ? ??? ? ?m a x 1 2 3v? ? ? ?? ? ?v應力狀態軟硬系數 : m a x m a x? ? ?? SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 加載方式不同，材料的應力狀態不同，則 不同。 ?若以最大切應力 為縱坐標，“最大正應力” 為橫坐標，就可以畫出材料的力學狀態圖。 max? max?從該圖可以直接判斷加載方式對斷裂類型的影響。 例如某材料在三向不等拉伸（即缺口試樣拉伸）情況下，代表該應力狀態的射線 直接與 線相交，故其斷裂前只發生彈性變形，表現為宏觀正斷式的脆性斷裂。 k?? ?? ?在單向拉伸時 ，表現為宏觀正斷式的韌性斷裂。 ? ?? ? SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 在扭轉情況下 ，表現為切斷式的韌性斷裂。 ? ?? ?應力狀態軟硬系數 越大，應力狀態越軟，脆斷傾向愈小。 ?應力狀態軟硬系數 越小，應力狀態越硬，脆斷傾向愈大。 ? SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 第三節 零件在交變載荷 下的疲勞斷裂 一、疲勞的基本概念 1. 交變載荷 —— 方向及大小隨時間周期性變化的載荷。 零件在交變載荷下經過較長時間的工作而發生斷裂的現象，叫做疲勞斷裂。 如軸、齒輪、彈簧等許多零件都是在交變載荷下工作的。機械零件斷裂失效中有 80%以上屬于疲勞斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 應力幅 : 平均應力 : ? ?m a x m in 2a? ? ???? ?m a x m in 2m ? ???應力比 : m in m a xr ???最大應力 : 最小應力 : max?min描述交變載荷的幾個參量： SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 2. 疲勞斷裂的特點 ⑴ 低應力：常常明顯低于靜載下的屈服強度。 ⑵ 突然性：斷裂時無明顯的宏觀塑性變形，無預兆而是突然地發生，為脆性斷裂，即使在靜載和沖擊載荷下有大量塑性變形的塑性材料，發生疲勞斷裂時也顯示出脆性斷裂的宏觀特征因而具有很大的危險性。 ⑶ 疲勞斷裂過程： 疲勞裂紋萌生 → 裂紋擴展 → 最終斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 二、疲勞斷口的特征 分三個區域 疲勞源區 疲勞裂紋擴展區 最后斷裂區 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 1. 疲勞裂紋源區 形成于應力集中處 內部缺陷（夾雜物，孔洞） 加工缺陷 (刀痕 ,微裂紋 ) 不當設計 (截面突然變化 ) 2. 疲勞裂紋擴展區 有疲勞裂紋前沿線（疲勞條紋），呈“貝紋狀” 3. 最后斷裂區 有放射狀線 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 它是材料所承受的交變應力 或 和相應的斷裂循環周次N之間的關系曲線。 三、無裂紋零（構）件的疲勞抗力指標 1. 疲勞極限和過負荷持久值 1） 疲勞曲線 旋轉彎曲疲勞實驗 max(??)s?當應力低于 時，即使循環無線多次也不會發生疲勞斷裂。 r? SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 應該指出，材料的疲勞曲線通常用旋轉彎曲疲勞試驗方法測定， ，其疲勞極限用 表示。 1r ??1?? 條件疲勞極限 —— 不存在疲勞極限時，規定循環基數N0時的斷裂應力。對于實際零件來說， N0是根據零件工作條件和使用壽命來確定的。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING 電氣信息工程學院 機械工程材料 過負荷持久值 —— 高于疲勞極限的應力下，在規定循環周次斷裂所對應的應力。 2. 疲勞缺口敏感度 —— q 由于實際機器零件常常帶有臺階、圓角、鍵槽等，不可避免地有應力集中存在，從而使零件在較低的應力或較短的壽命下產生疲勞裂紋