失效分析-基本概念

b 条件疲劳极限（疲劳强度） 对于铝合金等有色金属及在高温和腐蚀 条件下工作的黑色金属，无疲劳极限，其疲劳抗力指标常用条件疲劳极限 表示。一般规定，承受大于5×107～5×108次应力循环而不破坏的最大应 力称该材料的条件疲劳极限。
c 疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下（＞r），破坏前的应力循 环次数，叫疲劳破坏的持久值。 d 裂纹扩展速率 da C (K ) n
dN
2
15
1.2 疲 劳 强 度
对于同一种材料，在不同的应力状态下，其疲 劳极限是不同的：
对称弯曲 对称拉压 对称扭转 脉动弯曲
-1 = 0.4 b -1 = 0.28 b -1 = 0.22 b -1 = 0.65 b
2
16
1.2 疲 劳 强 度
1.2.3 交变应力下的安全系数
1
( 1 )
1
钢件表面加工系数
1—抛光，2—磨削，3—精车，
4—粗车，5—轧制，6—淡水腐蚀表， 7—海水腐蚀表面
2
18
1.2 疲 劳 强 度
（4）表面腐蚀的影响 腐蚀环境对材料疲劳极限的影响，可用腐蚀系数2来表示。 （5）表面强化的影响 一般来讲，材料强化能提高材料的疲劳极限，特别是存在应力集中 时，效果更显著。表面强化对材料疲劳极限的影响可用表面强化系数3来 表示。
4、交变切应力 实际运转的轴或齿轮，其接触点是不断变化的，因此，对零件上某一 固定点而言，各应力分量也是周期变化的，在只考虑法向力的情况下，交 变切应力 yzn的最大值在z 0 = 0.5 b处，其值 yznmax= 0.25 j。 5、摩擦力对接触应力的影响
当摩擦系数为1/3时，将有如下变化：
F0
2
，
7
1.1 金属机械性能指标 1.1.1 金属的常规性能指标
硬度
衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。表征着材料的 弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组 合的一种综合性能指标，不是一个单纯的物理量，试验方法 不同，其物理意义也不同。 一般可以认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划 破裂的能力。 压入法、刻划法。 压入法——静载和动载。 静载——布氏、洛氏、维氏硬度。 动载——肖氏硬度。
2
8
1.1 金属机械性能指标
布氏硬度HBxxxX：一定直径的钢球压入试件，用压入深度表征材料 的硬度。测量压入坑的直径。 一般用于测试有色金属、调质和正火、退火态的黑色金属。 根据硬度范围和试件尺寸选择试验时的钢球和载荷大小。 洛氏硬度HRA、HRB、HRC：用120的金刚石圆锥或直径1.588mm压 入试件，测量压入深度，以深度大小表征材料的硬度值。 一般用于测量淬火回火态的钢试件。 表面硬度计：用小载荷加压，用于测量薄试件、氮化层、渗碳层、金 属镀层等的硬度。 维氏硬度及显微硬度HV：用金刚石的正四棱锥体压入试件，测量压痕 对角线长度。 肖氏硬度HS：动载试验法。用一定质量的带有金刚石圆头或钢球的重 锤，从一定高度落下，根据钢球回跳的高度来衡量试件的硬度。 肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。
表面强度。 脆性材料，表面处理的工 件。铸铁，焊接接头等。评定 塑性材料的塑性。 三点弯曲法。
bb
Mb W
2
13
1.2 疲 劳 强 度
1.2.1 交变载荷
在交变应力作用下，金属材料发生损伤的现象称为疲劳。 承受交变应力典型零件的应力循环特征
零件名称 轴 齿轮齿根 轴承 连杆 螺栓
应力变化
循环特征
2
HB175 HB175 HRB90 100HRB90 HRC27 40HRC27 HRC40 HRC40
10
1.1 金属机械性能指标
1.1.2 金属的其它性能指标 扭转
弯曲
压缩
2
11
1.1 金属机械性能指标
扭转试验：材料的剪切扭转机械性能。铆钉、传动主轴等工件。
2
12
1.1 金属机械性能指标 弯曲试验：
（１）应力集中和应变集中的影响
Kf
1 光滑试件的疲劳极限 缺口试件的疲劳极限 ( 1 ) k
（２）尺寸的影响
一般当尺寸增大时，疲劳强度降低。
尺寸的影响可用尺寸系数 来表示
1
( 1 )
1
图2-25 锻钢疲劳极限的尺寸系数
2
17
1.2 疲 劳 强 度
（3）表面加工状态的影响 表面状态对对疲劳极限的影响可用表面加工系数1来表示
xn
4 PN 2 J 2 2 2 2 ( b z z ) ( b z z) 2 b b
2PN ( z 2 b 2 z ) 2 ( z 2 b 2 z) 2 b z 2 b2
yn
b z 2 b 2
2 PN 1 z 2 b2
1、接触面间的赫兹应力 两物体接触表面附近的应力场理论是根据赫兹（Hertz）的弹性理论提出 的。该理论认为，接触表面的接触应力按椭圆规律分布，其中心达最大值。
PN R b 1.52 LE
PN E j 0.418 LR
2
20
1.2 疲 劳 强 度
2、沿圆柱体接触面的对称平面（y = 0）上，各点的应力分量
2
6
1.1 金属机械性能指标 1.1.1 金属的常规性能指标
塑性指标：
塑性——断裂前金属发生塑性变形的能力 伸长率K——断裂后试样标距长度的相对伸长值。标距的绝对伸
K 长与试样原标距的比值，
l K l0 100% l0
。
伸长率与试样原始标距长度有关，5，10
断面收缩率——断裂后试样截面的相对收缩值， F FK 与试样尺寸无关。 0 100%
1.1～1.3 1.8～2.0 1.4～1.5 1.2～1.3 1.1～1.4 1.1～1.4
2
1.4～1.5 1.5～2.0
1.5～1.7 3 — 2 1.4～1.6 1.1～1.4
1.8～2.2 —
1.7～2.1 — — — 1.6～2.0 1.6～2.0
19
渗
辊 喷
碳
压 丸
1.2 疲 劳 强 度 1.2.4 接触应力
应力性Hale Waihona Puke Baidu 应力状态
对称循环 r =-1 对称弯曲
脉动循环 r=0 脉动弯曲
脉动循环 r = - 脉动压缩
大压小拉 - r -1 不对称
大拉小压 0r1 不对称
循环特征
min r max
2
14
1.2 疲 劳 强 度
1.2.2 交变应力下材料的抗力指标及性质
（1）疲劳抗力 材料抵抗交变应力作用的能力称为疲劳抗力。 （2）疲劳抗力指标及性质 a 疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力r， 称该材料的疲劳极限。
j
zn

j
2
b z 2 b2
21
1.2 疲 劳 强 度
3、最大切应力
数值计算式

45 yz max

yn xn
2
0.30 j
所在位置
z
45 yz
0.786b
切应力 yz（45）在z = 0.786 b处达最大值。
2
22
1.2 疲 劳 强 度
最大主应力分量将增加39%； 最大切应力分量将增加43%；
最大交变应力分量将增加36%；
最大切应力所在位置，由距表面0.786 b处，移至表面，并向y 方向偏离0.3 b。
2
23
1 基本概念
1
束德林：金属力学性能，机械工业出版社，TG113.2/S-253， TG113.2/S-253.2 孙茂才：金属力学性能，哈工大出版社， TB3-51/C-532/10 徐积善：强度理论及其应用，水电出版社， TG0346/X-432 郑修麟：材料力学性能，西北工大出版社， TG13301/Z-883 杨道明：金属力学性能与失效分析，冶金工业出版社， TG115/Y-254 俞茂宏，强度理论研究进展，西安交大出版社， TG0346/Y526 楮武扬，断裂与环境断裂，冶金工业出版社， TG111.91
2
3
1.1 金属机械性能指标
1.1.1 金属的常规性能指标
拉伸曲线示意图
2
4
1.1 金属机械性能指标
1.1.1 金属的常规性能指标
拉伸曲线示意图
2
5
1.1 金属机械性能指标 1.1.1 金属的常规性能指标 强度指标：
比例极限p——应力与应变成正比关系的最大应力。 弹性极限e——材料由弹性变形过渡到弹-塑性变形的应力。 应力超过弹性极限，即开始发生塑性变形。微量塑性变形。不 允许有微量塑性变形的零件，应根据此极限设计。 屈服极限——金属发生明显塑性变形的抗力。 屈服点s——屈服点对应的强度，有上、下屈服极限。 屈服强度0.2——规定产生0.2%残余伸长的应力。 抗拉强度（强度极限）b——试样拉断前最大载荷所决定的 条件临界应力。 国家标准中规定：e （0.01） ， S（0.2），b
强化方法 高频淬火 渗 氮 心部强度 b （MPa） 钢试样的表面强化系数3 光滑试样 有应力集中试样 Kf 1.5 Kf 2.0
600～900 800～1000
900～1200 400～600 700～800 1000～1200 600～1500 600～1500
1.3～1.5 1.2～1.4
2
2
本课程主要内容：
断裂力学基础（线弹性条件下的断裂韧性和断裂应力，缺 口断裂力学及缺口断裂韧性；弹塑性条件下裂纹前端的应力应 变场及断裂韧性）。 断裂物理基础（断裂类型及断裂强度；韧断与脆断的特点、 断裂判据及断口特征）。 断裂的微观机理（裂纹的形成理论与裂纹扩展途径分析）。 韧化原理及工艺（影响韧性的因素及韧化工艺）。 疲劳断裂（疲劳断裂的机理，疲劳裂纹的形成与扩展，疲 劳短裂纹及疲劳的闭合效应）。 环境断裂（氢致断裂的机理及力学参量；应力腐蚀机理及 表征参量；高温蠕变变形与断裂机理）。
2
9
1.1 金属机械性能指标
1.1.1 金属的常规性能指标
硬度和抗拉强度之间的经验关系：
未淬硬钢： b=0.362HB b =0.345HB b =2.64103/（130-HRB） b =2.61103/（130-HRB） 碳钢： b =2.5HS b =51.32104/（100-HRC）2 灰铸铁： b =（HB-40）/6 b =48.46104/（100-HRC）2 铸钢： b =（0.30.4）HB b =8.61103/（100-HRC）