第三章金属构件常见失效形式及其.ppt

第三章 金属构件常见失效形式及其判断 3-2.变形失效 变形：金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化 特点 变形失效逐步进行，非灾害性的 过度变形最终导致断裂 分类 弹性变形失效 塑性变形失效 蠕变失效 热松弛失效 3.2.1 金属构件的弹性变形失效 1）弹性变形 定义：在加外载荷后产生变形，卸载后变形消失，且构件的形状和尺寸完全恢复到原样。 应力与应变遵从虎克定律 特点 可逆性 单值性 变形量很小 弹性阶段与塑性阶段的弹性变形总量小于0.5%-1.0% 2）弹性变形失效 过量的弹性变形失效 失去弹性功能的弹性变形失效 （1）过量的弹性变形失效 定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值 判断依据 失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求 观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤等痕迹 设计时是否考虑弹性变形影响及采取相应措施 计算验证是否有过量弹性变形 用X射线测量金属受载时的晶格常数变化，验证是否符合要求 事例 弯曲变形的轴类零件 过大挠度、偏角造成轴上啮合零件严重偏载、啮合失常，导致传动失效 拉压变形的柱类零件 导致支撑件过载 （2）失去弹性功能的弹性变形失效 弹性变形不遵循可逆性、单值性、小变形量的特性时，构件失去了弹性功能而失效 如 弹簧秤的弹簧构件，很小的拉力下，弹簧被拉得很长 安全阀上的弹簧，压力容器没超压，阀芯被顶起 3）弹性变形失效原因及防护措施 失效原因 过载 超温 材料变质 防护措施 选择合适的材料或构件结构：E高的材料不易变形 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件 采用减少变形影响的连接件：皮带传动、软管连接 3.2.2 金属构件的塑性变形失效 1）塑性变形 定义：材料的应力超过屈服极限后，产生显著的不可逆变形而不立即破坏的形态 塑性指标：伸长率、断面收缩率 2）塑性变形的特点 不可逆性 变形量不恒定 慢速变形 伴随材料性能的变化 材料加工，随塑性变形量增加，产生应变硬化 3）塑性变形失效 定义：金属构件的塑性变形量超过允许的数值 判断依据 影响构件执行正常功能为依据 如尺寸变形过大，进行测量后与正常件进行比较 如形状变化量过大，肉眼观察或用形规对比 4）塑性变形失效的原因及预防措施 原因 过载 预防措施 合理选材，提高抵抗塑性变形能力 准确确定构件的工作载荷 严格按照加工工艺规程对构件成型，减少残余应力 严禁超载 监测腐蚀环境构件强度尺寸的减少 3.2.3 高温作用下金属构件的变形失效 高温：高于0.3Tm 碳钢构件：300℃以上 低合金钢构件：400 ℃以上 1）蠕变变形失效 定义：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象 蠕变变形失效是塑性变形失效，有塑性变形特点，但不一定是过载引起的。 高温时，蠕变引起构件外部尺寸变化，金属内部组织结构也发生变化 材料抵抗蠕变的能力：蠕变极限、持久强度 蠕变极限：高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变形的抗力，用给定温度下材料产生规定蠕变速率的应力表示 持久强度：材料在高温长期载荷下，不发生蠕变断裂的最大应力 2）应力松弛变形失效 定义：在总变形不变的条件下，构件弹性变形不断转为塑性变形从而使应力不断降低的过程 总变形量：ε0= ε弹+ ε塑 = 常数 3.3. 断裂失效 断裂：金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象 金属材料的断裂过程 裂纹的萌生 裂纹的亚稳扩展及失稳扩展 断裂 3.3.1 断裂失效的分类 按断裂性质分类 韧性断裂 断裂前发生较明显的塑性变形 断裂过程中吸收较多能量，是高于材料屈服应力的高能断裂 脆性断裂 断裂前几乎不产生明显的塑性交形。通常材料的塑性变形小于2％一5％的断裂均可称为脆性断裂 低于允许应力条件下的低能断裂 按断裂路径分类 穿晶断裂 裂纹的萌生和扩展穿过晶粒内部的断裂 可以是韧性的，也可以为脆性的 沿晶断裂 断裂沿着晶粒边界扩展断裂 当晶界有脆性相、焊接热裂纹、蠕变断裂、应力腐蚀等，发生沿晶断裂 多数为脆性断裂，也有韧性断裂 混晶断裂 裂纹的扩展既有穿晶型，也有沿晶型的混合断口 按断裂方式分类 正断断裂 受正应力引起的断裂，其断口表面与最大正应力方向相垂直。断口宏观形貌较平整，微观形貌有韧窝、解理花样等。 切断断裂 在切应力作用下引起的断裂。断面与最大正应力成45。角，断口的宏观形貌较平滑，微观形貌为抛物状的韧窝花样 混合断裂 正断与切断两者相混合的断裂方式，断口呈锥杯状，混合断裂是最常见的断裂类型。 按断裂机制分类 解理 准解理 韧窝 滑移 沿晶 疲劳 其它分类法 按应力状态分类 静载断裂(拉伸、剪切、扭转) 动载断裂(冲击、疲劳) 按断裂环境分类 低温断裂 中温断裂 高温断