零件失效分析2-失效分析基础知识.ppt

第2章失效分析基础知识,零件失效形式与来源应力集中与零件失效残余应力与零件失效材料的韧性与断裂设计应力分析与失效分析金属构件中可能引起失效的常见缺陷,2.1机械零件失效的形式与来源,机械零件失效形式,(1)按照失效的形态分类,过量变形,断裂,表面损伤,a.过量变形,扭曲：花键,高低温下的蠕变,拉长：紧固件,弹性元件发生永久变形,b.断裂,一次加载断裂,磨损,环境介质引起的断裂,疲劳断裂,c.表面损伤,腐蚀,重点,机械零件失效形式,(2)根据失效的诱发因素分类,机械力引起的失效,热应力引起的失效,摩擦力引起的失效,活性介质引起的失效,(3)根据产品的使用过程分类,早期失效,偶然失效,损耗失效,机械零件失效形式,(4)从经济法的观点对失效分类,产品缺陷失效,误用失效,受用性失效,损耗失效,在进行失效分析时，应将失效的模式、失效的诱发因素及失效后的表现形式综合考虑，对于获得正确的分析结果是至关重要的。,机械零件失效形式,表1在一般工业工程中调查失效模式的比例,表2航空零件失效模式的比例,常用零部件的工作条件、失效形式和性能指标,齿面磨损：灰尘、砂粒、金属微粒等落入轮齿间，会使齿面间产生摩擦磨损。严重时会因齿面减薄过多而折断。磨损是开式传动的主要失效形式。,以齿轮为例：,齿面点蚀：轮齿工作面承受近似脉动的变应力作用，由于疲劳而产生的麻点状剥蚀损伤现象。点蚀是闭式传动常见的失效形式。点蚀首先出现在节线附近。,齿面胶合：高速重载传动中，齿面间压力大，瞬时温度高，润滑油膜被破坏，齿面间会发生粘接在一起的现象，在轮齿表面沿滑动方向出现条状伤痕，称为胶合。,塑性变形：重载且摩擦力很大时，齿面较软的轮齿表面就会沿摩擦力方向产生塑性变形。,压力容器与管道典型失效案例,西安“35”液化石油气站特大爆炸事故,1998年3月5日，西安液化石油气站2个400m3球罐发生特大爆炸事故。事故过程为：下午4：40发现1号球罐下部排污管道法兰泄漏，因缺乏先进的堵漏技术，泄漏持续约3h，整个厂区充满了石油气，配电间电火花引爆，形成厂区大火，使球罐温度急剧升高，最终物理爆炸。法兰泄漏与一只紧固螺栓的疲劳断裂有关。事故性质确定为设备事故。,氢腐蚀是蒸汽管道、锅炉管与石油化工临氢高温装备中较常见的失效模式。这种失效模式可能没有明显的腐蚀现象，但是材料性能严重退化，事故的隐患已经存在。在氢处理、重整、加氢裂化等装置中，温度超过260，氢的分压大于689kPa，就有可能发生氢分子在钢的表面分解为原子氢而发生腐蚀。氢腐蚀是原子氢进入钢铁材料，并与碳化物反应生成甲烷(Fe3C+4H3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易扩散，会使甲烷在晶界或相界面等处聚集产生局部高压，形成微裂纹，进而材料脆化。,氢腐蚀(高温氢侵蚀)引起的蒸汽管道爆管事故,硫化物应力腐蚀引起的四川天然气管道爆裂事故,四川天然气管道曾经发生多起硫化物应力腐蚀引起的爆裂事故，其中一起发生在1995年底，泄漏的天然气引起了火灾。管道为7208.16mm螺旋焊管，压力1.92.5MPa。事故管段已经运行16年。爆口长度1440mm，沿焊缝扩展。管道内壁腐蚀轻微，断口无明显减薄现象。经过试验分析，结论为硫化物应力腐蚀引起，与天然气中含有H2S及补焊工艺不合理，使焊缝产生了马氏体组织和高的残余应力有关。,催化裂化装置再生器的硝酸盐应力腐蚀失效,裂纹均从内表面开始向外表面扩展，裂纹发生部位未见明显塑性变形，裂纹宽度较窄，向纵深发展并多数穿透壁厚；裂纹呈树枝状，断口有典型的沿晶特征；腐蚀产物的水溶液PH值在56，呈现酸性；断口表面腐蚀产物中的氮含量均明显高于基体金属中的氮含量；结论是NO3-引起的应力腐蚀开裂。,表3在一般工业工程中调查的失效原因的比例,表4航空零件失效原因的比例,机械零件失效（早期失效）的来源（原因）？,设计的问题材料选择上的问题加工制造及装配中存在的问题不合理的服役条件,分析设计原因引起失效需要注意：,对复杂构件进行可靠的应力计算，充分考虑构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小；,在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小；,避免设计时只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效；,RD2车轴,举例,选材：,使用性原则,加工工艺性能原则,经济性原则,特殊环境,材料中的缺陷：,铸造,焊接,锻造,热处理,切削加工,材料选择上的问题：,制造及装配：酸洗及电镀导致的氢脆；不文明施工及安装导致的表面损伤；,不合理的服役条件：超速、过载、不合理的启动和停车、异常介质的引入；,键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂,键槽,初始裂纹源,裂纹扩展区,最终瞬断区,2.2应力集中与零件失效,应力集中与应力集中系数,应力集中对零件失效的影响,降低应力集中的措施,含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况,零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配，也会造成应力集中。,变截面过渡圆角处的应力分布,理论应力集中系数,应力集中系数手册,几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值,典型结构的应力集中曲线,几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值,典型结构的应力集中曲线,几何突变零件承受静扭转载荷时的Kt值,典型结构的应力集中曲线,典型结构的应力集中曲线,典型结构的应力集中曲线,应力集中与零件失效关系密切，应力集中的程度会受到哪些因素的影响？,提出问题：,影响应力集中与断裂失效的因素,材料力学性能,零件几何形状,零件应力状态,加工缺陷,装配、检修产生缺陷,力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；,影响应力集中与断裂失效的因素,零件几何形状：,影响应力集中与断裂失效的因素,零件应力状态：,举例：,上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局部脱碳。,应力状态：弯曲疲劳,缺陷：,降低应力集中的措施,强化材料，降低应力集中的作用,整体强化,局部强化,工艺、特点,合理设计，降低应力集中系数,合理设计，降低应力集中系数,轴肩,轴环,合理设计，降低应力集中系数,合理设计，降低应力集中系数,减小轮毂端部的厚度,轮毂上开卸载槽,减小轮毂的刚度,作阶梯轴,合理设计，降低应力集中系数,增大花键的直径,开卸载槽,孔上倒角,过盈配合时增大配合处的直径,合理设计，降低应力集中系数,合理设计，降低应力集中系数,典型的应力集中部位及处理方法分析,典型的应力集中部位及处理方法分析,2.3残余应力与零件失效,残余应力：,物体在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力。（固有应力、内应力）,分类,第一类残余应力（）：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起,第二类残余应力（）：微观内应力，由晶粒变形不均匀引起,第三类残余应力（）：点阵畸变，由位错、空位引起。,机械零部件和大型机械构件中的残余应力对其疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性有十分重要的影响。,残余应力的作用,适当的、分布合理的残余压应力可能成为提高疲劳强度、提高抗应力腐蚀能力，从而延长零件和构件使用寿命的因素；不适当的残余应力则会降低疲劳强度，产生应力腐蚀，影响尺寸精度，甚至导致变形、开裂等早期失效事故。,利：预应力处理，如汽车板簧的生产。,弊：引起变形、开裂，如黄铜弹壳的腐蚀开裂。,作用,热处理残余应力,表面化学热处理残余应力,焊接残余应力,铸造残余应力,涂镀层残余应力,切削加工残余应力,哪些工艺过程中会产生残余应力？,产生了怎样的残余应力？,残余应力是怎样产生的？,热应力组织应力拘束应力,不均匀的塑性变形不均匀的温度变化不均匀的相变,消除和调整残余应力的方法,去应力退火,自然时效处理,回火,施加静载使工件产生整体或局部、甚至微区的塑性变形，使残余应力松弛。,例如：大型压力容器，在焊接之后，在其内部加压，产生所谓的“胀形”，使焊接接头发生微量塑性变形，以减小焊接残余应力。,振动时效(VibrationStressRelief,VSR),锤击、喷丸、滚压,振动等离子熔覆过程示意图,0Hz,50Hz,75Hz,100Hz,125Hz,150Hz,100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象,残余应力的测量方法,破损法,无损法,盲孔法,环芯法,磁弹性法,X射线衍射法,在一块各向同性的板材中假定存在残余应力，钻一小孔后，孔周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出孔周围释放的应变，然后根据力学知识推算出残余应力。,盲孔法的基本原理,盲孔法测试残余应力应变片示意图,静态电阻应变仪应变花,钻孔时切削力和切削热所带来的附加应变对实验结果造成的影响不容忽视。,改进方法：逐层剥除法阶梯钻孔法一点多次扩孔的盲孔测定法,环芯法的测量原理,一块各向同性的板材中假定存在双向残余应力，其上加工一环芯直径圆环槽，环芯周围区域的应力将重新分布，通过应变仪测出周围释放的应变，然后推算出残余应力的大小和方向。,环芯法测量残余应力用的应变花,缺点：机械加工是破坏性的，会影响零件继续使用；检测时已附加有加工应变，降低了检测精度；,优点：直观、检测方便；可用剥层法测试材料深处的残余应力，测试精度在国家标准要求之内（误差小于25MPa）；适合于各类材料；,中厚板焊接残余应力测试的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod,优秀硕士论文：,通过残余应力引起的晶粒内特定晶面间距的改变来测量残余应力。当某一波长的X射线照射到多晶体样品上并满足布拉格方程时会产生衍射。如果存在宏观残余应力，晶粒晶面间距会发生变化，X射线衍射峰的位置也将发生变化，依照此变化即可求得晶面间距的变化，从而求得应变，通过弹性力学理论即可求得残余应力（表面应力）。,X射线衍射法的基本原理,材料中残余应力的X射线衍射分析和作用张定铨何家文著西安交通大学出版社,Stress3000衍射仪,钢岔管测区位置示意图,钢岔管外观,多晶磁畴结构示意图,磁弹性法的基本原理,技术磁化过程的三个阶段,磁弹性法的基本原理,“巴克豪森噪声效应”,拉应力时，平行于拉应力方向的磁畴将增加，巴克豪森噪声幅度值增加，磁弹性仪的输出电量增加。,优点：方便、快速和准确,缺点：只适用于磁性材料,2.4材料的韧性与断裂设计,低应力脆断,通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的。,脆断通常发生在比较低的工作温度下。,脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如裂纹、缺口、夹杂等。,厚截面、高应变速率促进脆断。,共同点？,材料的韧性：,材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现。,静力韧度应力应变曲线,冲击韧度,断裂韧度,断裂韧度在失效分析中的应用,举例：,问题：,材料将发生什么形式的失效？怎样建立失效判据以及相应的设计准则？不同应力状态下如何表示材料的抗力？,2.5应力分析与失效分析,工程构件所处的应力状态复杂多样,应力状态影响材料的失效形式,脆断铸铁拉伸、扭转时的断裂,剪断铸铁压缩、硬铝拉伸时的断裂,屈服低碳钢拉伸、扭转和压缩时,为了建立复杂应力状态下的强度条件，提出关于材料破坏原因的假设及计算方法。,根据简单实验所测得的材料抗力，分析计算其他复杂应力状态下材料的强度。,应力状态分析与强度理论,脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。,关于屈服的强度理论：最大切应力理论和最大畸变能密度理论,塑性屈服：材料破坏前发生显著的塑性变形，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。,关于断裂的强度理论：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论,最大拉应力理论（第一强度理论）,最大拉应力是引起材料断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态，只要最大拉应力达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。,构件危险点的最大拉应力,极限拉应力，由单拉实验测得,断裂条件,铸铁拉伸,铸铁扭转,最大伸长线应变理论（第二强度理论）,最大伸长线应变是引起断裂的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大伸长线应变达到简单拉伸时破坏的极限值，就会发生脆性断裂。,构件危险点的最大伸长线应变,极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得,实验表明：该理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。,断裂条件,即,最大切应力是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大切应力达到了简单拉伸屈服时的极限值，材料就会发生屈服(或剪断）。,最大切应力理论（第三强度理论）,构件危险点的最大切应力,极限切应力，由单向拉伸实验测得,屈服条件,设计准则,低碳钢拉伸,低碳钢扭转,实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。,局限性：,2、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象。,1、未考虑的影响，试验证实最大影响达15%。,最大畸变能密度是引起材料屈服的主要因素。即无论材料处于什么应力状态,只要最大畸变能密度达到简单拉伸屈服时的极限值,材料就会发生屈服。,最大畸变能密度理论（第四强度理论）,构件危险点的畸变能密度,畸变能密度的极限值，由单拉实验测得,屈服条件,设计准则,实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。,强度理论的统一表达式：,相当应力,准则：切应力是使材料达到危险状态的主要因素，但滑移面上所产生的阻碍滑移的内摩擦力却取决于剪切面上的正应力的大小。,莫尔理论适用于脆性剪断：,莫尔理论认为材料的剪断破坏一般发生在切应力值最大的截面上。,脆性剪断：在某些应力状态下，拉压强度不等的一些材料可能发生剪断，例如铸铁的压缩。,莫尔强度理论（修正的最大切应力理论）,1、在三向拉伸应力状态下，不论是脆性或塑性材料，均发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论（第一强度理论）。,2、脆性材料：在二向拉伸应力状态下及二向拉伸-压缩应力状态且拉应力较大的情况下，应采用最大拉应力理论；在二向拉伸-压缩应力状态且压应力较大的情况下，应采用最大伸长线应变理论；在复杂应力状态的最大、最小应力分别为压、拉时，由于材料的许用拉、压应力不等，压应力占优宜采用莫尔强度理论。,3、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用畸变能理论（第四强度理论）和最大切应力理论（第三强度理论）。,4、三向压缩状态下，无论是塑性和脆性材料，均采用畸变能理论。,强度理论的选用原则,单向拉应力：连杆、螺栓、钢丝绳,平面拉应力：薄壁压力容器,交变应力：曲轴、轴承、齿轮、螺栓、连杆,弯曲应力：轴类零件、梁,扭转应力：传动轴、弹簧、凸轮轴、机床丝杠,接触应力：齿轮、轴承,2.6金属构件中可能引起失效的常见缺陷,铸态金属组织缺陷,金属锻造及轧制件缺陷,金属焊接组织缺陷,热处理产生的组织缺陷,冷加工缺陷,铸造过程示意图,孔眼类缺陷（气孔、缩孔、疏松、砂眼、渣眼等）裂纹（热裂纹、冷裂纹）形状、尺寸及表面质量不合格（变形、错箱、偏芯、浇不足、冷隔、披缝、表面粘砂及表面粗糙等）化学成分不一致（区域偏析、重力偏析、枝晶偏析）,铸态金属组织常见缺陷,缩孔厚大热节,孔内粗糙；气孔上表皮下,孔内光滑；砂眼转角皮表,孔内有砂；渣眼上表转角,孔内有渣。,基本特征：,缩孔位置的确定-等温线法,1.热裂纹纹短、缝宽、形状曲折、缝内有氧化色。形成热裂的主要因素有：合金性质结晶区间越宽、含硫量高易裂。铸型阻力注意型砂的退让性。,裂纹热裂纹和冷裂纹,2.冷裂纹形状细小，直线状。冷裂常出现在铸件的最后凝固部位、铸件形状复杂、受拉伸处，与铸造缺陷有关；与合金性质有关。,铸件的内在质量及检验方法,金属锻造及轧制件缺陷,内部组织缺陷,表面缺陷,粗大魏氏体组织,网络状碳化物及带状组织,表层脱碳,流线不顺,结疤,折叠,表面裂纹,分层,划伤,魏氏组织,带状组织,流线组织：,锻件相对铸件和机加工零件，有更高的强度和韧性。,冲锻时，锻件可能留下贯穿组织的流线，这些晶界直接暴露在外，容易被环境腐蚀，产生粗糙表面，应力集中。,金属焊接组织缺陷,常见焊接缺陷,焊接接头的不完整性称焊接缺陷。主要有焊接裂纹、未焊透、夹渣、气孔和焊缝外观缺陷等。,热裂纹的特征：热裂纹可发生在焊缝区或热影响区。热裂纹的微观特征是沿晶界开裂晶间裂纹。热裂纹在高温下形成，所以有氧化色彩。,焊接裂纹,热裂纹和冷裂纹：,冷裂纹的形态和特征：焊缝区和热影响区都可能产生冷裂纹。冷裂纹的特征是无分支，通常为穿晶型。冷裂纹无氧化色彩。最常见的冷裂纹是延迟裂纹，即在焊后延迟一段时间才发生的裂纹。,焊接气孔,氢气孔高温时，氢在液体中的溶解度很大，大量的氢溶入焊缝熔池中，而焊缝熔池在热源离开后快速冷却，氢的溶解度急速下降，析出氢气，产生氢气孔。,一氧化碳气孔当熔池氧化严重时，熔池存在较多的FeO，在熔池温度下降时，将发生如下反应：FeO+C=Fe+CO,氮气孔熔池保护不好时，空气中的氮溶入熔池而产生。,重庆綦江彩虹桥垮塌