[理學(xué)]失效分析第四章(已修改)
2025-01-31 08:47 本頁(yè)面
【正文】 第 四 章 靜載荷作用下的斷裂失效分析 4． 1． 1過(guò)載斷裂失效的定義及斷口的一般特征 1．過(guò)載斷裂失效的定義 當(dāng)工作載荷超過(guò)金屬構(gòu)件危險(xiǎn)載面所能承受的極限載荷時(shí)，構(gòu)件 發(fā)生的斷裂稱(chēng)為過(guò)載斷裂。 為了安全起見(jiàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，將材料的屈服極限除以一個(gè)大于 1的 安全系數(shù)凡后，作為材料的許用應(yīng)力即 構(gòu)件的工作應(yīng)力應(yīng)小于或等于 明確 ：構(gòu)件斷裂的初始階段是否是過(guò)載性質(zhì)的斷裂 過(guò)載 ：工作應(yīng)力超過(guò)構(gòu)件的實(shí)際承載能力 ? ? n ?? ????4． 1過(guò)載斷裂失效分析 2．過(guò)載斷裂失效斷口的一般特征 金屬構(gòu)件發(fā)生過(guò)載斷裂失效時(shí)，通常顯示一次加載斷裂的特征。 其宏觀斷口與拉伸試驗(yàn)斷口極為相似 . 宏觀塑性的過(guò)載斷裂失效 :斷口上一般可以看到三個(gè)特征區(qū)，纖 維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇，即通常稱(chēng)為斷口的 “ 三要素 ” 。 宏觀脆性過(guò)載斷裂失效的斷口特征有兩種情況： 拉伸脆性材料 :過(guò)載斷裂的斷口為瓷狀、結(jié)晶狀或具有鏡面反光 特征；在微觀上分別為等軸微孔、沿晶正斷及解理斷裂 . 拉伸塑性材料 : 因其尺寸較大，或有裂紋存在時(shí)發(fā)生的脆性斷 裂，其斷口中的纖維區(qū)很小，放射區(qū)占有極大的比例，周邊幾乎不 出現(xiàn)剪切唇，其微觀斷裂機(jī)制為微孔聚集型并兼有解理能混合斷裂。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 宏觀塑性的過(guò)載斷裂斷口的 “ 三要素 ” ： 斷口上的 “ 三要素 ” 是塑性過(guò)載斷裂的基本特征。斷口上三個(gè)特 征區(qū)，纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇。纖維區(qū)位于斷裂的起始部位，放 射區(qū)是裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)，剪切唇是最后斷裂區(qū)。 4． 1． 2影響過(guò)載斷裂失效特征的因素 1．材料性質(zhì)的影響 材料的性質(zhì)對(duì) 過(guò)載斷裂失效特征 具有很大的影響。不同性質(zhì)的 材料雖然發(fā)生的同是過(guò)載斷裂，但其斷口形貌卻有很大的差異。 (1)大多數(shù)的單相金屬、低碳鋼及珠光體狀態(tài)的鋼，其過(guò)載斷裂 斷口上，具有典型 “ 三要素 ” 的特征。 (2)高強(qiáng)度材料、復(fù)雜的工業(yè)合金及馬氏體時(shí)效鋼等，其斷口的 纖維區(qū)內(nèi)有環(huán)形花樣，其中心像火山口狀， “ 火山口 ” 中心必有夾雜 物，此為裂紋源。另外，尚有放射區(qū)細(xì)小及 剪切唇也較小等特點(diǎn)。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (3)中碳鋼及中碳合金鋼的調(diào)質(zhì)狀態(tài)，斷口的主要特征是具 有粗大的放射剪切花樣，基本上無(wú)纖維區(qū)和剪切唇。放射剪切 是一種典型的剪切脊。另一特點(diǎn)是放射線不是直線的。 (4)塑性較好的材料，由于變形約束小，斷口上可能只有纖 維區(qū)和剪切唇而無(wú)放射區(qū)?？梢哉f(shuō)，斷口上的纖維區(qū)較大，則 材料的塑性較好；反之，放射區(qū)增大，則表示材料的塑性降低 脆性增大。 (5)純金屬還可能出現(xiàn)一種全纖維的斷口或角的滑開(kāi)斷口。 (6)脆性材料的過(guò)載斷裂，在其斷口上可能完全不出現(xiàn)“三 要素”的特征，而呈現(xiàn)細(xì)瓷狀、結(jié)晶狀及鏡面反光狀等特征。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 幾種拉伸斷裂斷口形態(tài) a) 高塑性材料的拉伸斷口（只有纖維區(qū)，沒(méi)有放射區(qū)） b) 中碳鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)拉伸斷口（粗大的放射剪切花樣） c) 回火脆性狀態(tài)的碳鋼拉伸斷口（斷口齊平，沿晶型） a b c 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 2．零件形狀與幾何尺寸的影晌 零件的幾何形狀與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)過(guò)載斷裂，特別是對(duì)宏觀塑性過(guò) 載斷裂的斷口特征會(huì)產(chǎn)生一定的影響。 (1)圓形試件 圓形試件拉仲延性斷 裂的斷口特征，光滑試件 通常有如左圖所示的形貌 特征。缺口試件斷口上三 要素的宏觀位置與光滑試 件有很大的差異，如右圖 所示。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (1)圓形試件 對(duì)于圓形或近圓形截面的零部件，斷裂時(shí)可根據(jù)斷口上的 “ 三要 素 ” 位置判斷斷裂的起始點(diǎn)即斷裂源。在實(shí)際分析時(shí)，難以得到完整 的 “ 三要素 ” 時(shí)，放射區(qū)即放射線的方向是判斷斷裂過(guò)程的重要依據(jù)。 由于應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，通常的過(guò)載斷裂源即纖維區(qū)總是在斷面的近 中心部位；但一旦發(fā)現(xiàn)相反的放射線走向，亦即斷裂源不在零部件 的中心區(qū)域，而是在表面或近表面某一位置，則可以確定為構(gòu)件表 面存在較嚴(yán)重缺陷。 若缺口試件的裂紋以不對(duì)稱(chēng)的方式由缺口向內(nèi)部擴(kuò)展，斷口形 態(tài)較為復(fù)雜，其斷裂過(guò)程與零件的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (1)圓形試件 裂紋以不對(duì)稱(chēng)方式的缺口試 件的初始階段可能是纖維狀的， 第二階段則可能是放射狀的。當(dāng) 第一階段和第二階段相交截，裂 紋停止擴(kuò)展，形成最后斷裂區(qū)。 如右圖所示： 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (2)矩形試件 矩形截面零件 (試件 )過(guò)載斷口也有三要素的特征，不過(guò)斷口上 “ 三要素 ” 的相對(duì)位置，因其結(jié)構(gòu)方面的影響有下圖四種情況。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (2)矩形試件 矩形試件斷口上的主要特征是裂紋快速擴(kuò)展區(qū)的 “ 人字紋 ” 花 樣，如下圖。對(duì)于矩形或類(lèi)似形狀截面零部件斷裂的分析，人字紋 形狀和走向是尋找斷裂源和判斷失效性質(zhì)的重要依據(jù)。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 (3)幾何尺寸的影響 無(wú)論何種形狀的零件，其幾何尺寸越大，放射區(qū)的尺寸越大， 纖維區(qū)和剪切唇的尺寸一般也有所增大，但變化幅度較小，如下圖 所示。在很薄的試樣上，可能出現(xiàn)全剪切的斷口。 4． 1過(guò)載斷裂失效分析 3．載荷性質(zhì)的影響 載荷性質(zhì)不僅對(duì)斷口中 “ 三要素 ” 的相對(duì)：趕小有影響，而且有 時(shí)會(huì)使，其斷裂的性質(zhì)發(fā)生很大的變化。 (1)斷口中三要素相對(duì)大小的變化 應(yīng)力狀態(tài)的柔性對(duì)三要素的相對(duì)大小有較大的影響。三向拉應(yīng) 力為硬狀態(tài)，三向壓縮為柔性狀態(tài)；快速加載為硬狀態(tài)，慢速加載 為柔性狀態(tài)。 (2)斷口形貌的變化
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