31-2金属构件常见失效形式 共66页PPT资料
零件失效分析4金属构件常见失效形式及其判断PPT课件
2. 持久强度极限－断裂抗力指标
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➢ 熔点高，晶体结构紧密 ➢ 形成固溶体，含有弥散相的合金 ➢ 改进冶金质量 ➢ 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度 ➢ 采用定向凝固技术获得粗大柱状晶
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• 冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂
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应力腐蚀开裂的条件及其影响因素
基本条件：弱的腐蚀介质、不大的拉应力、特定的腐蚀系统 共同特征：
✓ 每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生 应力腐蚀；
✓ 应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件； ✓ 应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂； ✓ 特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC； ✓ 应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-6~10-3mm/min； ✓ 应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；
应力松弛变形失效：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。
松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。
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结构上补偿胀缩方法举例
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断裂失效
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析 ➢ 材料致脆断裂失效分析 ➢ 环境致脆断裂失效分析 ➢ 混合断裂失效分析
314
Kg/mm2
18-8 20
）
10
1
35
10
30 50 100
300
500 1000
开裂时间（小时）
各种Cr-Ni奥氏体不锈钢在沸腾的45%MgCl2溶液中 的应力-断裂时间曲线
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第三章金属构件常见失效形式及其
– 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
纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征
蛇形滑移
大韧窝底部观察到蛇形花样
剪切韧窝及涟波花样
B. 微孔聚集型断裂的微观特征
– 断口上有大量韧窝
• 材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周 围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔
• 进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂
粒子与基体脱离形成微孔
耗
损
失效期
t1
t2 使用时间t
4）从经济法的观点对失效进行分类
– 产品缺陷失效：本质失效 – 误用失效：使用不当 – 受用性失效：它因失效，火灾、水灾、地震 – 耗损失效：正常失效
2、失效原因
原
因
材料选择不当
装配错误 错误的热处理 机械设计错误 未预见的操作条件
环境控制不够充分 不恰当的或缺少监测与质量控制 材料混杂
❖带缺口圆棒拉伸试样
– 由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展 – 断口特征
• 外周为纤维区 • 向内扩展 • 破坏区在中心 • 无剪切唇
• 板状拉伸试样
不 同 厚 度 的 板 状 拉 伸 试 样 断 口 特 征
• 带缺口的板状拉伸试样的断口
解理断裂断口
裂纹源
人字条纹
带缺口试样，发生明显塑性变形
3）弹性变形失效原因及防护措施
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究引言：在现代工业生产中，金属件广泛应用于各种机械设备中，承载着巨大的力和压力。
由于各种原因，金属件在使用过程中可能会出现各种不同的失效形式，影响设备的正常运行。
研究金属件的失效形式对于改善产品质量、提高生产效率至关重要。
本文将探究金属件常见的失效形式及其原因。
一、金属件的常见失效形式：1. 塑性变形：金属件在受到外力作用下发生塑性变形是一种常见的失效形式。
当金属件受到过大的载荷时，超过了其强度和硬度的极限，就会发生塑性变形，导致零部件变形失效。
塑性变形有屈服、蠕变、断裂等几种类型。
2. 疲劳破坏：金属件长时间受到交变载荷的作用，会引起疲劳破坏。
疲劳破坏是金属件在交变载荷下发生裂纹形成并扩展，导致分离或断裂。
疲劳破坏常发生在金属件表面、孔洞和切口等应力集中区域，如螺纹孔、焊缝等处。
3. 特殊环境腐蚀：金属件在特殊环境中（如高温、湿润、酸碱等）会发生腐蚀，导致金属局部失效。
腐蚀有很多种类型，如电化学腐蚀、氧化腐蚀、碳化、硫化等。
4. 渗碳层剥落：金属件表面渗入碳，形成硬度高、耐磨损的渗碳层。
在使用过程中，渗碳层会受到外力和热效应的影响，导致渗碳层剥落，降低金属件的使用寿命。
5. 轴承失效：轴承是金属件中常见的零部件，其失效形式包括磨损、疲劳、断裂等。
轴承失效会引起设备振动增大、摩擦增加等故障。
二、金属件失效形式的原因：1. 金属材料质量不合格：金属材料的质量是保证金属件正常使用的基础。
材料中的含杂质、非金属夹杂物和缺陷等都会导致金属件的强度和韧性下降，增加失效的风险。
2. 设计不合理：金属件的设计不合理是造成失效的另一个重要原因。
如设计的载荷超过了金属材料的承载能力、几何形状不合理导致应力集中等，都会导致金属件的失效。
3. 使用条件不恰当：金属件在使用过程中受到的载荷、震动、温度、湿度等环境条件都会影响其失效形式。
如超负荷使用、温度过高等都会导致金属件的疲劳破坏和腐蚀失效。
4. 加工工艺不合理：金属件的加工工艺是决定其性能和质量的关键因素之一。
机械构件失效的主要形式及特征
机械构件失效的主要形式及特征一、变形失效（一）弹性变形失效：弹性性能达不到原设计要求。
（二）塑性变形失效：塑性变形逐渐增大，超过一定极限不能再用。
（三）蠕变变形失效：一定温度和压力下工作，应力小于屈服点，也会产生塑变，超过规定值失效。
（四）高温松驰：高温下零件失去弹性功能导致失效。
二、断裂失效（一）塑性断裂失效1. 塑性断裂的特征：宏观上裂纹或断口附近有塑变，或在塑变附近有裂纹出现，微观上有韧窝，受正应力作用为等轴韧窝，受剪切力作用，韧窝被拉长，韧窝大小与形核数量、材料韧性、温度、应变速率有关。
2. 外应力大于材料的屈服强度（二）脆性断裂失效断裂前无塑性变形，类型有穿晶和沿晶断裂。
1. 穿晶脆性断裂1）解理断裂：解理断裂时穿晶脆断的一种常见的主要断裂方式，指在一定的条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离。
特征：∙断裂时所受应力较低，低于设计许用应力∙构件破坏之前，没有或只有局部轻微塑变∙断裂源总是发生在缺陷处，如凹槽、缺口∙断口宏观形貌平直，断面垂直拉应力，断口上有放射状条纹，管材、板材构件有人字纹，并有闪光小刻面，微观形貌为河流花样∙裂纹扩展迅速后果是灾难性的。
形成解理断裂的原因：∙构件存在三向应力集中部位，如表面缺口，裂纹，几何形状突变。
∙有一定大小的应力作用，尤其是冲击应力∙低温条件，温度低于材料脆性的转变温度。
2）准解理断裂因找不到解理面而命名，后来找到了，与解理断裂一样断裂性态介于韧性断裂与解理断裂之间，韧性好于解理断裂而差于韧性断裂，宏观形貌有细小放射条纹或呈瓷状，微观形貌也有河流花样，但河流短而不连续，观察到较多撕裂岭。
2. 沿晶脆性断裂裂纹沿晶界扩展的断裂叫沿晶断裂。
由晶界弱化引起。
1）特征：断口呈细颗粒状，有时观察到放射状条纹，微观形貌呈冰糖状。
2）引起晶界弱化原因∙晶界沉淀相造成（夹杂及第二相）∙杂质元素在晶界偏聚（元素周期表中的4、5、6族元素）∙环境介质侵蚀，氢脆热力腐蚀∙高温作用，焊接热裂纹、磨削裂纹、蠕变断裂（三）疲劳断裂1. 高周疲劳（循环次数N>104-105）特征：1）在疲劳断裂中，工作应力低于屈服应力，不发生宏观塑变2）疲劳断口具有独特形貌，断口由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬断区组成。
31-2金属构件常见失效形式
疲劳
应力 大小
微振疲劳
接触疲劳
高应力疲劳
低应力疲劳
1. 疲劳断裂的现象及特征
1 疲劳断裂特征
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1) 载荷是交变负荷。
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2) 疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的(累进式)。
疲劳曲线
3) 疲劳断裂是反复拉伸应力和反复切应力的结果。
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4) 过程包括疲劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。
② 操作时保持仪表完好的状态，准确显示操作工况；
③ 严格遵守操作规程，严禁超载、超温、超速等； ④ 随时注意有无异常变形； ⑤ 定期测厚，尤其有腐蚀、高温氧化等引起壁厚减薄的工况。
三、脆性断裂
1. 脆性断裂特征
1) 低应力脆性断裂(高/低强 度钢都可能发生)； 2) 低温脆性断裂(中/低强度 钢，见图3-17)； 3) 突发性断裂，断前变形极 小，无明显的先兆； 4) 通常在体心立方和密排六 方金属材料中出现；
得很长; 安全阀弹簧, 压力没超压, 就把阀芯顶起。
5. 弹性变形失效的原因及防护措施 过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效 的原因，而这些原因往往是由于构件原设计的考虑不 周、计算错误或选材不当造成的。
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1) 选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材
防 料或改善构件结构尽可能获得大的刚度； 护 措 2) 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件； 施 3) 采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、
(a) 疲劳裂纹扩展示意图
2) 抗蠕变措施：
① 选用抗蠕变性能合适的材料； ② 防止装备中构件的超温使用。
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图 3-5 过热管蠕变变形及胀裂
2. 应力松弛变形失效
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。 用σ残衡量材料抵抗应力 松弛的性能(松弛稳定性) 。 预防应力松弛失效的措施： a. 选用松弛稳定性好的材料； b. 对使用过程中的构件进行 一次或多次再紧固。
金属构件失效分析
脆性断裂失效 构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观 可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。 构件在交变载荷作用下， 疲劳断裂失效 构件在交变载荷作用下，经过一定的周期 后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 腐蚀失效 腐蚀是材料表面与服投环境发生物理或化学的 反应，使材料发生损坏或变质的现象， 反应，使材料发生损坏或变质的现象，构件发生的腐蚀使其不 能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式， 能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀 均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀， 遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀 遍及构件表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀，局 部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、 部腐蚀又有点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐 蚀疲劳等。 蚀疲劳等。
Hale Waihona Puke • 选材不当及材料缺陷金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、 金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺 使用性原则 性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。 性能原则及经济性原则，遵循使用性原则是首先要考虑的。使 用在特定环境中的构件， 用在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够 的抵抗失效的能力。 对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂， 的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂， 应该选择足够的拉伸强度和屈服强度； 应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断 疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件， 裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得 其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料， 其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成 形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、 形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性 能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。 能要求的前题下，经济性也是必须考虑的。
常见失效形式及特征和诊断
材料的韧性与断裂设计
三、裂纹扩展的能量判据
断裂的能量判据 裂纹失稳扩展条件： GriffithG≥R R=γs Orowan修正G≥R R=2(γs＋γp) 断裂的能量判据 ：GI≥GIc GIc=或GIc= 2(γs+γp) 当GI增大，达到材料对裂纹扩展的极限抗力时，裂
纹体处于临界状态。此时，GI达到临界值GIC，裂 纹体发生断裂 GIC的单位为J／mm2，与冲击韧性的相同，故可将GIC 称为断裂韧性。
失效分析
Griffith断裂理论
分析： 根据能量平衡原理，裂纹扩展增加的表面能与系统弹性能 相平衡，可以据此计算出断裂应力与裂纹尺寸的关系 σ c=(2Eγ /π a)1/2 Griffith公式 还可计算临界裂纹半长为ac=2Eγ/πσ2
失效分析
1.σ c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平 方根成反比
失效分析
断裂过程
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展阻力大，da/dt较小； 裂纹失稳扩展时，裂纹扩展阻力小， da/dt大，
最大可达该材料的声速。 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，裂纹的扩
展与塑性变形同时进行，故有明显的塑性变形， 断裂慢。 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，故无明显塑 性变形，断裂快。
失效分析
3.2.2特征及判断 失效件有明显的塑性变形
测量失效件或与正常件比较 严重的塑性变形用肉眼判别
失效分析
3.2.3过载压痕损伤——屈服失效的特殊形式 两个互相接触的曲面之间存在静压应力，
使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局 部的凹陷。
例 滚珠轴承在开始运行前如果静载过大，钢球 压入滚道使型面破坏
材料的弹性模量、热膨胀系数 增加截面积、降低应力
金属断裂与失效分析精品PPT课件
5．操作和维护不良 （1）没有执行操作规程、超温、超压 （2）维护不当 6．环境原因： ①腐蚀介质：应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢脆、局部腐蚀、脱
锌腐蚀、冲刷腐蚀。
②氧化、水蒸汽高温氧化。
四、失效分析程序
（一）现场调查：保护现场、记录取证 （二）残骸分析：确定首先破坏部位
风扇磨转轮飞裂后经拼凑确定断裂源
裂纹走向——应力原则：垂直于主拉伸应 力方向（平行于剪切应力的方向）。 强度原则：沿着最小阻力路线（材料薄弱 环节或缺陷处）扩展。
第二节 断 口
一、断口的分类 宏观形态——脆性断口：无明显塑性变形 韧性断口：有明显塑性变形 微观形态——沿晶脆性断裂、解理断裂、 准解理断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、 氢脆断裂、韧窝断裂、蠕变断裂。
1．失效分析的核心是分析零部件失效的原因。 2．失效分析的目的在于提出对策。 3．失效分析既是技术活动，也是管理活动。
残骸分析→失效原因 意义在于： 返馈信息→完善或改进设计→材料的选用、研制、 工艺制定→制造工艺改进、质量的提高→技术规范的 修定→安全性和寿命分析。
三、失效的主要原因
1．设计上的原因： （1）结构或形状不合理。 （2）不合适的设计。 （3）提高级别使用。 （4）设计标准不够。 2．材料原因。 （1）机械性能达不到要求。 （2）选材标准不适。 （3）错用钢材。 （4）缺陷：
报告：失效零部件的描述、服役条件、 失效前的使用记录、零部件的制造及热 处理工艺、力学分析、材料质量评价失 效的主要原因及影响因素、措施及建议。
第二章 裂纹及断口
第一节 裂 纹 裂纹：金属的局部破断，又称裂纹，金 属零（部）件在应力作用下，某些薄弱 部位发生局部破断。前端尖锐、应力集 中，高温下变钝。
金属的断裂与失效
常见失效形式及特征和诊断
失效分析
磨损外表形貌分析 宏观分析：放大镜观察，实物显微镜观察 微观分析：扫描电子显微镜 磨损亚表层分析 强烈的冷加工变形硬化 金属组织的回火、回复再结晶、相变、非晶态层等 观察裂纹的形成部位，裂纹的增殖、扩展情况及磨损碎 片的产生和剥落过程 磨屑分析 一类磨屑：从磨损失效件的服役系统中回收的和残留在
3.腐蚀程度的表示方法 〔1〕均匀腐蚀的腐蚀程度表征。 ①有重量的变化来评定。 ②有腐蚀深度来表示。 〔2〕局部腐蚀的腐蚀程度表征。裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表 示。
1.金属的局部腐蚀 〔1〕点腐蚀。 首先介质的活性阴离子吸附在金属氧化膜的某些点上，对膜产生破坏。 有缺陷的区域和没有缺陷的区域形成局部电池，有缺陷的局部成为活化 的阳极，周围区为阴极区，因阳极面积非常小，电流密度很大，在金属 外表形成腐蚀小孔。随后溶解下来的金属离子水解，使小孔内溶液的酸 度增加，小孔被进一步腐蚀加深。
1.环境因素
设法切断氢进入金属内的途径，或设法延迟在这个环节上的反响速度， 使氢不进入或少进入金属中。如采用外表涂层。
2.力学因素
在机件设计和加工过程中应防止各种产生剩余拉应力的因素。采用外 表处理，使外表获得剩余压应力层，对防止氢脆有良好作用。尽可能 选用氢脆临界场强度因子门槛值高的材料。
3.材料因素
失效分析
磨损失效过程 磨损过程大致可分为以下三个阶段： 1.跑合〔磨合〕磨损阶段 2.稳定磨损阶段 3.剧烈磨损阶段
失效分析
1.腐蚀磨损
两物体外表产生摩擦时，工作环境中的 介质(如液体、气体或者润滑剂等)与材料 外表起化学反响或电化学反响，形成腐 蚀产物，产物粘附不牢，在摩擦过程中 剥落下来，新的外表又继续与介质发生 反响。这种腐蚀和磨损的反复过程称为 腐蚀磨损。
金属材料的失效类型
金属材料的失效类型近年来，随着金属材料越来越广泛的运用于生产生活的各个领域，材料失效问题也日显突出。
材料失效主要是指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成预定的功能。
归纳起来，大致可以分为三类：断裂、磨损、腐蚀。
1、断裂根据断裂之前材料变形量的大小，可以分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂发生之前会有明显的形变量及形变过程，脆性断裂则几乎不存在形变量，断裂过程极短，由于其发生具有突然性所以往往破坏性较大。
在日常生产生活中，最为常见的莫过于疲劳断裂，长时间的应力循环作用下，材料出现断裂；其次，还有一种常见于试验室的材料断裂失效模式，又称静载断裂，通常见到的拉伸断裂即属于此种断裂，相对于疲劳断裂而言，生产生活过程中出现的几率要小很多。
2、磨损机件经常在高速、震动、超负荷等工况下工作，机械之间由于表面摩擦导致材料磨损而最终导致材料失效。
材料的磨损失效通常可以分为五类：磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损。
其中，磨粒磨损最为常见，机件运转过程中，由于外界硬质颗粒介入或者接件本身凸起状物引起的磨损都是磨粒磨损，金属材料表面脱落物也属于磨粒磨损范畴。
磨损与摩擦相伴相生，生产中通常采用以下措施：一是接触面涂抹润滑油，提高光洁程度；二是在不影响正常生产的情况下，用焊机将机件焊到一起，减少机件的相对运动从而减少摩擦，进而减少磨损；三是为减少摩擦，可减少接触面的面积以及较小所受载荷，以此减小摩擦力；此外，也可通过探索提高材料的屈服强度。
3、腐蚀金属材料的腐蚀是由于材料与周围介质相互接触发生化学及电化学反应。
金属材料的腐蚀多种多样，宏观上分为全面腐蚀和局部腐蚀，在日常各类腐蚀事故中，基本以局部腐蚀最为常见，局部腐蚀又可分为应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等。
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2. 金属塑性变形的特点
1) 不可逆性 2) 变形量不恒定 3) 慢速变形 4) 伴随材料性能的变化
3. 塑性变形失效
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塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值。 失效形式：鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷及歪扭畸变等。
(a) 未加压的圆筒形
(b)塑性变形后的鼓胀及断裂
2) 裂纹扩展速率：低速(＜5m/s)稳态扩展；非稳态快速(＞ 1Km/s)扩展，。
3) 断裂前应变状态：脆性或即韧性；宏观断裂方向：平直 面(平面应变状态)或剪切面(平面应力状态) 。
4) 断口宏观形貌用肉眼、放大镜或低倍显微镜观察后用光 反射(发亮或发灰)和纹理(光滑或粗糙、结晶或丝光、颗
粒或纤维、自然现象景观等)来表示。
5) 断口微观形貌用显微镜观察的图像像形来表示(韧窝、 解理小平面、辉纹、自然现象景观等)。
一、断裂失效的分类
正断 切断(韧性)
应力类型
疲劳断裂
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一 断裂失效分类
环境断裂
其它
沿晶断裂
裂
穿晶断裂
纹 途
混晶断裂
径
解理 韧窝 断裂 断裂
微裂
变
形 程
韧性断裂
度
混合断裂
疲劳 断裂
4) 严禁构件运行超载；
5) 监测腐蚀环境构件强度尺寸的减小。
三、高温变形失效
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高温：高于0.3 Tm ( Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔三点高温变)形，失效
一般碳钢构件＞300℃，低合金钢构件＞400℃。
1. 蠕变变形失效
蠕变：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。
图3-3 承受内压的304不锈钢塑性变形及断裂试验
4. 塑性变形失效的原因及防护措施
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1) 合理选材，选择合适的屈服强度，保证材料质量、组织 状态及冶金缺陷；
2) 准确地确定构件的工作载荷，正确计算应力，合理选取 安全系数及进行结构设计，减少应力集中及降低应力集 中水平；
3) 严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力；
根据纤维区、放射区及剪切唇区在断口上所占的比例可初 步评价材料的性能。
纤维区较大---材料的塑性和韧性比较好； 放射区较大---材料的塑性降低，而脆性增大。
按三区评价材料性能要考虑构件截面形状及尺寸的影响， 另外还要考虑随环境条件的影响。
形量的特征时，构件就失去了弹性功能而失效。
失去功能的弹性变形失效容易判断, 如弹簧被拉 得很长; 安全阀弹簧, 压力没超压, 就把阀芯顶起。
5. 弹性变形失效的原因及防护措施
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过载、超温或材料变质是构件产生弹件变形失效 的原因，而这些原因往往是由于构件原设计的考虑不 周、计算错误或选材不当造成的。
§3 金属构件常见失效形式及其判断 1
失效形式：变形、断裂、腐蚀和磨损等
§3 构件常见失效形式 §3.1 变形失效
学习内容：失效条件、特征及判断依据
§3.1 变形失效 回 顾
一、弹性变形失效
1. 弹性变形
虎克定律：σ＝E·ε
E—弹性模量； 钢：约2×105MPa； 铝：约0.7×105MPa；
2. 弹性变形的特点
预防应力松弛失效的措施：
a. 选用松弛稳定性好的材料；
b. 对使用过程中的构件进行 一次或多次再紧固。
图 3-6 金属的应力松弛曲线
§3.2 断 裂 失 效
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§3.2 断裂失效
断裂 是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。
断裂的危害：甚大，特别是脆性断裂。
断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、断裂。
而引起断裂的应力值。如：σ1700000
2) 抗蠕变措施：
① 选用抗蠕变性能合适的材料；
② 防止装备中构件的超温使用。
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图 3-5 过热管蠕变变形及胀裂
2. 应力松弛变形失效
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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。
用σ残衡量材料抵抗应力
松弛的性能(松弛稳定性) 。
断 口：材料断裂后在断裂部位相匹配的两个断裂表面。
断口分析：通过断口及其周围与断裂过程有关信息的分析，
判断断裂的类型、断裂过程的机理，找出断裂的原因和预防 断裂的措施。
断裂要素的统一
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1) 加载条件：中、低速--静载荷，高速--冲击载荷；交变 载荷指循环载荷。用拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切、 接触作为加载方向。
蠕变 断裂
二、韧性断裂
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二 韧性断裂
构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。
图 3-8 液氨管韧性断裂失效
1. 韧性断裂特征
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1 断裂特征
① 缓慢的断裂过程：裂纹萌生及亚稳扩展阻力大、速度慢； ② 断前产生显著的塑性变形； ③ 两种宏观断裂形貌：
正断 (或平断)---宏观断面取向与最大正应力相垂直；
剪断(或斜断)---宏观断面取向与最大切应力方向相一致的
切断，即与最大正应力约呈45°角。
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图3-9 韧性断裂宏观形貌
2. 断口形貌 1) 断口宏观形貌
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2 断口形貌
图3-10 光滑圆棒试样韧性断口宏观形貌
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图3-11 非杯-锥状韧性断口宏观形貌
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从韧性断裂宏观形貌三区的特征可分析断口的类型、断裂 的方式及性质，有助于判断失效的机理及找出失效的原因。
1) 选择合适的材料或构件结构：选用E值高的材
防 料或改善构件结构尽可能获得大的刚度； 护 措 2) 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件； 施 3) 采用减少变形影响的连接件，如皮带传动、
软管连接、柔性轴、椭圆管板等。
二、塑性变形失效
1. 塑性变形
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二 塑性变形失效
材料中的应力超过屈服极限后产生显著的不可逆变形。
减速
恒速
加速
图3-4 典型的蠕变曲线
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压力容器的蠕变变形量一般规定在105 h为1％，即蠕变速 率为10－7 mm／(mm·h)。
1) 材料抗蠕变好坏的衡量指标：蠕变极限和持久强度
a.蠕变极限：在给定温度下，一定时间内产生规定
σ 蠕变量的应力值。如：
700 0.2/1000
b.持久强度：材料在某一恒定温度下，经过一定时间
① 可逆性 ② 单值性(线性) ③ 变形量很小
提高弹性方法 ① 提高材料的弹性极限； ② 降低弹性模量。
2
一 弹性变形失效
3. 过量的弹性变形失效
3
指构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的值。 判断过量的弹性变形失效比较难。
4. 失去弹性功能的弹性变形失效 当弹性变形已不遵循变形可逆性、单值性和小变