第2章失效分析基礎知識零件失效形式與來源

應力集中與零件失效

殘余應力與零件失效

材料的韌性與斷裂設計

應力分析與失效分析金屬構件中可能引起失效的常見缺陷第2章失效分析基礎知識零件失效形式與來源2.1機械零件失效的形式與來源機械零件失效形式(1)按照失效的形態分類過量變形斷裂表面損傷a.過量變形扭曲：花鍵高低溫下的蠕變拉長：緊固件彈性元件發生永久變形2.1機械零件失效的形式與來源機械零件失效形式(1b.斷裂一次加載斷裂磨損環境介質引起的斷裂疲勞斷裂c.表面損傷腐蝕重點機械零件失效形式b.斷裂一次加載斷裂磨損環境介質引起的斷裂疲勞斷裂c.表面損(2)根據失效的誘發因素分類機械力引起的失效熱應力引起的失效摩擦力引起的失效活性介質引起的失效(3)根據產品的使用過程分類早期失效偶然失效損耗失效機械零件失效形式(2)根據失效的誘發因素分類機械力引起的失效熱應力引起的失(4)從經濟法的觀點對失效分類產品缺陷失效誤用失效受用性失效損耗失效在進行失效分析時，應將失效的模式、失效的誘發因素及失效后的表現形式綜合考慮，對于獲得正確的分析結果是至關重要的。機械零件失效形式(4)從經濟法的觀點對失效分類產品缺陷失效誤用失效受用性失起因（%）腐蝕29疲勞25脆性斷裂16過載11高溫腐蝕7應力腐蝕/腐蝕疲勞/氫脆6蠕變3磨損、擦傷、沖刷3表1在一般工業工程中調查失效模式的比例起因起因（%）疲勞61過載18應力腐蝕8過度磨損7腐蝕3高溫氧化2應力破壞1表2航空零件失效模式的比例起因常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產生摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而折斷。磨損是開式傳動的主要失效形式。以齒輪為例：齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產生摩齒面點蝕：輪齒工作面承受近似脈動的變應力作用，由于疲勞而產生的麻點狀剝蝕損傷現象。點蝕是閉式傳動常見的失效形式。點蝕首先出現在節線附近。齒面點蝕：輪齒工作面承受近似脈動的變應力作用，由于疲勞而產生齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油膜被破壞，齒面間會發生粘接在一起的現象，在輪齒表面沿滑動方向出現條狀傷痕，稱為膠合。齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油膜塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力方向產生塑性變形。塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力零件失效分析失效分析基礎知識課件壓力容器與管道典型失效案例西安“3·5”液化石油氣站特大爆炸事故1998年3月5日，西安液化石油氣站2個400m3球罐發生特大爆炸事故。事故過程為：下午4：40發現1號球罐下部排污管道法蘭泄漏，因缺乏先進的堵漏技術，泄漏持續約3h，整個廠區充滿了石油氣，配電間電火花引爆，形成廠區大火，使球罐溫度急劇升高，最終物理爆炸。法蘭泄漏與一只緊固螺栓的疲勞斷裂有關。事故性質確定為設備事故。壓力容器與管道典型失效案例西安“3·5”液化石油氣站特大氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備中較常見的失效模式。這種失效模式可能沒有明顯的腐蝕現象，但是材料性能嚴重退化，事故的隱患已經存在。在氫處理、重整、加氫裂化等裝置中，溫度超過260℃，氫的分壓大于689kPa，就有可能發生氫分子在鋼的表面分解為原子氫而發生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進入鋼鐵材料，并與碳化物反應生成甲烷(Fe3C+4H→3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易擴散，會使甲烷在晶界或相界面等處聚集產生局部高壓，形成微裂紋，進而材料脆化。氫腐蝕(高溫氫侵蝕)引起的蒸汽管道爆管事故氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備中較常見的失效硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故四川天然氣管道曾經發生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂事故，其中一起發生在1995年底，泄漏的天然氣引起了火災。管道為720×8.16mm螺旋焊管，壓力1.9～2.5MPa。事故管段已經運行16年。爆口長度1440mm，沿焊縫擴展。管道內壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現象。經過試驗分析，結論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中含有H2S及補焊工藝不合理，使焊縫產生了馬氏體組織和高的殘余應力有關。硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故四川天然氣管道催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效

裂紋均從內表面開始向外表面擴展，裂紋發生部位未見明顯塑性變形，裂紋寬度較窄，向縱深發展并多數穿透壁厚；

裂紋呈樹枝狀，斷口有典型的沿晶特征；

腐蝕產物的水溶液PH值在5～6，呈現酸性；

斷口表面腐蝕產物中的氮含量均明顯高于基體金屬中的氮含量；

結論是NO3-引起的應力腐蝕開裂。催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效裂紋均從內表起因（%）材料選擇不恰當38裝配錯誤15錯誤的熱處理15機械設計錯誤11未預見的操作條件8環境控制不夠充分6不恰當的或缺少監測與質量控制5材料混雜2表3在一般工業工程中調查的失效原因的比例起因起因（%）保養不恰當44安裝錯誤17設計缺陷16不正確的維修損壞10材料缺陷7未定原因8表4航空零件失效原因的比例起因機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？設計的問題材料選擇上的問題加工制造及裝配中存在的問題不合理的服役條件機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？設計的問題分析設計原因引起失效需要注意：

對復雜構件進行可靠的應力計算，充分考慮構件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小；在高應力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半徑過小；

避免設計時只考慮拉伸強度和屈服強度數據的靜載荷能力，而忽視脆性斷裂、低循環疲勞、應力

腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效；分析設計原因引起失效需要注意：對復雜構件進行可靠的應力RD2車軸舉例RD2車軸舉例選材：使用性原則加工工藝性能原則經濟性原則特殊環境材料中的缺陷：鑄造焊接鍛造熱處理切削加工材料選擇上的問題：選材：使用性原則加工工藝性能原則經濟性原則特殊環境材料中的缺制造及裝配：酸洗及電鍍導致的氫脆；不文明施工及安裝導致的表面損傷；不合理的服役條件：超速、過載、不合理的啟動和停車、異常介質的引入；制造及裝配：酸洗及電鍍導致的氫脆；不合理的服役條件：超速、過鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區最終瞬斷區鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區最終瞬2.2應力集中與零件失效應力集中與應力集中系數應力集中對零件失效的影響降低應力集中的措施2.2應力集中與零件失效應力集中與應力集中系數含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況零件的幾何形狀發生突變，會造成應力的重新分配，也會造成應力集中。含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況零件的幾何形狀發生突變截面過渡圓角處的應力分布理論應力集中系數應力集中系數手冊變截面過渡圓角處的應力分布理論應力集中系數應力集中系數手冊幾何突變零件承受單向靜拉伸時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受單向靜拉伸時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程度會受到哪些因素的影響？？提出問題：應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程度會影響應力集中與斷裂失效的因素材料力學性能零件幾何形狀零件應力狀態加工缺陷裝配、檢修產生缺陷影響應力集中與斷裂失效的因素材料力學性能零件幾力學性能：硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，應力集中作用越強烈，裂紋擴展速率越大；影響應力集中與斷裂失效的因素力學性能：硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，影響應力集零件幾何形狀：斷裂部位影響應力集中與斷裂失效的因素零件幾何形狀：斷裂部位影響應力集中與斷裂失效的因素零件應力狀態：舉例：上海汽車鍛造總廠生產的汽車鋼板彈簧產生早期失效，綜合分析發現：表面存在較多較深的彈坑及局部脫碳。應力狀態：彎曲疲勞零件應力狀態：舉例：上海汽車鍛造總廠生產的汽缺陷：缺陷：降低應力集中的措施

強化材料，降低應力集中的作用整體強化局部強化工藝、特點降低應力集中的措施強化材料，降低應力集中的作用整體

合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數

合理設計，降低應力集中系數軸肩軸環合理設計，降低應力集中系數軸肩軸環

合理設計，降低應力集中系數間隔環凹圓角卸載槽合理設計，降低應力集中系數間隔環凹圓角卸載槽

合理設計，降低應力集中系數減小輪轂端部的厚度輪轂上開卸載槽減小輪轂的剛度作階梯軸合理設計，降低應力集中系數減小輪轂端部的厚度輪轂上開卸載

合理設計，降低應力集中系數增大花鍵的直徑開卸載槽合理設計，降低應力集中系數增大花鍵的直徑開卸載槽孔上倒角

過盈配合時增大配合處的直徑

合理設計，降低應力集中系數孔上倒角過盈配合時增大配合處的直徑合理設計，降低應力集

合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析2.3殘余應力與零件失效殘余應力：物體在無外載荷時，存在于其內部并保持平衡的一種應力。（固有應力、內應力）分類第一類殘余應力（Ⅰ）：宏觀內應力，由整個物體變形不均勻引起第二類殘余應力（Ⅱ）：微觀內應力，由晶粒變形不均勻引起第三類殘余應力（Ⅲ）：點陣畸變，由位錯、空位引起。2.3殘余應力與零件失效殘余應力：物體在無外載荷時，存在

機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性有十分重要的影響。殘余應力的作用

適當的、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素；不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐蝕，影響尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強利：預應力處理，如汽車板簧的生產。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。作用利：預應力處理，如汽車板簧的生產。弊：引起變形、開裂，如黃銅

熱處理殘余應力

表面化學熱處理殘余應力

焊接殘余應力

鑄造殘余應力

涂鍍層殘余應力

切削加工殘余應力哪些工藝過程中會產生殘余應力？產生了怎樣的殘余應力？熱處理殘余應力表面化學熱處理殘余應力焊接殘殘余應力是怎樣產生的？？熱應力＋組織應力＋拘束應力

不均勻的塑性變形

不均勻的溫度變化

不均勻的相變殘余應力是怎樣產生的？？熱應力＋組織應力＋拘束應力消除和調整殘余應力的方法去應力退火金屬材料種類溫度/℃時間/h灰鑄鐵碳鋼Cr不銹鋼Cr-Ni不銹鋼(316)銅合金(60Cu-40Zn)銅合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211自然時效處理消除和調整殘余應力的方法去應力退火金屬材料種類溫度回火

施加靜載使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形，使殘余應力松弛。例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，產生所謂的“脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。回火施加靜載例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內振動時效

(VibrationStressRelief,VSR)錘擊、噴丸、滾壓

振動時效(VibrationStressRelie振動等離子熔覆過程示意圖振動等離子熔覆過程示意圖0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz時，熔覆層出現罕見的分層現象100Hz時，熔覆層出現罕見的分層現象殘余應力的測量方法破損法無損法盲孔法環芯法磁彈性法X射線衍射法殘余應力的測量方法破損法無損法盲孔法環芯法磁彈性法X射線衍射在一塊各向同性的板材中假定存在殘余應力，鉆一小孔后，孔周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出孔周圍釋放的應變，然后根據力學知識推算出殘余應力。盲孔法的基本原理盲孔法測試殘余應力應變片示意圖在一塊各向同性的板材中假定存在殘余應力，鉆一

靜態電阻應變儀應變花靜態電阻應變儀鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附加應變對實驗結果造成的影響不容忽視。鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附加應變對實驗結果造成的影響不容改進方法：

逐層剝除法

階梯鉆孔法

一點多次擴孔的盲孔測定法改進方法：環芯法的測量原理一塊各向同性的板材中假定存在雙向殘余應力，其上加工一環芯直徑圓環槽，環芯周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出周圍釋放的應變，然后推算出殘余應力的大小和方向。環芯法測量殘余應力用的應變花環芯法的測量原理一塊各向同性的板材中假定存在雙缺點：

機械加工是破壞性的，會影響零件繼續使用；

檢測時已附加有加工應變，降低了檢測精度；優點：

直觀、檢測方便；

可用剝層法測試材料深處的殘余應力，測試精度在國家標準要求之內（誤差小于25MPa）；

適合于各類材料；缺點：優點：中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod優秀碩士論文：中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究優秀碩士論文：

通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測量殘余應力。當某一波長的X射線照射到多晶體樣品上并滿足布拉格方程時會產生衍射。如果存在宏觀殘余應力，晶粒晶面間距會發生變化，X射線衍射峰的位置也將發生變化，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應變，通過彈性力學理論即可求得殘余應力（表面應力）。X射線衍射法的基本原理《材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用》張定銓何家文著西安交通大學出版社通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測量殘余Stress3000衍射儀Stress3000衍射儀鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管外觀鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管外觀多晶磁疇結構示意圖磁彈性法的基本原理多晶磁疇結構示意圖磁彈性法的基本原理技術磁化過程的三個階段技術磁化過程的三個階段磁彈性法的基本原理“巴克豪森噪聲效應”拉應力時，平行于拉應力方向的磁疇將增加，巴克豪森噪聲幅度值增加，磁彈性儀的輸出電量增加。磁彈性法的基本原理“巴克豪森噪聲效應”拉應力時優點：方便、快速和準確缺點：只適用于磁性材料優點：方便、快速和準確缺點：只適用于磁性材料2.4材料的韌性與斷裂設計低應力脆斷

通常發生脆斷時的宏觀應力很低，按強度設計是安全的。

脆斷通常發生在比較低的工作溫度下。脆斷從應力集中處開始，裂紋源通常在結構或材料的缺陷處，如裂紋、缺口、夾雜等。

厚截面、高應變速率促進脆斷。共同點？2.4材料的韌性與斷裂設計低應力脆斷通常發生脆斷時的材料的韌性：材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和塑性的綜合表現。靜力韌度―應力－應變曲線沖擊韌度斷裂韌度材料的韌性：材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和斷裂韌度在失效分析中的應用舉例：斷裂韌度在失效分析中的應用舉例：問題：材料將發生什么形式的失效？怎樣建立失效判據以及相應的設計準則？不同應力狀態下如何表示材料的抗力？2.5應力分析與失效分析工程構件所處的應力狀態復雜多樣問題：材料將發生什么形式的失效？2.5應力分析與失效分析應力狀態影響材料的失效形式脆斷鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂剪斷鑄鐵壓縮、硬鋁拉伸時的斷裂屈服低碳鋼拉伸、扭轉和壓縮時應力狀態影響材料的失效形式脆斷鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂剪斷

為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于材料破壞原因的假設及計算方法。根據簡單實驗所測得的材料抗力，分析計算其他復雜應力狀態下材料的強度。應力狀態分析與強度理論為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于材料破壞原因脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，且多發生在垂直于最大正應力的截面上，如鑄鐵受拉、扭，低溫脆斷等。關于屈服的強度理論：最大切應力理論和最大畸變能密度理論

塑性屈服：材料破壞前發生顯著的塑性變形，且多發生在最大剪應力面上，例如低碳鋼拉、扭，鑄鐵壓。關于斷裂的強度理論：最大拉應力理論和最大伸長線應變理論脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，且多發生在垂直■最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力是引起材料斷裂的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態，只要最大拉應力達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。－構件危險點的最大拉應力－極限拉應力，由單拉實驗測得■最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力是引起材料斷斷裂條件設計準則鑄鐵拉伸鑄鐵扭轉斷裂條件設計準則鑄鐵拉伸鑄鐵扭轉■最大伸長線應變理論（第二強度理論）最大伸長線應變是引起斷裂的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大伸長線應變達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。

－構件危險點的最大伸長線應變

－極限伸長線應變，由單向拉伸實驗測得■最大伸長線應變理論（第二強度理論）最大伸長線應變是引實驗表明：該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材料的斷裂較符合，如鑄鐵受拉壓比第一強度理論更接近實際情況。強度條件斷裂條件即實驗表明：該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材料的斷裂較最大切應力是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大切應力達到了簡單拉伸屈服時的極限值，材料就會發生屈服(或剪斷）。■最大切應力理論（第三強度理論）

－構件危險點的最大切應力

－極限切應力，由單向拉伸實驗測得最大切應力是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應屈服條件設計準則低碳鋼拉伸低碳鋼扭轉屈服條件設計準則低碳鋼拉伸低碳鋼扭轉實驗表明：此理論對于塑性材料的屈服破壞能夠得到較為滿意的解釋。并能解釋材料在三向均壓下不發生塑性變形或斷裂的事實。局限性：

2、不能解釋三向均拉下可能發生斷裂的現象。1、未考慮的影響，試驗證實最大影響達15%。實驗表明：此理論對于塑性材料的屈服破壞能夠得到局限性：2最大畸變能密度是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大畸變能密度達到簡單拉伸屈服時的極限值,材料就會發生屈服。■最大畸變能密度理論（第四強度理論）

－構件危險點的畸變能密度

－畸變能密度的極限值，由單拉實驗測得最大畸變能密度是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什屈服條件設計準則實驗表明：對塑性材料，此理論比第三強度理論更符合試驗結果，在工程中得到了廣泛應用。屈服條件設計準則實驗表明：對塑性材料，此理論比第三強度理論更強度理論的統一表達式：相當應力強度理論的統一表達式：相當應力準則：切應力是使材料達到危險狀態的主要因素，但滑移面上所產生的阻礙滑移的內摩擦力卻取決于剪切面上的正應力σ的大小。莫爾理論適用于脆性剪斷：莫爾理論認為材料的剪斷破壞一般發生在切應力值最大的截面上。

脆性剪斷：在某些應力狀態下，拉壓強度不等的一些材料可能發生剪斷，例如鑄鐵的壓縮。莫爾強度理論（修正的最大切應力理論）準則：切應力是使材料達到危險狀態的主要因素，但滑移面上所產生

1、在三向拉伸應力狀態下，不論是脆性或塑性材料，均發生脆性斷裂，宜采用最大拉應力理論（第一強度理論）。

2、脆性材料：在二向拉伸應力狀態下及二向拉伸-壓縮應力狀態且拉應力較大的情況下，應采用最大拉應力理論；在二向拉伸-壓縮應力狀態且壓應力較大的情況下，應采用最大伸長線應變理論；在復雜應力狀態的最大、最小應力分別為壓、拉時，由于材料的許用拉、壓應力不等，壓應力占優宜采用莫爾強度理論。

3、塑性材料（除三向拉伸外），宜采用畸變能理論（第四強度理論）和最大切應力理論（第三強度理論）。

4、三向壓縮狀態下，無論是塑性和脆性材料，均采用畸變能理論。強度理論的選用原則1、在三向拉伸應力狀態下，不論是脆性或塑性材料

單向拉應力：連桿、螺栓、鋼絲繩

平面拉應力：薄壁壓力容器

交變應力：曲軸、軸承、齒輪、螺栓、連桿

彎曲應力：軸類零件、梁

扭轉應力：傳動軸、彈簧、凸輪軸、機床絲杠

接觸應力：齒輪、軸承單向拉應力：連桿、螺栓、鋼絲繩平面拉應力：薄壁壓力容2.6金屬構件中可能引起失效的常見缺陷鑄態金屬組織缺陷

金屬鍛造及軋制件缺陷

金屬焊接組織缺陷

熱處理產生的組織缺陷

冷加工缺陷2.6金屬構件中可能引起失效的常見缺陷鑄態金屬組織缺陷鑄造過程示意圖鑄造過程示意圖孔眼類缺陷（氣孔、縮孔、疏松、砂眼、渣眼等）裂紋（熱裂紋、冷裂紋）

形狀、尺寸及表面質量不合格（變形、錯箱、偏芯、澆不足、冷隔、披縫、表面粘砂及表面粗糙等）化學成分不一致（區域偏析、重力偏析、枝晶偏析）鑄態金屬組織常見缺陷孔眼類缺陷（氣孔、縮孔、疏松、砂眼、渣眼等）鑄態金屬名稱特征名稱特征氣孔主要為圓形、橢圓形的孔洞，表面較光滑，一般不在鑄件表面露出，大孔獨立存在，小孔則成群出現。縮孔縮松1．縮孔：形狀為不規則的封閉或敞露的空洞，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，常出現在鑄件最后凝固部位。2．疏松：鑄件斷面上出現的分散而細小的縮孔。粘砂鑄件的部分或整個表面粘附著一層金屬和砂粒的機械混和物，多發生在鑄件厚壁和熱節處。裂紋1．熱裂：斷面嚴重氧化，無金屬光澤，斷口沿晶界產生和發展，外形曲折而不規則的裂紋。2．冷裂：穿過晶體而不沿晶界斷裂，斷口有金屬光澤或有輕微氧化色。披縫鑄件表面上有凸起的金屬片狀物，表面粗糙，邊角銳利，有小部分與鑄件本體相連。化學成分及力學性能不合格鑄件的化學成分和硬度、強度、伸長率、沖擊韌度、耐熱、耐蝕及耐磨等性能不符合技術條件要求。白口灰鑄鐵件斷面全部或表面出現亮白色組織，常在鑄件薄的斷面，棱角及邊緣部分。名稱特征名稱特縮孔—厚大熱節,孔內粗糙；氣孔—上表皮下,孔內光滑；砂眼—轉角皮表,孔內有砂；渣眼—上表轉角,孔內有渣。基本特征：縮孔—厚大熱節,孔內粗糙；基本特征：縮孔位置的確定---等溫線法縮孔位置的確定---等溫線法1.熱裂紋

紋短、縫寬、形狀曲折、縫內有氧化色。形成熱裂的主要因素有：

⑴合金性質

結晶區間越寬、含硫量高易裂。

⑵

鑄型阻力

注意型砂的退讓性。裂紋－－熱裂紋和冷裂紋2.冷裂紋

形狀細小，直線狀。

冷裂常出現在鑄件的最后凝固部位、鑄件形狀復雜、受拉伸處，與鑄造缺陷有關；與合金性質有關。1.熱裂紋紋短、縫寬、形狀曲折、縫內有氧化色。裂紋－－熱零件失效分析失效分析基礎知識課件鑄件的內在質量及檢驗方法鑄件的內在質量及檢驗方法金屬鍛造及軋制件缺陷內部組織缺陷表面缺陷粗大魏氏體組織網絡狀碳化物及帶狀組織表層脫碳流線不順結疤折疊表面裂紋分層劃傷金屬鍛造及軋制件缺陷內部組織缺陷表面缺陷粗大魏氏體組織網魏氏組織帶狀組織魏氏組織帶狀組織流線組織：CastingMachiningForging鍛件相對鑄件和機加工零件，有更高的強度和韌性。流線組織：CastingMachiningForging

沖鍛時，鍛件可能留下貫穿組織的流線，這些晶界直接暴露在外，容易被環境腐蝕，產生粗糙表面，應力集中。沖鍛時，鍛件可能留下貫穿組織的流線，這些晶界直接暴露金屬焊接組織缺陷常見焊接缺陷

焊接接頭的不完整性稱焊接缺陷。主要有焊接裂紋、未焊透、夾渣、氣孔和焊縫外觀缺陷等。金屬焊接組織缺陷常見焊接缺陷焊接接頭的不完整熱裂紋的特征：

熱裂紋可發生在焊縫區或熱影響區。熱裂紋的微觀特征是沿晶界開裂－－晶間裂紋。熱裂紋在高溫下形成，所以有氧化色彩。焊接裂紋熱裂紋和冷裂紋：冷裂紋的形態和特征：

焊縫區和熱影響區都可能產生冷裂紋。冷裂紋的特征是無分支，通常為穿晶型。冷裂紋無氧化色彩。最常見的冷裂紋是延遲裂紋，即在焊后延遲一段時間才發生的裂紋。熱裂紋的特征：焊接裂紋熱裂紋和冷裂紋：冷裂紋的形態和特焊接氣孔氫氣孔高溫時，氫在液體中的溶解度很大，大量的氫溶入焊縫熔池中，而焊縫熔池在熱源離開后快速冷卻，氫的溶解度急速下降，析出氫氣，產生氫氣孔。一氧化碳氣孔當熔池氧化嚴重時，熔池存在較多的FeO，在熔池溫度下降時，將發生如下反應：

FeO+C=Fe+CO↑氮氣孔熔池保護不好時，空氣中的氮溶入熔池而產生。

焊接氣孔氫氣孔一氧化碳氣孔氮氣孔重慶綦江彩虹橋垮塌-脆性斷裂分析坍塌的彩虹橋重慶綦江彩虹橋垮塌-脆性斷裂分析坍塌的彩虹橋裂紋記者的報道裂紋記者的報道記者的報道三向應力記者的報道三向應力

主拱鋼管焊接問題。主拱鋼管在工廠加工中，對接焊縫普遍存在裂紋、未焊透、未熔合、氣孔、夾渣等嚴重缺陷，質量達不到施工及驗收規范規定的二級焊縫檢驗標準。

吊桿鎖錨問題。吊桿鋼絞線鎖錨方法錯誤，不能保證鋼絞線有效鎖定及均勻受力，錨頭部位的鋼絞線出現部分或全部滑出使吊桿鋼絞線錨固失效。

鋼管混凝土問題。主拱鋼管內混凝土強度達不到設計要求，局部有漏灌現象，在主拱肋板處甚至出現1米多長的空洞。吊桿的灌漿防護也存在嚴重質量問題。

設計問題。設計粗糙，更改隨意，構造有不當之處。對主拱鋼結構的材質、焊接質量、接頭位置及鎖錨質量均無明確要求。在成橋增設花臺等載荷后，主拱承載力不能滿足相應規范要求。事故原因分析主拱鋼管焊接問題。主拱鋼管在工廠加工中，對接焊縫普遍存在熱處理產生的組織缺陷氧化、脫碳內氧化淬火裂紋過熱過燒淬火軟點回火脆性石墨化脆性網狀或大塊狀碳化物粗大馬氏體和大量殘余奧氏體熱處理產生的組織缺陷氧化、脫碳內氧化淬氧化：在氧和氧化性氣體的作用下，金屬表面生成氧化皮的現象。使工件尺寸減小，表面粗糙，嚴重的會成為廢品。脫碳：工件表面的碳被氧化，碳含量減少的現象。使表面硬度、耐磨性下降。內氧化：合金內部沿晶界形成氧化物相或脫碳區。氧化：在氧和氧化性氣體的作用下，金屬表面生成氧化皮的現象。使過熱：加熱溫度過高或保溫時間過長導致奧氏體晶粒劇烈長大。過燒：經常發生在高溫擴散退火或高速鋼淬火過程中，粗大晶粒的晶界上出現局部燒化或氧化現象。淬火軟點：淬火加熱溫度低、表面脫碳、冷速不夠、材料淬透性低引起。回火脆性：低溫回火脆性和高溫回火脆性過熱：加熱溫度過高或保溫時間過長導致奧氏體晶粒過燒：經常發生石墨化脆性：碳素工具鋼或彈簧鋼，退火過程中滲碳體中析出石墨，增加鋼的脆性。網狀或大塊狀碳化物粗大馬氏體和大量殘余奧氏體淬火裂紋石墨化脆性：碳素工具鋼或彈簧鋼，退火過程中滲碳網狀或大塊狀碳冷加工缺陷切削加工缺陷磨削加工缺陷表面粗糙的刀痕表面層加工硬化精度尺寸不符合要求殘余應力磨削裂紋表面燒傷與剝皮表面粗糙度表面殘余應力冷加工缺陷切削加工缺陷磨削加工缺陷表面粗糙的刀痕表面層加第2章失效分析基礎知識零件失效形式與來源

應力集中與零件失效

殘余應力與零件失效

材料的韌性與斷裂設計

應力分析與失效分析金屬構件中可能引起失效的常見缺陷第2章失效分析基礎知識零件失效形式與來源2.1機械零件失效的形式與來源機械零件失效形式(1)按照失效的形態分類過量變形斷裂表面損傷a.過量變形扭曲：花鍵高低溫下的蠕變拉長：緊固件彈性元件發生永久變形2.1機械零件失效的形式與來源機械零件失效形式(1b.斷裂一次加載斷裂磨損環境介質引起的斷裂疲勞斷裂c.表面損傷腐蝕重點機械零件失效形式b.斷裂一次加載斷裂磨損環境介質引起的斷裂疲勞斷裂c.表面損(2)根據失效的誘發因素分類機械力引起的失效熱應力引起的失效摩擦力引起的失效活性介質引起的失效(3)根據產品的使用過程分類早期失效偶然失效損耗失效機械零件失效形式(2)根據失效的誘發因素分類機械力引起的失效熱應力引起的失(4)從經濟法的觀點對失效分類產品缺陷失效誤用失效受用性失效損耗失效在進行失效分析時，應將失效的模式、失效的誘發因素及失效后的表現形式綜合考慮，對于獲得正確的分析結果是至關重要的。機械零件失效形式(4)從經濟法的觀點對失效分類產品缺陷失效誤用失效受用性失起因（%）腐蝕29疲勞25脆性斷裂16過載11高溫腐蝕7應力腐蝕/腐蝕疲勞/氫脆6蠕變3磨損、擦傷、沖刷3表1在一般工業工程中調查失效模式的比例起因起因（%）疲勞61過載18應力腐蝕8過度磨損7腐蝕3高溫氧化2應力破壞1表2航空零件失效模式的比例起因常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標常用零部件的工作條件、失效形式和性能指標齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產生摩擦磨損。嚴重時會因齒面減薄過多而折斷。磨損是開式傳動的主要失效形式。以齒輪為例：齒面磨損：灰塵、砂粒、金屬微粒等落入輪齒間，會使齒面間產生摩齒面點蝕：輪齒工作面承受近似脈動的變應力作用，由于疲勞而產生的麻點狀剝蝕損傷現象。點蝕是閉式傳動常見的失效形式。點蝕首先出現在節線附近。齒面點蝕：輪齒工作面承受近似脈動的變應力作用，由于疲勞而產生齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油膜被破壞，齒面間會發生粘接在一起的現象，在輪齒表面沿滑動方向出現條狀傷痕，稱為膠合。齒面膠合：高速重載傳動中，齒面間壓力大，瞬時溫度高，潤滑油膜塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力方向產生塑性變形。塑性變形：重載且摩擦力很大時，齒面較軟的輪齒表面就會沿摩擦力零件失效分析失效分析基礎知識課件壓力容器與管道典型失效案例西安“3·5”液化石油氣站特大爆炸事故1998年3月5日，西安液化石油氣站2個400m3球罐發生特大爆炸事故。事故過程為：下午4：40發現1號球罐下部排污管道法蘭泄漏，因缺乏先進的堵漏技術，泄漏持續約3h，整個廠區充滿了石油氣，配電間電火花引爆，形成廠區大火，使球罐溫度急劇升高，最終物理爆炸。法蘭泄漏與一只緊固螺栓的疲勞斷裂有關。事故性質確定為設備事故。壓力容器與管道典型失效案例西安“3·5”液化石油氣站特大氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備中較常見的失效模式。這種失效模式可能沒有明顯的腐蝕現象，但是材料性能嚴重退化，事故的隱患已經存在。在氫處理、重整、加氫裂化等裝置中，溫度超過260℃，氫的分壓大于689kPa，就有可能發生氫分子在鋼的表面分解為原子氫而發生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進入鋼鐵材料，并與碳化物反應生成甲烷(Fe3C+4H→3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易擴散，會使甲烷在晶界或相界面等處聚集產生局部高壓，形成微裂紋，進而材料脆化。氫腐蝕(高溫氫侵蝕)引起的蒸汽管道爆管事故氫腐蝕是蒸汽管道、鍋爐管與石油化工臨氫高溫裝備中較常見的失效硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故四川天然氣管道曾經發生多起硫化物應力腐蝕引起的爆裂事故，其中一起發生在1995年底，泄漏的天然氣引起了火災。管道為720×8.16mm螺旋焊管，壓力1.9～2.5MPa。事故管段已經運行16年。爆口長度1440mm，沿焊縫擴展。管道內壁腐蝕輕微，斷口無明顯減薄現象。經過試驗分析，結論為硫化物應力腐蝕引起，與天然氣中含有H2S及補焊工藝不合理，使焊縫產生了馬氏體組織和高的殘余應力有關。硫化物應力腐蝕引起的四川天然氣管道爆裂事故四川天然氣管道催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效

裂紋均從內表面開始向外表面擴展，裂紋發生部位未見明顯塑性變形，裂紋寬度較窄，向縱深發展并多數穿透壁厚；

裂紋呈樹枝狀，斷口有典型的沿晶特征；

腐蝕產物的水溶液PH值在5～6，呈現酸性；

斷口表面腐蝕產物中的氮含量均明顯高于基體金屬中的氮含量；

結論是NO3-引起的應力腐蝕開裂。催化裂化裝置再生器的硝酸鹽應力腐蝕失效裂紋均從內表起因（%）材料選擇不恰當38裝配錯誤15錯誤的熱處理15機械設計錯誤11未預見的操作條件8環境控制不夠充分6不恰當的或缺少監測與質量控制5材料混雜2表3在一般工業工程中調查的失效原因的比例起因起因（%）保養不恰當44安裝錯誤17設計缺陷16不正確的維修損壞10材料缺陷7未定原因8表4航空零件失效原因的比例起因機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？設計的問題材料選擇上的問題加工制造及裝配中存在的問題不合理的服役條件機械零件失效（早期失效）的來源（原因）？設計的問題分析設計原因引起失效需要注意：

對復雜構件進行可靠的應力計算，充分考慮構件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小；在高應力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半徑過小；

避免設計時只考慮拉伸強度和屈服強度數據的靜載荷能力，而忽視脆性斷裂、低循環疲勞、應力

腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效；分析設計原因引起失效需要注意：對復雜構件進行可靠的應力RD2車軸舉例RD2車軸舉例選材：使用性原則加工工藝性能原則經濟性原則特殊環境材料中的缺陷：鑄造焊接鍛造熱處理切削加工材料選擇上的問題：選材：使用性原則加工工藝性能原則經濟性原則特殊環境材料中的缺制造及裝配：酸洗及電鍍導致的氫脆；不文明施工及安裝導致的表面損傷；不合理的服役條件：超速、過載、不合理的啟動和停車、異常介質的引入；制造及裝配：酸洗及電鍍導致的氫脆；不合理的服役條件：超速、過鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區最終瞬斷區鍵槽應力集中導致齒輪軸疲勞斷裂鍵槽初始裂紋源裂紋擴展區最終瞬2.2應力集中與零件失效應力集中與應力集中系數應力集中對零件失效的影響降低應力集中的措施2.2應力集中與零件失效應力集中與應力集中系數含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況零件的幾何形狀發生突變，會造成應力的重新分配，也會造成應力集中。含孔的矩形棒在拉應力作用下應力集中的情況零件的幾何形狀發生突變截面過渡圓角處的應力分布理論應力集中系數應力集中系數手冊變截面過渡圓角處的應力分布理論應力集中系數應力集中系數手冊幾何突變零件承受單向靜拉伸時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受單向靜拉伸時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜彎曲載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線幾何突變零件承受靜扭轉載荷時的Kt值典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線典型結構的應力集中曲線應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程度會受到哪些因素的影響？？提出問題：應力集中與零件失效關系密切，應力集中的程度會影響應力集中與斷裂失效的因素材料力學性能零件幾何形狀零件應力狀態加工缺陷裝配、檢修產生缺陷影響應力集中與斷裂失效的因素材料力學性能零件幾力學性能：硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，應力集中作用越強烈，裂紋擴展速率越大；影響應力集中與斷裂失效的因素力學性能：硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，影響應力集零件幾何形狀：斷裂部位影響應力集中與斷裂失效的因素零件幾何形狀：斷裂部位影響應力集中與斷裂失效的因素零件應力狀態：舉例：上海汽車鍛造總廠生產的汽車鋼板彈簧產生早期失效，綜合分析發現：表面存在較多較深的彈坑及局部脫碳。應力狀態：彎曲疲勞零件應力狀態：舉例：上海汽車鍛造總廠生產的汽缺陷：缺陷：降低應力集中的措施

強化材料，降低應力集中的作用整體強化局部強化工藝、特點降低應力集中的措施強化材料，降低應力集中的作用整體

合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數

合理設計，降低應力集中系數軸肩軸環合理設計，降低應力集中系數軸肩軸環

合理設計，降低應力集中系數間隔環凹圓角卸載槽合理設計，降低應力集中系數間隔環凹圓角卸載槽

合理設計，降低應力集中系數減小輪轂端部的厚度輪轂上開卸載槽減小輪轂的剛度作階梯軸合理設計，降低應力集中系數減小輪轂端部的厚度輪轂上開卸載

合理設計，降低應力集中系數增大花鍵的直徑開卸載槽合理設計，降低應力集中系數增大花鍵的直徑開卸載槽孔上倒角

過盈配合時增大配合處的直徑

合理設計，降低應力集中系數孔上倒角過盈配合時增大配合處的直徑合理設計，降低應力集

合理設計，降低應力集中系數合理設計，降低應力集中系數典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析典型的應力集中部位及處理方法分析2.3殘余應力與零件失效殘余應力：物體在無外載荷時，存在于其內部并保持平衡的一種應力。（固有應力、內應力）分類第一類殘余應力（Ⅰ）：宏觀內應力，由整個物體變形不均勻引起第二類殘余應力（Ⅱ）：微觀內應力，由晶粒變形不均勻引起第三類殘余應力（Ⅲ）：點陣畸變，由位錯、空位引起。2.3殘余應力與零件失效殘余應力：物體在無外載荷時，存在

機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強度、抗應力腐蝕能力、尺寸穩定性有十分重要的影響。殘余應力的作用

適當的、分布合理的殘余壓應力可能成為提高疲勞強度、提高抗應力腐蝕能力，從而延長零件和構件使用壽命的因素；不適當的殘余應力則會降低疲勞強度，產生應力腐蝕，影響尺寸精度，甚至導致變形、開裂等早期失效事故。機械零部件和大型機械構件中的殘余應力對其疲勞強利：預應力處理，如汽車板簧的生產。弊：引起變形、開裂，如黃銅彈殼的腐蝕開裂。作用利：預應力處理，如汽車板簧的生產。弊：引起變形、開裂，如黃銅

熱處理殘余應力

表面化學熱處理殘余應力

焊接殘余應力

鑄造殘余應力

涂鍍層殘余應力

切削加工殘余應力哪些工藝過程中會產生殘余應力？產生了怎樣的殘余應力？熱處理殘余應力表面化學熱處理殘余應力焊接殘殘余應力是怎樣產生的？？熱應力＋組織應力＋拘束應力

不均勻的塑性變形

不均勻的溫度變化

不均勻的相變殘余應力是怎樣產生的？？熱應力＋組織應力＋拘束應力消除和調整殘余應力的方法去應力退火金屬材料種類溫度/℃時間/h灰鑄鐵碳鋼Cr不銹鋼Cr-Ni不銹鋼(316)銅合金(60Cu-40Zn)銅合金(64Cu-18Zn-18Ni)430-600600-680780-8008201902500.5-512211自然時效處理消除和調整殘余應力的方法去應力退火金屬材料種類溫度回火

施加靜載使工件產生整體或局部、甚至微區的塑性變形，使殘余應力松弛。例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內部加壓，產生所謂的“脹形”，使焊接接頭發生微量塑性變形，以減小焊接殘余應力。回火施加靜載例如：大型壓力容器，在焊接之后，在其內振動時效

(VibrationStressRelief,VSR)錘擊、噴丸、滾壓

振動時效(VibrationStressRelie振動等離子熔覆過程示意圖振動等離子熔覆過程示意圖0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz0Hz50Hz75Hz100Hz125Hz150Hz100Hz時，熔覆層出現罕見的分層現象100Hz時，熔覆層出現罕見的分層現象殘余應力的測量方法破損法無損法盲孔法環芯法磁彈性法X射線衍射法殘余應力的測量方法破損法無損法盲孔法環芯法磁彈性法X射線衍射在一塊各向同性的板材中假定存在殘余應力，鉆一小孔后，孔周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出孔周圍釋放的應變，然后根據力學知識推算出殘余應力。盲孔法的基本原理盲孔法測試殘余應力應變片示意圖在一塊各向同性的板材中假定存在殘余應力，鉆一

靜態電阻應變儀應變花靜態電阻應變儀鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附加應變對實驗結果造成的影響不容忽視。鉆孔時切削力和切削熱所帶來的附加應變對實驗結果造成的影響不容改進方法：

逐層剝除法

階梯鉆孔法

一點多次擴孔的盲孔測定法改進方法：環芯法的測量原理一塊各向同性的板材中假定存在雙向殘余應力，其上加工一環芯直徑圓環槽，環芯周圍區域的應力將重新分布，通過應變儀測出周圍釋放的應變，然后推算出殘余應力的大小和方向。環芯法測量殘余應力用的應變花環芯法的測量原理一塊各向同性的板材中假定存在雙缺點：

機械加工是破壞性的，會影響零件繼續使用；

檢測時已附加有加工應變，降低了檢測精度；優點：

直觀、檢測方便；

可用剝層法測試材料深處的殘余應力，測試精度在國家標準要求之內（誤差小于25MPa）；

適合于各類材料；缺點：優點：中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究ResearchonMeasuringWeldingResidualStressofPlateofModerateThicknessUsingBlind-holeMethod優秀碩士論文：中厚板焊接殘余應力測試的盲孔法研究優秀碩士論文：

通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測量殘余應力。當某一波長的X射線照射到多晶體樣品上并滿足布拉格方程時會產生衍射。如果存在宏觀殘余應力，晶粒晶面間距會發生變化，X射線衍射峰的位置也將發生變化，依照此變化即可求得晶面間距的變化，從而求得應變，通過彈性力學理論即可求得殘余應力（表面應力）。X射線衍射法的基本原理《材料中殘余應力的X射線衍射分析和作用》張定銓何家文著西安交通大學出版社通過殘余應力引起的晶粒內特定晶面間距的改變來測量殘余Stress3000衍射儀Stress3000衍射儀鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管外觀鋼岔管測區位置示意圖鋼岔管外觀多晶磁疇結構示意圖磁彈性法的基本原理多晶磁疇結構示意圖磁彈性法的基本原理技術磁化過程的三個階段技術磁化過程的三個階段磁彈性法的基本原理“巴克豪森噪聲效應”拉應力時，平行于拉應力方向的磁疇將增加，巴克豪森噪聲幅度值增加，磁彈性儀的輸出電量增加。磁彈性法的基本原理“巴克豪森噪聲效應”拉應力時優點：方便、快速和準確缺點：只適用于磁性材料優點：方便、快速和準確缺點：只適用于磁性材料2.4材料的韌性與斷裂設計低應力脆斷

通常發生脆斷時的宏觀應力很低，按強度設計是安全的。

脆斷通常發生在比較低的工作溫度下。脆斷從應力集中處開始，裂紋源通常在結構或材料的缺陷處，如裂紋、缺口、夾雜等。

厚截面、高應變速率促進脆斷。共同點？2.4材料的韌性與斷裂設計低應力脆斷通常發生脆斷時的材料的韌性：材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和塑性的綜合表現。靜力韌度―應力－應變曲線沖擊韌度斷裂韌度材料的韌性：材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和斷裂韌度在失效分析中的應用舉例：斷裂韌度在失效分析中的應用舉例：問題：材料將發生什么形式的失效？怎樣建立失效判據以及相應的設計準則？不同應力狀態下如何表示材料的抗力？2.5應力分析與失效分析工程構件所處的應力狀態復雜多樣問題：材料將發生什么形式的失效？2.5應力分析與失效分析應力狀態影響材料的失效形式脆斷鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂剪斷鑄鐵壓縮、硬鋁拉伸時的斷裂屈服低碳鋼拉伸、扭轉和壓縮時應力狀態影響材料的失效形式脆斷鑄鐵拉伸、扭轉時的斷裂剪斷

為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于材料破壞原因的假設及計算方法。根據簡單實驗所測得的材料抗力，分析計算其他復雜應力狀態下材料的強度。應力狀態分析與強度理論為了建立復雜應力狀態下的強度條件，提出關于材料破壞原因脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，且多發生在垂直于最大正應力的截面上，如鑄鐵受拉、扭，低溫脆斷等。關于屈服的強度理論：最大切應力理論和最大畸變能密度理論

塑性屈服：材料破壞前發生顯著的塑性變形，且多發生在最大剪應力面上，例如低碳鋼拉、扭，鑄鐵壓。關于斷裂的強度理論：最大拉應力理論和最大伸長線應變理論脆性斷裂：材料無明顯的塑性變形即發生斷裂，且多發生在垂直■最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力是引起材料斷裂的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態，只要最大拉應力達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。－構件危險點的最大拉應力－極限拉應力，由單拉實驗測得■最大拉應力理論（第一強度理論）最大拉應力是引起材料斷斷裂條件設計準則鑄鐵拉伸鑄鐵扭轉斷裂條件設計準則鑄鐵拉伸鑄鐵扭轉■最大伸長線應變理論（第二強度理論）最大伸長線應變是引起斷裂的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大伸長線應變達到簡單拉伸時破壞的極限值，就會發生脆性斷裂。

－構件危險點的最大伸長線應變

－極限伸長線應變，由單向拉伸實驗測得■最大伸長線應變理論（第二強度理論）最大伸長線應變是引實驗表明：該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材料的斷裂較符合，如鑄鐵受拉壓比第一強度理論更接近實際情況。強度條件斷裂條件即實驗表明：該理論對于一拉一壓的二向應力狀態的脆性材料的斷裂較最大切應力是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大切應力達到了簡單拉伸屈服時的極限值，材料就會發生屈服(或剪斷）。■最大切應力理論（第三強度理論）

－構件危險點的最大切應力

－極限切應力，由單向拉伸實驗測得最大切應力是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應屈服條件設計準則低碳鋼拉伸低碳鋼扭轉屈服條件設計準則低碳鋼拉伸低碳鋼扭轉實驗表明：此理論對于塑性材料的屈服破壞能夠得到較為滿意的解釋。并能解釋材料在三向均壓下不發生塑性變形或斷裂的事實。局限性：

2、不能解釋三向均拉下可能發生斷裂的現象。1、未考慮的影響，試驗證實最大影響達15%。實驗表明：此理論對于塑性材料的屈服破壞能夠得到局限性：2最大畸變能密度是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什么應力狀態,只要最大畸變能密度達到簡單拉伸屈服時的極限值,材料就會發生屈服。■最大畸變能密度理論（第四強度理論）

－構件危險點的畸變能密度

－畸變能密度的極限值，由單拉實驗測得最大畸變能密度是引起材料屈服的主要因素。即無論材料處于什屈服條件設計準則實驗表明：對塑性材料，此理論比第三強度理論更符合試驗結果，在工程中得到了廣泛應用。屈服條件設計準則實驗表明：對塑性材料，此理論比第三強度理論更強度理論的統一表達式：相當應力強度理論的統一表達式：相當應力準則：切應力是使材料達到危險狀態的主要因素，但滑移面上所產生的阻礙滑移的內摩擦力卻取決于剪切面上的正應力σ的大小。莫爾理論適用于脆性剪斷：莫爾理論認為材料的剪斷破壞一般發生在切應力值最大的截面上。

脆性剪斷：在某些應力狀態下，拉壓強度不等的一些材料