《损伤与裂纹》PPT课件.ppt

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1、损伤与裂纹,学生：庄武豪指导老师：王华君,1.材料的疲劳1.1 疲劳的定义 材料或构件在交变应力(应变)的长期作用下，由于累计损伤而引起的断裂现象称为疲劳。机械零件在交变应力作用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂，这种失效现象，称为金属的疲劳失效。据统计，机械零件失效中80%以上属于疲劳失效。,1.2 疲劳的分类 1）按应力状态分类：弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳及复合疲劳 2）按环境和接触情况分类：大气疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳、接触疲劳、冲击疲劳等 3）按应力的大小和断裂寿命分：高周疲劳：寿命较长（105次以上），断裂时应力水平较低，也称低应力

2、疲劳或应力疲劳。低周疲劳：寿命短（102105 次），断裂应力水平较高，往往伴随有塑形应变，也称应变疲劳。,1.3 疲劳的特点 与静载荷或一次冲击加载断裂相比，具有一下特点：（1）疲劳是低应力循环延时断裂，即具有寿命的断裂；（2）疲劳是脆性断裂（3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷）十分敏感,1.4 疲劳宏观断口特征 典型疲劳断口具有三个形貌不同的区域疲劳源、疲劳区及瞬断区,1.5疲劳产生的机制 疲劳失效最终表现为疲劳断裂，包括裂纹的产生和扩展两个过程。1.5.1 疲劳的萌生 宏观疲劳裂纹是由微观裂纹的形核、长大及连接而成的。萌生方式：（1）滑移带开裂产生裂纹（2）相界面开裂产生裂纹（3）晶界

3、开裂产生裂纹,1.5.2 疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展的根据裂纹扩展方向，分成两个阶段：,第一阶段是从表面个别侵入沟（或挤出脊）先形成微裂纹；特点：扩展速率很慢；断口很难分析，无明显特征；总扩展深度只有几个晶粒,第二阶段裂纹主要沿主滑移系方向（最大切应力方向），以纯剪切方式向内扩展。特点：扩展方向与主应力垂直 扩展速率较快 出现疲劳条带,1.6 疲劳强度的影响因素和改善措施影响因素 1)加载条件*加载频率:机器的开停机、转速变化等；通常情况下，提高频率可提高材料的疲劳强度。*次载锻炼（越接近疲劳强度，对提高疲劳寿命越好）；过载损伤。*温度：温度升高，疲劳强度下降。2）表面状态*缺口：因应力集中

4、会降低材料的疲劳强度。*表面粗糙度：越粗糙，材料的疲劳强度越低。,3）表面强化 因疲劳裂纹大都在表面产生，因此提高表面强 度，可阻止裂纹在表面产生，提高疲劳抗力。如喷丸、滚压、表面热处理或化学热处理等。4）材料成分与组织*夹杂物及缺陷，使疲劳强度降低。*合金成分：强化材料，可提高材料的疲劳度。*组织：强度和韧性应综合考虑。,1.6.2 改善措施1)首先判别是高周疲劳寿命还是低周疲劳寿命,裂纹萌生、裂纹 扩展在整个疲劳寿命中谁占主导地位。2)对高周疲劳，通常采用以下方法:*提高强度：a.合金化，b.热处理，c.变形，d.细化晶粒等。*减少材料表面可能的疲劳裂纹源：a.改善表面光洁 度，b.改善

5、表面应力集中，c.表面处理（压应力）。*减少夹杂物含量。3)对低周疲劳来说，可采取:*减少夹杂物或改善夹杂物的分布，阻止裂纹的萌生。*提高材料的塑性。,2.材料的磨损,2.1 磨损的概念 磨损：相互作用的表面在相对运动中，接触表面层内材料发生转移和损耗的过程。它是伴随摩擦而产生的必然结果。产生磨损的三要素：力、相对运动、相互接触。,2.2磨损的分类：1）按照表面接触性质分类：金属磨料磨损 金属金属磨损 金属流体磨损2）按照工作环境和介质分类 干磨损、湿磨损、流体磨损3）按照磨损现象及机理分类 磨粒磨损(particle wear)粘着磨损(adhesive wear)腐蚀磨损(corrosio

6、n wear)疲劳磨损(fatigue wear)冲蚀磨损(wash-out wear)微动磨损(fretting wear),最常见四种磨损,2.3 磨损的失效过程,机械零件的磨损失效常经历一定的磨损阶段。如图所示为典型的磨损过程曲线,2.4 磨粒磨损 一般指硬的磨粒或凸出物在对零件表面的相互接触过程中，使表面材料发生损耗的一种现象或过程。磨粒在材料表面上的作用力可分为法向与切向两分力。,法向分力使磨粒压入金属表面,切向分力使磨粒与金属表面产生相对运动,2.5 粘着磨损 当两个相互作用的表面相接触时，因接触仅在少数几个孤立的微凸体顶峰上发生，在这些接触着的面积上产生很高的应力，使得接触面上发

7、生塑性流动，造成接触点间的粘着和焊合，造成零件表面材料的耗失。,2.6 疲劳磨损 疲劳磨损：两个相互滚动或者滚动兼滑动的摩擦面，在循环变化的接触应力作用下，由于材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落而使物质损失的现象。如齿轮、轴承、钢轨与轮毂的磨损等。,2.7 腐蚀磨损 摩擦相互作用表面在液体或气体工作环境或润滑剂中发生化学或电化学变化，在表面上形成的腐蚀产物常粘附不牢，在摩擦过程中被剥落下来，而新的表面又继续和介质发生反应，这种腐蚀和磨损的重复过程，称为腐蚀磨损。可分为氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损两类。,3.裂纹,3.1 定义与分类 在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子

8、结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。根据裂纹产生的机理，裂纹可分为：热裂纹冷裂纹再热裂纹 层状撕裂 应力腐蚀裂纹,结晶裂纹液化裂纹多边化裂纹,延迟裂纹淬硬脆化裂纹低塑性裂纹,3.2 热裂纹,焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。,近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂 液化裂纹,影响热裂纹的因素：1.冶金因素的影响 凝固温度区的影响 硫、磷、碳等合金元素和杂质的影响。,2.工艺因素的影响,（1）工艺

9、条件：焊接参数、浇注条件（2）结构形式：焊接接头形式、铸件厚薄等（3）拘束度和拘束应力,3.3冷裂纹,3.3.1 定义与分类 冷裂纹是金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹,分类：延迟裂纹（氢致裂纹）氢 淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）马氏体相变 低塑性裂纹 收缩,3.3.2 影响冷裂纹产生的因素（1）钢材的淬硬倾向（倾向越大，越容易产生裂纹）（2）氢的含量与分布（3）拘束应力（热应力、相变应力、结构自身拘束的应力）,氢致裂纹的机理,3.3.3 防止冷裂纹的措施1、控制母材化学成分母材化学成分影响钢材的淬硬倾向，对裂纹的产生具有决定性的作用2、合理选择焊接材料（1）选用低氢和超低氢焊接材料及焊接方法（2）严格烘干焊条、焊剂（3）选用低匹配焊条（4）奥氏体焊条3、制定合理的焊接工艺焊接线能量：过大导致粗晶，过小导致淬硬预热温度的选择：过高会恶化条件，产生附加应力,损伤的概念 由于细观结构(微裂纹、微孔洞、位错等)引起的材料或结构的劣化过程称为损伤。,损伤的分类：1、弹性损伤 弹性材料中由应力的作用而导致的损伤；2、弹塑性损伤 弹塑性材料中由应力的作用而引起的损伤；3、蠕变损伤 材料在蠕变过程中产生的损伤；4、疲劳损伤 这类损伤由应力的重复而引起；5、剥落损伤 由冲击载荷或高速载荷产生的弹性损伤和弹塑性损伤。,目前主要研究的几种损伤为：疲劳、磨损、断裂,