化工机械的失效形式.ppt

一、化工机械的失效形式 4．3 疲劳断口的显微特征 　疲劳断口的萌生区和疲劳扩展区，在电镜中放大至千倍(以致上万倍)时可以观察到的主要特征是“海滩状”的“疲劳辉纹”。图35．1—51所示的4幅扫描电镜照片为疲劳断口中很典型的具有海滩状花样的疲劳辉纹。其形成机理和图35．1—42所描述的原理一样，每一次载荷的交变便使裂纹向前扩展一个△a的微量，这在断口上就留下一个微小裂纹前缘发生过塑性变形的痕迹。 一、化工机械的失效形式 不是所有金属材料的电子显微疲劳断口都有清晰整齐的海滩状辉纹。一般是铝合金和镍合金的疲劳辉纹十分清晰整齐；奥氏体不锈钢疲劳断口的疲劳辉纹也较清晰；而低合金钢，特别是强度较高的低合金钢这类铁素体和珠光体类钢的辉纹往往很不清晰，这反映了晶体学结构的不同所造成的断口细观形貌的差别。有时甚至只在局部微区观察到“轮胎状”的花样，如图35．1—51(d)所示，这也是疲劳辉纹。这往往是由于断口上的较硬质点在每次循环时又有切向位移而留下的压痕。 一、化工机械的失效形式 从图35．1—42所示的疲劳裂纹扩展机理可知这种扩展是基于裂尖的塑性变形，属于韧性的扩展，因而通常是以穿晶方式扩展的。当疲劳裂纹扩展通过晶界而进入另一个晶粒时同样也会以穿晶方式扩展，其断裂面从宏观上看基本上与最大拉伸主应力相垂直。 一、化工机械的失效形式 由于金属为多晶体结构，在裂纹疲劳扩展过程中一般会受到晶粒结晶方位的取向、晶界及晶粒中第二相质点等因素的影响，断口上的疲劳辉纹(亦即疲劳条带)不一定处在一个完整的平面上。如图35．1—52所示，在不同高度的扩展台面之间不可避免地会出现台阶，这种台阶称之为疲劳斑片。在疲劳扩展过程中有时还会形成“二次裂纹”，这是裂纹生成的次生方向的小裂纹，在扫描电镜中观察疲劳断口时有时会观察到这种斑片和台阶。 一、化工机械的失效形式 一、化工机械的失效形式 进行疲劳断口鉴别时寻找疲劳辉纹(条带)是重要的依据，但应与一些高韧性钢的平行的滑移线相区别。不仅要依靠电子显微镜观察，同时应注重疲劳断口宏观特征分析，还要结合是否有交变载荷源存在，包括压力或其他来源的载荷的交变，也包括热载荷(温差)的交变。只有当各方向的分析结果综合起来才能得出正确的结论。 一、化工机械的失效形式 需要说明的是，宏观上观察到断口上的“贝壳纹”不是电镜中的海滩状的疲劳辉纹，但两者有密切联系。宏观上的贝壳纹是交变载荷的应力幅值有明显变化时造成每次交变循环的扩展量变大或变小，因此贝壳纹处和两条贝壳纹之间区域放大后观察到的疲劳辉纹的密度会有较明显的区别。可以说只有在变载荷时才会形成宏观上的贝壳纹。 一、化工机械的失效形式 实际上由于每一循环就在断口上留下一条辉纹，因此可以从辉纹间测得的间距大体可以计算出疲劳扩展速率(da/dN)。疲劳裂纹萌生区的扩展速率极低，有时放大到上万倍时才可看到，也可能仍旧观察不到。 一、化工机械的失效形式 4．4 疲劳断裂失效的预防 4．4．1 一般预防原则 预防疲劳失效(不论高周疲劳或低周疲劳)发生的一般原则是降低应力水平和减小应力集中。 应力水平主要是构件中的公称(名义)应力。该应力愈高则应力集中处的应力峰值也随之愈高，对疲劳失效自然不利。但不可能为追求低应力而将构件设计得厚而粗笨，只能控制在合理的水平。在按疲劳设计的S-N曲线设计时不要过于追求较高的应力以求得薄与轻。抗高周疲劳的零部件，由于应力幅低，可以采用较高强度和较高疲劳持久极限的材料。 一、化工机械的失效形式 减小构件的应力集中，实际上涉及结构设计、加工制造和原材料的冶金或轧制质量诸多方面。结构设计时应在结构尺寸有突变之处，如轴颈及台阶处，尽量设计有较大过渡圆弧的圆角。制造时特别对高周疲劳的构件必须注意表面加工的光洁度，轴类零件的加工刀痕常常是疲劳裂纹的萌生之处。材料的内在质量如冶金时的夹渣、粗大的二次析出相、轧制材料的折叠缺陷都容易是疲劳裂纹的萌生之处。因此，按抗疲劳设计的零部件应采用质量优良的原材料。 一、化工机械的失效形式 4．4．2 压力容器低周疲劳失效的预防措施 (1)选用合适的抗疲劳材料 材料的低周疲劳破坏试验证实，低碳钢与碳锰钢等强度级别不高而塑性韧性较好的钢，具有较好的抗低周疲劳失效的能力。因此，用这类钢材制造容器、接管或作为接管根部的焊接材料较为合理。 一、化工机械的失效形式 (2)按分析设计规范进行设计 通常没有疲劳失效可能的容器是按一次应力进行设计的。如果有交变载荷(压力或温度的交变)可能会导致容器某些区域发生低周疲劳失效的，则必须按以应力分析为基础的规范进行疲劳分析。其具体规定应参见美国ASME的锅炉压力容器规范第Ⅷ卷第二册或我国压力容器分析设计规范JB 4732。按这些