(3.5)--第5章-常见失效形式与判断（1）.pdf

第5章金属构件失效形式及判断

本章内容

5.1过量变形失效

5.2韧性断裂失效

5.3脆性断裂失效

5.4疲劳断裂失效

5.5磨损失效

5.6腐蚀失效

5.1过量变形失效

本节目标

知识目标:了解过量变形失效的分类、掌握各种变形失效的特征形成机理和影响

因素。

能力目标:能运用相关知识，识别和判断材料工程中的过量变形失效问题，并能

提出合理的解决措施，培养解决实际工程问题的能力。

情感目标:感受解决工程问题的责任感和成就感，激发学习的积极性。

一、过量弹性变形失效

（1）现象：一定载荷下，零件的弹性变形量超过了规定值而引起零件失效。

如：

镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；

齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；

弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。

（2）原因：零件的刚度不足

弹性模量

零件截面积

刚度：零件在受力时抵抗弹性变形的能力

（3）防止措施：

1）选材上——选用弹性模量E高的材料

2）设计上——增大零件截面积A

二、过量塑性变形失效

（1）现象：零件产生的塑性变形量超过允许的数值。其变形失效判断以影响构

件执行正常功能为依据。

（2）原因：强度不足

1）选材不当或材料缺陷导致强度不足；

2）出现过载导致强度不足。

（3）防止措施：

1）合理选材，提高抵抗塑性变形能力。

2）保证金属材料质量，控制组织状态及冶金缺陷。

3）准确地确定构件的工作载荷，正确进行应力计算，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。

4）严格按照加工工艺规程对构件成形，减少残余应力。

5）严禁构件运行超载。

6）监测腐蚀环境中构件强度尺寸的减小。

三、蠕变变形失效

（1）现象：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导致构件失效。

（2）特点：有塑性变形特点，但不一定是过载引起的；高温时，蠕变不仅引起

构件外部尺寸变化，金属内部组织结构也发生变化，导致高温力学性能下降、构

件承载能力降低、蠕变速度加快、失效加快。

过热管蠕变变形及胀裂

蠕变曲线的形状会随温度和应力不同而有所变化，在实际断裂分析时应根据

不同条件进行判断。

温度固定，应力越大，稳定蠕变阶段越短；应力固定，温度越高，稳定蠕变

阶段越短。

（3）材料抵抗蠕变的能力：蠕变极限、持久强度

蠕变极限：高温长期载荷作用下材料抵抗塑性变形的抗力，用给定温度

下材料产生规定蠕变速率的应力表示

持久强度：材料在高温长期载荷下，不发生蠕变断裂的最大应力

（4）预防措施：

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。

四、应力松弛变形失效

（1）现象：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。总变形量：ε0=ε弹+ε塑=常数

应力

σ0

形变恒定

І

II

σ残

时间

金属的应力松弛曲线

条件：给定温度，初始变形量不变

I阶段，持续时间短，应力随时间增加急剧下降

II阶段，持续时间很长，应力缓慢下降

（2）衡量指标：材料抵抗应力松弛的性能称为松弛稳定性，用残余应力σ残来

衡量。

残余应力高则松弛稳定性好。构件在高温长期使用中都会出现应力松弛的

问题，当残余应力降低至影响构件执行正常功能时，则产生应力松弛失效或松弛

变形失效。

（3）预防措施：

1）选用松弛稳定性好的材料；

2）使用过程中进行一次或多次再紧固，即在构件应力松弛到一定程度时重

新紧固，