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汽车维修工程复习题
汽车可靠性理论基础 1.什么是汽车的可靠性？
汽车可靠性的定义：汽车产品(总成或零部件) 在规定的使用条件下，在规定的时间内，完成规定功能的能力。
2.可靠性的评价指标都有哪些？如何评价可靠性？
3.什么叫故障？如何分类？
指汽车在规定条件下和规定时间内，不能完成规定功能的现象。
5.汽车可靠性研究常用哪些故障分布?
汽车可靠性研究的威布尔分布
在汽车零部件可靠性试验处理中，除非很有把握知道属于某种分布，一般都采用威布尔分布。
6.汽车可靠性由 固有可靠性 和 使用可靠性 组成.
7.汽车可靠性的四要素为 汽车产品、规定条4.汽车可靠性试验是如何分类的？ 试验的目的是什么？
汽车零部件失效理论
１、说明失效的定义及分类？
汽车失效：产品在规定的条件下，时间内，不能完成规定功能的现象（也可称为故障）。
汽车故障：指汽车部分或完全丧失工作能力的现象。
注：（失效一般用于不可修复产品，故障则用于可修复产品．）
２、零部件失效的原因有哪些？ ３、说明摩擦与磨损的规律和概念？
两物休相对主动，使其接触表
面间产生运动阻力的现象称为摩擦。
a.干摩擦：摩擦面无任何润滑介质隔开的摩擦；
b.液摩磨擦：两摩擦表面被润滑油完全隔开时摩擦油膜厚度1.5-2.0μm的油膜；
c.边界摩擦：两摩擦表面被一层极薄的边界膜隔开的摩擦油膜厚度通常在0.1μm以下；
d.混合摩擦：两摩擦表面混合存在两种以上的摩擦.
注：实际工作状态中，零件通常都是在混合摩擦状态下工作的。
零件摩擦表面的金属在相对运
动过程中不断损失的现象，称为零件的磨损。
(1) 磨料磨损：摩擦表面间存在的硬质颗粒引起的磨损；
(2) 粘着磨损：当金属表面的油膜被破坏，摩擦表面间直接接触而发生粘着作用，产生的磨损；
(3) 疲劳磨损：在交变载荷作用下，零件表层产生疲劳剥落的现象
(4) 腐蚀磨损：零件摩擦面由于外部介质的作用，产生化学或电化学的反应而引起的磨损。
４、说明疲劳断裂的过程？如何预防？
定义：零件在交变应力作用下，
经过较长时间工作而发生的断裂现象，称为疲劳断裂。
金属零件疲劳断裂实际上是一
个积损伤过程，大体上可分滑移、裂纹成核、微裂纹扩展、宏观裂纹扩展，最终断裂。
５、影响零件变形的因素有哪些？
定义：零件在外力或内部应力作用
下，尺寸和形状改变的现象称为零件的变形。
1）内应力、残余内应力
2）工作温度、修理和装配精度
3）材料、结构、工艺
６、汽车失效规律 渐进型 、突发型 。 ７、汽车零件失效形式是 零件的磨损、零件的变形、零件的疲劳损坏、零件的热损坏和
老化、零件的腐蚀损坏
汽车零件修复方法
1.修理尺寸法的修理尺寸是如何确定的？
定义：修复配合副中的一个零件，通过机械加工恢复其正确的几何形状，并获得新的尺寸（修理尺寸），然后选配相应尺寸的配合件。
2.焊接修理法为哪些方法？ 简述之。
定义：用热量熔化金属，修补或
接合零件的方法。分钎焊、气焊、电焊、气体保护焊等。
1.气焊修理法
指用可燃气体与氧气燃烧产生的火焰熔化金属进行焊接的方法。
2.钎焊修理法
指被焊金属不熔化，焊剂熔化把被焊零件接合起来的方法。
3.电焊修理法：
用电弧焊熔化金属进行焊接。
3.按金属熔化方法不同，金属喷涂可分为哪几种？
喷涂修理法：
金属喷涂是把熔化了的金属，用高速气流喷涂在已经准备好的零件表面上。
用乙炔的气喷涂
用电弧的电喷涂
用高频电流的高频电喷涂
用等离子电弧的等离子喷涂 4.喷焊与喷涂有何不同？简述其工艺过程。
喷焊定义:喷焊是用高速气流将由氧、乙炔火焰自熔性 合金粉末，喷涂到工件表面。并再经过一次重熔处理，形成一层薄而平整呈焊合状态的喷焊层。它可使工件表面具有耐磨、耐蚀、耐热及抗氧化。
区别：焊层与基材的结合不同于喷涂，它是冶金结合，其结合强度在6～6.3MPa之间。
由于喷焊层具有较高的结合强度和良好的耐磨性，目前广泛用于修复阀门、气门、键轴、凸轮等零件。
工艺过程 1. 喷前处理 2. 喷焊 3. 喷后处理及加工 5.说明粘接修理法的特点。
定义：用有机或无机粘接剂修复零件、损伤件的方法。
特点：工艺简单，设备少，成本低，不会引起零件变形和金属组织的变化。强度低，适应性差． 6.如何选择零件的修复方法？
对于零件的修复方法很多，用那种最好、最合理，要考虑三方面问题： 1）生产上的可能性； 2）质量上的可靠性； 3）经济上的合理性 7.机加工法有 修理尺寸法、附加零件修理理法
8.加热校正利用金属的 热胀冷缩 性质． 第四章
汽车维护基础
1.汽车维修思想有哪几类？
定义：汽车维修思想是指组织实施车辆维修工作的指导方针和政策，是人们对维修目的、对象、维修活动的总认识。
分类： 1. 预防为主的维修思想 2. 以可靠性为中心的维修思想
2.维修制度的主要内容有哪些？ 日常维护：属日常性作业，由驾驶员负责执行，其作业中心内容是：清洁、补给和安全检视。 一级维护：用于定期强制性维护作业，由专业修理工负责执行，其作业中心内容除日常维护作业外，以清洁、润滑、紧固为主，并检查有关制动、操纵等安全部件。 二级维护：属于定期强制性维护作业，由专业修理工负责执行，其作业中心内容除一级维护作业外，以检查、调整为中心，并1
拆检轮胎，进行轮胎换位。同时车辆二级维护前应进行检测诊断和技术评定，根据结果，确定附加作业或小修项目，结合二级维护一并进行。
3.汽车维护周期是如何确定的？其基本原则是什么？
汽车维护周期的确定直接影响汽车
维护费和寿命周期费用。
回归概率法是按照汽车技术状况参
数的变化规律和允许极限值来确定维护周期的方法
按照汽车单位行驶里程维修费用最
4.汽车维护有哪三种方式 定期维护、按需维护、事后维修
5.汽车维护工艺作业分--------------和--------------两种形式.
汽车修理工艺
1.为什么发动机的拆卸必须在冷却的状态下进行?
勿热机拆卸 发动机分解一般在冷却状态下进行,否则由于材料热胀时强度下降,因受力不均会导致缸盖部分塑性变形.装复时无法再与缸体相密合而漏气.
2.汽车修理零件分为三种?
零件检验分类是通过技术鉴定，根据零件的技术状况，分为可用零件、需修零件和不可用零件。 3.有那些汽车零件的检验方法?
4.影响汽车总成装配精度的因素有那些?
部件或零件材料性质的变化
零部件几何尺寸的变化
部件相互位置公差的变化
部件或总成装配系统中装配尺
寸链各环公差带分配关系的变
化等 5.汽车修理工艺过程有___,____.
6.清除积炭的方法有 机械清除法、化学清除
法、熔盐清除法 积炭的生成原理 积炭是燃料、润滑油在高温作用下的氧
化产物。在燃烧室中由于燃烧不完全，未燃烧的燃料和窜入燃烧室的润滑油以及燃烧的残留物混合在一起，在氧和高温作用下形成
一种稠的胶状液体―羟 基酸。羟基酸进一步氧化就变成一种半流体树脂状的胶质粘附在
发动机零件上。高温的作用，又使胶质聚合
成更复杂的聚合物，形成一种硬质胶结炭，
俗称积炭。 积炭的危害
降低零件的导热能力，使发动机过热并会形成炽热点，引起可燃混合器先期燃烧，破坏发动机正常工作。
汽车维修质量管理（貌似不考！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！） 1．什么叫质量？主要内容有哪些？
质量定义:反映实体满足明确和隐含需要的能力的特性总和。(JB/T6583-ISO8402)
质量的内容：产品质量:使用性能，是指产品适合一定用途,满足人们需要所具备的自然属性或特性。 工作质量是指企业为保证提高产品质量,所
采取的管理水平和完善程度. 服务质量满足人们精神需求方面的特性。
2．说明PDCA循环的八个步骤？
１）分析现状，找出质量问题．２）分析质
量问题产生的原因． ３）找出影响质量的主要原因．４）制定对
５）执行计划，落实措施．６）检查效果，核对比较． ７）巩固成果，将成果标准化．８）找出遗
留问题，转入下一循环 3．质量分析常用的方法？
４．汽车大修后主要性能指标有哪些？ ５．决定影响产品质量的因素有__，__，__，
__，__，___. 第七章
汽车发动机维修
1.发动机大修前的主要检测项目有哪些？
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汽车维修工程复习题一、填空题 1. 汽车可靠性的四要素是汽车产品、_规定条件,规定时间,规 定功能_。 2. 根据失效率随时间变化规律, 汽车零部件失效可分为_...6页 免费 汽车维修工程复习资料(必考... 7页 免费 汽车服务工程复习题完整版 9页 1财富值 汽车维修工程复习题08 11页 免费 汽车维修工程试题 34页 5财富值...汽车维修工程总复习题第一章 汽车可靠性理论基础 1、可靠性的基本概念,研究可靠性的必要性。 2、可靠性的评价指标及数学表达式(可靠度、失效概率、失效概率 密度...汽车维修工程复习题与答案_从业资格考试_资格考试/认证_教育专区。汽车维修工程复习题第一章 汽车可靠性理论基础 修度、 1、可靠性的基本概念,研究可靠性的必要...汽车维修工程总复习题 暂无评价0人阅读0次下载举报文档 公路快速运输毕业论文...汽车维修工程期末复习题 一、名词解释可靠性定义:汽车在规定的使用条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力 可靠度:汽车在规定的使用条件下和规定的时间内,完成...汽车维修工程复习题(汽运)_工学_高等教育_教育专区。CHD汽车运用工程CHD 专用 鸣谢 Simon 整理 汽车维修工程总复习题 第一章 汽车可靠性理论基础 1、可靠性的...2.可靠性的四要素: a.产品:整车、部件、零件 b.规定条件:环境条件(气候、道路) ; 运行条件(载荷性质、种类、行驶速度) ; 维修条件(维修方式、水平、制度) c...汽车维修工程总复习题第一章 汽车可靠性理论基础 1、可靠性的基本概念,研究可靠性的必要性。 2、可靠性的评价指标及数学表达式(可靠度、失效概率、失效概率密度...扫二维码下载作业帮
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零件常见的失效形式有那几种
浮生若梦丶瞘
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磨损、疲劳断裂、腐蚀、过量变形、老化 你说的都是.但是我看到的另一种表述为：整体断裂、塑性变形、表面损伤、弹性变形过量、功能失效.
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扫描下载二维码管壳式换热器零部件的失效形式及预防措施
换热器是一种实现物料之间热量传递的节能设备,是在石油、化工、医药、冶金、电力、制冷、纺织、食品等行业普遍应用的一种工艺设备,其主要作用是维持或改变物料的工作温度和相态,满足工艺操作要求,提高过程能量利用效率进行余热回收。在炼油、化工装置中换热器占总设备数量和设备投资的40%左右。换热器的用途很广泛,可用于各种不同的换热过程,如加热、冷却、冷凝和蒸发等。常用的换热器按设备的结构可分为两大类,即板片式换热器和管壳式换热器。这两种换热器用量非常大,占总量的99%以上,其原理是热介质通过金属或非金属将热量传递给冷介质的传热设备。其中管壳式换热器具有结构坚固、制造简便、操作弹性大、可靠程度高、使用材料范围广等优点,是目前应用最为广泛的一种换热器。1管壳式换热器结构管壳式换热器由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成(见图1)。壳体多为圆筒形,内部装有管束,管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体,一种在管内流动,称为管程...&
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1概述传热是化工生产最基本的单元操作,换热器运行是否正常、效果是否良好,对化工生产装置的长周期稳定运行起着至关重要的作用。因此,如何确保换热器的制作质量,强化其设备制作的过程控制,是换热器生产厂家应重视的重要课题。换热器按其作用原理分为混合式换热器、蓄热式换热器、间壁式换热器。在化工生产中用量最大的是间壁式换热器,其主要结构形式可分为管壳式换热器、夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、板片式换热器等。管壳式换热器因其结构坚固、适应性强、制造工艺成熟等优点成为化工生产过程中的主要换热设备。但由于管板与换热管的焊接接头较多,并且受壳程与管程存在压差和温差、介质腐蚀性和介质流动磨蚀等因素的影响,管板与换热管焊接处极易泄漏,导致换热器壳程与管程的介质混合,换热器运行达不到运行效果。为更好地保证管壳式换热器的制作质量,避免或减少泄漏现象的发生,根据笔者多年来从事换热器制作的经验,结合换热器制作的相关标准要求,认为可从以下几个方面做好重...&
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0引言在工程实践中,经常会遇到管壳式换热器维修改造问题。管箱、壳体、外头盖、浮头盖都可更换,但一般更换管束。有材料结构都按设备原样的;有结构不变要更换材料的;也有既更换材料还改变结构的。根据管壳式换热器常用结构分别加以叙述,限定条件为设计参数不变。1固定管板式换热器固定管板式换热器的维修,既有单独管箱,又有带壳体管束。维修的基本原则是:当材料不发生变化时,尽可能依据原图样尺寸(如果用户可以提供)并辅以现场测量,以实际测量尺寸为准;当变更材料时,应保证两管板密封面间的尺寸保持不变,再保证密封面到管口、支座的尺寸与原设备一致,管口、支座的伸出高度最好以设备中心线标出,并与原设备保持一致,避免由于材料的变化(也包括由于标准更新因素)而导致与原尺寸差异。管箱或者带壳体管束的材料变化,一般不会影响相关的尺寸链。2 U形管式换热器U形管式换热器维修比较简单,既可按设备材料进行,也可用更耐腐蚀材料制作管板、换热管。值得注意的是,如选择奥氏体不...&
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1前言换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备。换热器种类繁多,管壳式换热器因制造容易,生产成本低,选材范围广,清洗方便,适应性强,处理量大,工作可靠,且能适应高温高压而被广泛使用。然而管壳式换热器设计涉及很多参数的选取,如参数选择不当,必然影响换热器使用,造成材料浪费,运行成本增加,甚至造成装置无法正常运行。因此,针对管壳式换热器设计过程中的要点,分别阐述如下:2管壳式换热器设计要点2.1工艺参数设计换热器必须提供的工艺参数:(1)两侧流体的流量和进出温度。一般工艺物料的进出温度由工艺流程确定,变化不大;换热器用冷却水作冷却剂时,确定冷却水出口温度时应注意以下几点:冷却水的出口温度不宜高于60℃,以免结垢严重;高温端温差不应小于20℃,低温端不应小于5℃;当采用多管程、单壳程的管壳式换热器,冷却水的出口温度不应高于工艺物流的出口温度。另外,在冷却或者冷凝工艺物流时,冷却剂的入口温度应高...&
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管壳式换热器它适用于冷却、冷凝、加热、蒸发及废热回收等各个方面[1]。根据安放位置不同可以分为立式和卧式的固定管板式、浮头式、U形管式等5种型式。黄铜管-管壳式换热器作为管壳式换热器,因为黄铜管导热性和塑性好及黄铜管高的耐腐蚀,广泛应用于电力、化工等行业。然而,目前我国只有钢制的管壳式换热器设计标准GB 151-99《钢制管壳式换热器》,目前还没有关于黄铜管换热器的设计标准。国外对此类换热器的设计也很少有具体规范和要求。下面就有关黄铜管换热器设计过程中遇到的一些问题进行分析和讨论,选择黄铜管牌号为HSn70-1,执行标准GB/T 。黄铜管换热器与普通碳钢管壳式一样,都可以利用SW6软件对主要受压元件(封头、筒体、管板及开孔补强)进行强度计算,在选材上不同的是换热管选用海军黄铜管,牌号为HSn70-1,规格为Φ16×2,半硬态交货,换热管煨制成U形。折流板采用单弓形式,2管程。在结构设计时与普通碳钢管壳式换热器不...&
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1前言设计方法粗糙、设计精度低是传统管壳式换热器制造成本和运行成本过大的原因之一[1]。国外对管壳式换热器设计的研究已经取得了显著成果,其中影响最大的是HTRI和HTFS两家公司,但出于商业机密原因,设计方法一直没有公开。在管壳式换热器发展的几十年中,设计的重点和难点在于壳程流体流动与传热具有复杂性和不确定性,结果难以准确预测,所以准确计算壳程传热膜系数和压降成为管壳式换热器设计的一个重要研究对象[2]。目前公开的设计方法结果都不很理想,其中Bell法是应用最为广泛,也是计算相对最准确的设计方法[3],这种方法把换热器作为一个整体来考虑,但未能涉及到换热器内部的温度场和随温度场变化的一系列参数,尤其是温度变化较大时,流体物性参数的影响会很大[4,5],这也是换热器设计不确定性的主要原因,基于上述问题,本文采用分段设计方法,将换热器按照管壳程结构划分成有限个单元,分别进行设计计算,有效减小换热器设计误差。随着计算机的发展,工业设计...&
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对不起，该专栏作者的状态无效。第2章 失效分析基础知识_甜梦文库
第2章 失效分析基础知识
§2 失效分析基础知识材 料 知 识 力 学 知 识失效 分析化学知识1§2 失效分析基础知识§ 2.1 机械零件失效形式与来源 § 2.2 应力集中与零件失效 § 2.3 残余应力与零件失效 § 2.4 材料的韧性与断裂设计 § 2.5 应力分析与失效分析2§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.1 失效的主要形式及其原因序号 失效类型 失效形式a. 扭曲（如花键） b. 拉长（如紧固件） c. 胀大超限（如液压活塞缸体） d. 高低温下的蠕变（如动力机械） e. 弹性元件发生永久变形 一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）直接原因由于在一定载荷条件下发生 过量变形，零件失去应有功能不能 正常使用。 由于载荷或应力强度超过当 时材料的承载能力而引起。 由于环境介质、应力共同作 用引起的低应力脆断。 由于周期（交变）作用力引起 的低应力破坏。 由于两物体接触表面在接触 应力下有相对运动造成材料流失所 引起的一种失效形式。 环境气氛的化学和电化学作 用引起。1过量变形 失效2断裂失效环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态 金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等） 疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯 曲、扭转、接触、拉-拉、拉-压、复合载 荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。 磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤 （发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨 损和磨粒磨损。 腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀， 磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。 23表面损伤 失效3§ 2.1 机械零件失效形式与来源 变形（弹性变形、塑性变形、高温变 蠕变极限? ,? ; 持久强度? ? ,? ? ,? E ? 形） 断裂（韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂）e T v? /tTT t碳化、氧化工作介质表面质量 ? ，抗疲劳断裂能力 ?腐蚀（金属尘化、工业用水腐蚀、均匀腐 蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐 蚀、 氢腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳） 四级标准 磨损（磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、微 动磨损、其他磨损（腐蚀磨损、疲劳磨
4 损））● 拉伸-位移曲线上的特征线与特征点 OeA线:弹性变形阶段 AC线: 屈服变形阶段AC线 CB线: 塑性变形阶段 Bk线：失稳断裂阶段Bk线 e点： 弹性应力点 A点： 屈服应力最大点A点 C点： 屈服变形结束点 B点： 最大应力点B点 k点: 断裂点5§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.1 失效的主要形式及其原因断裂失效的分类 失效分析工作者通常从致断原因（断裂机理或断裂模式）的 角度出发将机械零件的断裂失效分为下述几种类型： （1）过载断裂失效； （2）疲劳断裂失效； （3）材料脆性断裂失效； （4）环境诱发断裂失效； （5）混合断裂失效。6§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.2 失效的来源引起零件早期时效的原因是很多的，主要有以 下几方面： 1、设计与选材上的问题； 2、加工、热处理或材质上的问题； 3、装配上的问题； 4、使用、操作和维护不当的问题。 据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工 方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失 效分析和设计制造中都应引起足够重视。 7§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.2 失效的来源1、设计问题（1）在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等； （2）应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的零件，所承受的 载荷性质、大小缺少足够的资料易引起计算方面的错误。 （3）设计判据不正确。由于对产品的服役条件了解不够，设计判 据的选用错误造成失效的事例也时有发生。2、材料选择上的缺点（1）选材的判据有误 （2）材料中的缺陷 8§ 2.1 机械零件失效形式与来源枝晶间的缩孔锻件中的空洞9§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.2 失效的来源3、加工制造及装配中存在的问题 加工方法不正确，技术要求不合理及操作者失误也是 引起设备过早失效的重要原因。 热处理不当也是常见的失效原因之一。 常见的有过热、回火不充分，加热速度过快及热处理 方法选用不合理等。热处理过程中的氧化脱碳、变形开 裂、晶粒粗大及材料的性能未达到规定要求等时有发生。 酸洗及电镀时引起对材料的充氢而导致的氢致损伤也 是常见的失效形式。 不文明施工，不按要求安装等容易造成零件表面损伤
10 或导致 残余应力、附加应力等，都可以引起零件的早期失效。§ 2.1 机械零件失效形式与来源§ 2.1.2 失效的来源4、不合理的服役条件 不合理的起动和停车、超速、过载服役、温 度超过允许值、流速波动超出规定范围以及 异常介质的引入都可能成为设备过早失效的 根源。11材料的力学性能是指在外力和环境等因素共同作 用下抵抗变形和断裂的能力。主要性能指标有：图2-5 材料的主要力学性能指标 12塑性材料和脆性材料力学性能比较塑性材料延伸率 δ & 5% 断裂前有很大塑性变形 抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工脆性材料延伸率 δ & 5% 断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件 的改变而改变 13§ 2.1.3 金属构件常见失效形式简介（补充）失效形式：变形、断裂、表面损伤（腐蚀和磨损）等 学习内容：失效条件、特征及防护措施 抗拉强度或 2.1.3.1 变形失效回顾强度极限一、弹性变形失效 1. 弹性变形虎克定律：σ＝E?ε E―弹性模量； 比例极限 钢：约2×105MPa； 弹性极限 铝：约0.7×105MPa；DE段为缩 颈断裂阶段屈服点142. 弹性变形的特点 ① 可逆性 ② 单值性(线性) ③ 变形量很小153. 弹性变形的物理本质 外力引起原子间距的变化，即位 移，在宏观上就是所谓弹性变 形。将原子间作用力与原子间距 近似看成线性关系，就是所谓的 胡克定律。164. 弹性模量的技术意义（1）刚度 工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料在外载荷 下抵抗弹性变形的能力。在机械设计中，有时刚度是第一位的。 精密机床的主轴如果不具有足够的刚度，就不能保证零件的加工 精度。若汽车拖拉机中的曲轴弯曲刚度不足，就会影响活塞、连 杆及轴承等重要零件的正常工作；若扭转刚度不足，则可能会产 生强烈的扭转振动。曲轴的结构和尺寸常常由刚度决定，然后作 强度校核。通常由刚度决定的尺寸远大于按强度计算的尺寸。所 以，曲轴只有在个别情况下，才从轴颈到曲柄的过渡园角处发生 断裂，这一般是制造工艺不当所致。 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而 材料的成分和组织对它的影响不大，所以说它是一个对组织不敏 感的性能指标，这是弹性模量在性能上的主要特点。改变材料的 成分和组织会对材料的强度(如屈服强度、抗拉强度)有显著影 响，但对材料的刚度影响不大。 17（2） 弹性比功体积越大吸收的弹性变形功越多可见要提高弹性性能的方法 ① 提高材料的弹性极限； ② 降低弹性模量。185. 滞弹性这表明材料卸载时释放的能量小于加载时消耗于金属的变形功，有一部 分能量被材料所吸收，称为金属的“循环韧性”或“内耗”。循环韧性大的材 料适合于做机床床身、飞机的螺旋桨和汽轮机的叶片等部件，相反对于 追求音响效果的原件如音叉、钟、簧片等应该选用循环韧性小的材料。 196. 包申格效应207. 弹性变形失效 （1） 过量的弹性变形失效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。（2） 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。 217. 弹性变形失效例1故障一：主要是材料的刚度不足，改进措施是：更 换弹性模量高的材料；改变材料的截面形状尺寸； 故障二：主要是材料的弹性极限偏低，改进措施 有：更换弹性极限高的材料；对材料进行适当的热 处理。228 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。 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。23二、塑性变形失效 A ? A1 L1 ? L 1. 塑性变形 ? 100 ?? ? 100 ? ? A L材料中的应力超过屈服极限后产生显著的不可逆变形。 材料塑性好坏的衡量指标：伸长率δ、断面收缩率ψ（1）单晶体（Monocrystal）的塑性变形（滑移和孪生）24二、塑性变形失效1. 塑性变形（1）单晶体的塑性变形（滑移和孪生）25二、塑性变形失效1. 塑性变形 （2）多晶体（Polycrystal）的塑性变形（滑移和孪生） 1）各晶粒(Grain)塑性变形的不同时性和不均匀性 2）各晶粒(Grain)塑性变形的相互制约与协调26二、塑性变形失效1. 塑性变形 （3）形变强化27二、塑性变形失效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283. 塑性变形失效塑性变形失效：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29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； 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。 30三、高温变形失效 在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮 机、柴油机、化工炼油设备以及航空发 动机中，很多机件是长期在高温条件下 工作的。对于这些机件的性能要求，就 不能以常温下的力学性能来衡量，因为 材料在高温条件下的力学性能明显地不 同于常温。31图 3-5 过热管蠕变变形及胀裂 32三、高温变形失效高温：高于0.3 Tm ( Tm是以绝对温度表示的金属材料的熔点)，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。减速 恒速 加速图3-4 典型的蠕变曲线33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：这是为保证在高温长时间载荷作用下机件不致 产生过量塑性变形的抗力指标。比如蒸汽轮机叶片高温时如 发生过量蠕变，汽轮机转子将不能在定子中正常运行。材料 蠕变极限中所指定的温度和时间，一般由机件的具体服役条 件而定。341) 材料抗蠕变好坏的衡量指标：蠕变极限和持久强度b.持久强度352)提高蠕变极限和持久强度的主要途径增加位错移动的阻力； 抑制晶界的滑动； 抑制空穴的扩散。362.1.3.2 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。 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。 37断裂要素的统一1) 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。 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)。 38一、断裂失效的分类正断 切断(韧性)应力类型疲劳断裂其 它环境断裂沿晶断裂 穿晶断裂 混晶断裂裂 纹 途 径断 裂 失 效微观 机理变 形 程 度脆性断裂 韧性断裂 混合断裂解理 断裂韧窝 断裂结合力 弱化断裂疲劳 断裂蠕变 断裂39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 401. 韧性断裂特征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。41图3-9 韧性断裂宏观形貌422. 产生原因及防止措施韧性断裂的原因多是各种影响因素造成的材料强度不 足，如构件受到较大的载荷或过载、局部应力集中等。 ① 设计时充分考虑构件的承载能力，尽可能使塑性变形不要 发展为断裂； 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。 43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，)； 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； 5) 一般沿低指数晶面穿晶解理断裂。 解理是金属在正应力的作用下沿解理面发生的一种低能断 裂。绝大多数解理面是原子密排面。 44表 3-2 常见纯金属的解理面 金属 α-Fe Mg Zn Ti Bi Sb 晶系 体心立方 密排六方 密排六方 密排六方 菱形 菱形 解理面 {100} {0001} {0001} {0001} {111} {111}452. 脆性断裂的影响因素 1) 应力状态与缺口效应应力状态指构件内应力的类型、分布、大小和方向。 最大切应力促进塑性滑移的发展，它对形变和断裂的 发生及发展过程都产生影响；最大拉伸应力只促进脆性裂 纹的扩展。 σmax／τmax 越大，脆性断裂可能性越大；三向拉伸 应力状态下， σmax／τmax 最大，极易导致脆性断裂。 构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀 痕、尖锐缺口尖端处极易造成三向拉伸应力状态，这是造 成金属构件在静态低负荷下产生脆性断裂的重要原因。 462) 温 度温度是造成工程构件脆性断裂的重要因素之一。 低温下，材料韧性降低，脆性断裂的可能性大大增加。3) 尺寸效应随着钢板厚度的增加，脆性转变 温度升高，钢材的缺口脆性增加。4) 焊接质量 5) 工作介质 6) 材料和组织因素 474. 预防脆性断裂的途径传统强度设计不包含脆性强度概念，没有考虑温度、加载 速度、构件尺寸效应、三向应力状态等引起脆性断裂的因素， 构件的脆性断裂是不能避免的。 1) 防脆性断裂的合理结构设计：应考虑材料的断裂韧性水 平、构件的最低工作温度和应力状态、承受的裁荷类型(交 变载荷、冲击载荷等)以及环境腐蚀介质； 2) 构件的最低工作温度应高于材料的脆性转变温度； 3) 以断裂力学观点选材，除强度外，还应保证足够的韧性； 4) 设计和生产中，要避免应力集中； 5) 采用正确的焊接方法和合理的焊接工艺，保证焊接质量。 48四、疲劳断裂四 疲劳断裂疲劳的分类低周疲劳 腐蚀疲劳 交变 频率 高温疲劳 微振疲劳 接触疲劳 环 境 拉压疲劳 载 荷 弯曲疲劳 扭转疲劳 混合疲劳 高应力疲劳高周疲劳 拉伸疲劳疲劳应力 大小低应力疲劳491. 疲劳断裂的现象及特征1) 载荷是交变负荷。50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。514) 过程包括疲劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段。★疲劳裂纹的萌生 疲劳裂纹都是由不均匀的局部滑移和显微开裂引起的， 主要方式有表面滑移带形成，第二相、夹杂物或其界面开 裂，晶界或亚晶界开裂及各类冶金缺陷，工艺缺陷等。图3-29 滑移带中产生的 “挤入”及“挤出”示意 52★疲劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断 裂交替作用的复杂过程，通常有切向扩展和正向扩展两个阶 段。(a) 疲劳裂纹扩展示意图(b) 螺栓实际使用中的疲劳裂纹53图3-30 疲劳裂纹扩展的两个阶段5) 即使是塑性良好的合金钢 或铝合金，疲劳断裂构件 断口附近通常也观察不到 宏观的塑性变形。(a) 疲 劳 断 裂(b) 静 拉 伸 断 裂图3-31 软钢断裂试样 54负荷类型、应力集中程度和负荷大小对疲劳断口形态的影响552. 影响疲劳断裂的因素及其改善途径1) 构件表面状态3 改善途径凡是制造工艺过 程中产生预生裂纹(如 淬火裂纹)、尖锐缺口 (如表面粗糙度不符合 要求，有加工刀痕等) 和任何削弱表面强度 的弊病(如表面氧化、 脱碳等)都将严重地影 响构件的疲劳寿命。 材料的强度越 高，表面状态对疲劳 的影响越大。 56粗糙度对不同材料抗拉强度钢材疲劳强度的影响 疲劳强度的变化(%) 表面状态 σs =480MPa σs =960MPa σs =1400MPa抛光 超级精磨加工 精磨 粗磨 铣削 100 95 93 90 70 100 93 90 80 50 100 90 88 70 35构件表面脱碳对静强度影响不大，但是严重地影响过载 疲劳寿命，特别是在过载不很高的情况下(在σs以下)影响尤 其严重。提高表面质量是提高构件疲劳抗力的重要途径！ 572) 缺口效应与应力集中 构件包含有缺口、螺 纹、孔洞、台阶以及与其相 类似的表面几何形状，也可 能有刀痕、机械划伤等表面 缺陷，这些部位使表面应力 提高和形成应力集中区，且 往往成为疲劳断裂的起源。图3-43 缺口附近的应力分布58应力峰引起疲劳断裂的可能 性特别大。在低应力疲劳中应力 峰的存在 , 使屈服局部化 , 往往 是极为有害的。 材料的应力水平越高，缺 口对疲劳强度的削弱越大。 用高强度钢制造的构件应 当特别注意缺口对疲劳强度的 削弱作用。图3-44 尖锐缺口对疲劳强度的影响设计中应尽量避免应力集中，制造工艺要确保缺口 质量，有缺口的构件应避免选用缺口敏感的材料。 593) 残余应力工程构件在制造时不可避免地产生一定程度的残余应力。 残余应力的危害取决于其方向，当残余应力与施加应力反 向时，残余应力是有益的，反之则是有害的。 构件表面的残余拉应力对疲劳极为不利；表面残余压应力 对疲劳大有好处。表面淬火、渗碳和氮化等表面热处理，喷丸、 表面滚压、冷拔、挤压和抛光等机械加工, 都产生 有利的残余压应力。 工程上常用这些方法提高构件的疲劳抗力。 604) 材料的成分和组织在各类工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。 在结构钢中，疲劳强度随着含碳量增加而增高，钼、 铬和镍等也有相似的效应 。 低周疲劳，多数金属的疲劳寿命与晶粒大小无关； 高周疲劳，晶粒尺寸减小可增加疲劳寿命，但减小晶粒 会增加钢材对缺口的敏感性。 质量均匀、无表面缺陷或内在连续性缺陷的材料组织抗 疲劳性能好。 减少夹杂物的数量、减小夹杂物的尺寸和改善夹杂物的形 状都能有效提高疲劳强度。(如采用真空冶炼和真空浇注等) 615) 工作条件构件服役的环境条件对疲劳断裂也有很大影响。其中载 荷频率、次载锻炼、间歇运行以及服役环境的温度及介质情 况都是主要的。① 载荷频率的影响载荷频率在一定范围 内可以提高疲劳强度。62② 次载锻炼的影响低于疲劳极限的应力叫次载。金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数之后， 可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。 这是由于应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的 结果。 影响次载锻炼效果的因素：次载应力水平越接近疲劳 极限，其锻炼效果越明显；次载锻炼的循环周次越长，其 锻炼效果越好，但达到一定循环周次后效果就不再提高。次载锻炼效应的应用： 构件安装好后，先空载或低载运行一段时间，既可对机器起跑合作用，也可提高构件的 疲劳强度，延长疲劳寿命。 63③ 间歇运行的影响非连续(有间歇)疲劳极限 和连续疲劳极限有差别。 加载应力低于并接近疲 劳极限时，间歇加载提高疲 劳效果比较明显，而间歇过 载加载对疲劳寿命不但无 益，甚至还会降低疲劳强 度。 间歇加载提高疲劳强度和寿命有一个最佳间歇时间，其 长短和加载应力大小有关。间歇加载提高疲劳强度的规律， 可用以指导制订机器运行操作规程和检验规程。 64④ 温度对疲劳强度的影响一般是温度降低疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。 一般，具有高蠕变强度的 材料，其疲劳强度也高。⑤ 腐蚀环境介质的影响构件表面的蚀坑、微裂纹 等缺陷会加速疲劳源萌生而促 进腐蚀疲劳。 652.1.3.3 腐 蚀 失 效★ 经济损失十分惊人 中国：￥12000亿/年， 占3%GDP ★ 阻碍新技术新工艺的发展★ 涉及一切领域和行业 在化工、石油化工、轻工 能源、交通等行业严重， 60%的失效与腐蚀有关。66一、 腐 蚀 分 类工业介质腐蚀 自然环境腐蚀 土壤腐蚀 大气腐蚀 海水腐蚀 磨损腐蚀 腐蚀疲劳 空泡腐蚀 应力腐蚀 局部 腐蚀环 境 机 理一 腐蚀分类67化学腐蚀 电化学腐蚀 物理腐蚀 全面 腐蚀腐蚀形 态晶间腐蚀 孔腐蚀 电偶腐蚀 缝隙腐蚀 选择腐蚀 氢腐蚀68金属尘化： 一些金属(如铁、镍、钻及其合金)在高温碳环境(碳氢、碳氧气体)下碎化为由金属碳化物、氧化物、 金属和碳等组成的混合物而导致金属损失的行为。由于金 属尘化通常与金属材料的渗碳有关，而且腐蚀速度较快， 故又叫灾难性渗碳腐蚀。 很多过程装备都可能发生金属尘化腐蚀：脱氢装置、各 种加热炉、裂解炉、热处理炉、煤气转化气化设备、甚至燃 气涡轮发动机等。工业用水腐蚀：工业用水包括冷却水、锅炉用水及其他工业用水，占全球用水量的60％～80％ ；工业水对金属装 备及其构件的腐蚀是一个弱腐蚀体系，如果对防腐不予以足 够的重视，仍会造成资源、能源、材料的浪费，而且常常威 胁着正常的安全生产和产品质量。69 部分工业介质的腐蚀类型、特征及预防措施 腐蚀类型 酸碱盐腐蚀 腐蚀特征 全面腐蚀, 腐蚀率高 常用预防措施 合理选材, 防腐技术 水处理, 电化学保护技术选择低碳及含Cr、 Mo的低合金钢,孔蚀、缝隙腐蚀、 工业冷却水腐蚀 垢下腐蚀、冲刷腐蚀 氢腐蚀 硫化氢腐蚀 甲烷聚集开裂 全面腐蚀, 氢致开裂, 硫化物应力腐蚀合理选材, 降低构件应力二、 均 匀 腐 蚀二 均匀腐蚀70控制及预防方法 1) 选择耐均匀腐蚀的材料； 2) 表面覆盖层保护； 3) 电化学保护； 4) 改变环境的成分、浓度、 pH值及温度，或添加防腐 剂改善环境； 5) 在设计寿命范围内，预留足 够的腐蚀裕量。图3-50 不锈钢湿态腐蚀形态 实例中各类腐蚀形式的比例71金属材料耐均匀腐蚀的四级标准耐蚀性评定 耐蚀性等级 腐蚀深度/mm?y－1 应 用优秀 良好 可用 不可用(腐蚀严重)1 2 3 4＜0.05 0.05～0.5 0.5～1.0 ＞1.0很关键构件 关键构件 一般构件 无三、孔 蚀三 孔蚀72在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为孔蚀(或点 蚀)。孔蚀是一种以小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集 中的局部腐蚀形式。 工程金属材料对孔蚀都是敏感的，易钝化的金属在有活性 离子与氧化剂共存的条件下，更易发生孔蚀。1. 孔蚀的特征1) 腐蚀的蚀孔小，蚀孔出现在朝上表面，很少出现在朝下 表面，蚀孔具有向深处自动加速的作用； 2) 孔蚀一般出现在构件表面局部区域，或分散或密集； 3) 孔蚀伴有轻或中度全面腐蚀时，腐蚀产物常遮盖住孔 蚀；73 4) 孔蚀的形成经历了一个诱导期，但长短不一； 5) 孔蚀易成为应力腐蚀开裂或腐蚀疲劳的裂纹源； 6) 在给定的金属-介质体系中，存在特定的阳极极化电位 门槛值，高于此电位则发生孔蚀，此电位称为孔蚀电位 或击穿电位。2. 孔蚀的形貌 ★ 表面形状开口孔：出现于碳钢、低合合钢等耐蚀性较差的金属材料 闭口孔：出现于不锈钢等耐蚀性较好的金属材料74图3-52 换热器壳体表面点腐蚀的实物照片图3-53 不锈钢在不同条件氯化物水溶液中浸泡后的点蚀孔剖面形貌75★ 浅孔蚀与深孔蚀浅孔蚀：腐蚀的区域相对较大，且蚀孔较浅。 深孔蚀：腐蚀的区域相对较小，且蚀孔较深。孔蚀严重程度用 “孔蚀因子”来表 示。图3-54 孔蚀因子 = P／d p --最深孔蚀处的深度 d --重量损失求得的减薄厚度3. 孔蚀的影响因素1) 构件的材料成分、组织、冶金质量、表面状态① 钝化金属材料孔蚀敏感性较高，如铬镍奥氏体不锈钢； →钼、铬、镍、氮等合金元素能提高不锈钢抗点蚀的能 力， 硫、碳等元素会降低不锈钢的抗点蚀能力。 ② 有害元素及各种偏析、夹杂物等缺陷容易引发孔蚀； →提高钢的冶金质量有利于提高抗点蚀能力。 ③ 在相当于碳化物析出的温度下热处理，点腐蚀数目增多； → 固溶处理可提高抗点蚀能力。 ④ 粗糙表面要比光滑的表面容易引发孔蚀。76772) 环境条件 介质成分、浓度、pH值、温度、流动状态等①含氯离子溶液易引起孔蚀，尤其是含有氧化性金属阳离子时； 在含Cl－溶液中，加入起缓蚀 作用的SO4 －2、ClO4－、NO－3 和 OH－，可降低不锈钢的点蚀倾 向。78② 在碱性介质中，升高pH值 可提高抗孔蚀能力； 在酸性介质中，pH的影响 不明显 ；79 ③ 升高温度一般使孔蚀倾向 增加 ；在温度高于100℃ 时，没有侵蚀性阴离子 时，也产生孔蚀，如碳钢 在纯水中。 ④ 静止介质比流动介质容易 引发孔蚀；对溶液进行搅 拌、循环或通气都有利于 减轻孔蚀。5. 孔蚀的预防措施1) 材料方面的措施① 提高材料的质量等级： 如优质钢或高级优质钢； ② 选用耐点蚀性能良好的金属材料：相不锈钢、高纯铁素 体不锈钢、钛和钛合金； ③ 对材料进行合理的热处理：即固溶处理； ④ 保持膜的完整性： 对构件钝化处理或阳极氧化处理，避 免任何天然的和外加的保护膜层的破裂。80812) 改善使用环境的措施① 降低环境的侵蚀性，包括对酸度、温度、氧化剂和卤素离 子的控制，要避免卤素离子尤其是氯离子的局部浓缩； ② 提高溶液的流速或搅拌溶液，使溶液中的氧及氧化剂的浓 度均匀化，避免不动，防止有害物质附着在构件表面上； ③ 定期进行清洗，使构件表面保持洁净； ④ 介质中添加缓蚀剂； ⑤ 采取阴极保护，使构件的电位低于临界点蚀电位。四、缝隙腐蚀 1. 定义四 缝隙腐 蚀82缝隙腐蚀 指当金属与金属或非金属之间存在很小的缝 隙(0.025～0.1mm)时, 缝内介质不易流动而形成滞留状态, 促使缝隙内的金属加速腐蚀的现象。2. 形成条件1) 存在缝隙缝隙在工程结构中普遍存在： a. 设计不合理造成的缝隙； b. 设计上难以避免的缝隙: 铆接板的接合面、螺纹连接、螺 母压紧面、法兰垫片接合面、设备底板与基础的接触面 等； c. 泥沙、污垢、灰尘等沉积在金属表面上, 也会形成缝隙。832) 大多数金属都会缝隙腐蚀, 易钝化金属材料对缝隙 腐蚀更敏感； 3) 几乎所有腐蚀介质(包括淡水)都能引起缝隙腐蚀， 尤以充气的含活性阴离子的中性介质最易发生。843. 缝隙腐蚀的防止1) 结构设计上避免形成缝隙和能造成表面沉积 的几何构形； 2) 结构设计时尽量避免积液和死区, 防止浓差 腐蚀或溶液浓缩引起的腐蚀； 3) 选用耐缝隙腐蚀材料, 如采用高铝铬镍不锈 钢和哈氏合金等； 4) 阴极保护。85图3-60 结构和沉积物缝隙引起构件表面缝隙腐蚀的实物照片五 、晶 间 腐 蚀晶间腐蚀 指构件金属材料的晶界及其邻近部位优先受到 腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻微的一种局部腐蚀。 不锈钢的晶间腐蚀比普通碳钢及低合金钢严重。五 晶间腐蚀861. 晶间腐蚀的特征① 腐蚀只沿着金属的晶粒边界及其邻近区域狭窄部位无规 则取向扩展； ② 晶界及其邻近区域被腐蚀，而晶粒本身不腐蚀或腐蚀很 轻微，或整个晶粒可能因其晶界被破坏而脱落； ③ 腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱，严重时使构件完全丧 失力学强度和韧性。 ④ 晶间腐蚀敏感性通常与构件成形热加工有关。 ⑤ 构件在服役或检修期间不容易被发现或检测出晶间腐蚀， 晶间腐蚀导致的失效很危险。2. 晶间腐蚀的机理及影响因素1) 机 理晶间腐蚀是由于晶界原子排列较为混乱，缺陷多，晶界 容易吸附S、P、Si等元素及晶界容易产生碳化物、硫化物、 σ相等析出物。这就导致晶界与晶粒本体化学成分及组织的 差异，在适宜的环境介质中可形成腐蚀原电池，晶界为阳 极，晶粒为阴极，因而晶界被优先腐蚀溶解。87晶间腐蚀产生的两个基本因素：内因---晶粒与晶界的化学成分及组织的差异 外因---介质能显示晶粒与晶界的电化学性质差异882) 影响晶间腐蚀的因素 ★ 材料成分C↑，晶间腐蚀↓; Cr、Mo↑, 晶间腐蚀↓； Ti 、Nb↑, 晶间腐蚀↓。★ 加热温度和时间图3-64 晶间腐蚀与温度、时间的关系89★ 环境介质的影响奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的介质条件举例 油田 14% 尿素熔融物 介质 海水 硝酸铵 醋酸丁酯 (高、中压) 污水 硫酸 温度/℃ 环境 环境 88 101 257 高温3. 晶间腐蚀的预防 1) 2) 3) 4) 降低钢中的碳含量； 进行固溶处理和稳定化处理； 在钢中加入适量的稳定化元素； 选用奥氏体-铁素体双相不锈钢。六、 电 偶 腐 蚀六 电偶腐蚀90电偶腐蚀 指异种金属彼此接触或通过其它导 体连通, 处于同一介质中, 造成接触部位的局部腐蚀, 其中电位较低的金属溶解速度增大, 电位较高的金属 溶解速度反而减小的现象。 电偶腐蚀又叫接触腐蚀 或双金属腐蚀。 电偶腐蚀电池是宏观腐蚀电池。 机械设备、工程结构等都是由电极电位不同 的材料组合而成的，因此电偶腐蚀是难免的。1.电偶腐蚀现象铜阀与钢管的连接 ? ? ? ? ? ?91不锈钢管与碳钢管板的连接；铜换热管与碳钢管板的连接；图3-65 在含H2S的醇胺液中不锈 钢管与碳钢连接的电偶腐蚀2.电偶腐蚀的倾向电偶序 指根据金属或合金在某腐蚀环境下测得 的稳定电位(腐蚀电位)的相对大小而排成的顺序 表。如金属在海水和土壤中的电偶序。 电偶腐蚀倾向a. 电偶序表中上下位置相隔越远的两种金属配对时，在 腐蚀环境中，阳极腐蚀越严重； b. 位于同一行的同组金属配对时，其腐蚀倾向可忽略； c. 电偶序只能判断金属腐蚀倾向，不能确定腐蚀速度。923.电偶腐蚀的影响因素1) 材料的起始电位差与极化作用 2) 阴阳极的面积比 小阳极大阴极的结构很危险！ 3) 介质电导率 介质的电导率高，腐蚀的有效距离大，如海水可达几 十厘米，而蒸馏水只有几厘米。934.电偶腐蚀的预防1) 选择电偶序中尽可能靠近的金属组合，两种金属在某介质 中的电位差＜50 mV，电偶腐蚀的倾向性可忽略； 2) 尽量避免小阳极大阴极的结构； 3) 无法避免小阳极大阴极的电偶腐蚀，则小阳极的构件要设 计成可更换的，没有介质塞积区的结构； 4) 在两金属间通过使用涂层、加入非金属垫片等来绝缘或断 开回路，保证在服役中不发生金属间的接触； 5) 保护涂层是抗腐蚀最常用的方法，如果只能涂两种金属中 的一种，则涂在阴极金属表面上； 6) 用缓蚀剂减少环境的侵蚀性或控制阴极或阳极反应速率； 7) 采用牺牲阳极的阴极保护。94七、 氢 腐 蚀氢腐蚀 钢材受高温高压的氢气作用而变脆甚至破裂的现象。 石化、化工设备, 氢腐蚀较普遍，有时很严重。七氢腐蚀951.氢腐蚀的特点1) 是不可逆的； 2) 氢腐蚀程度可用构件脱碳层深度或材料断面收缩率损失 来衡量。 3) 经历孕育和快速腐蚀阶段：氢脆阶段 → 氢侵蚀阶 段；2.影响氢腐蚀的因素 1) 温度和压力 温度的影响比压力大。 2) 钢的成分 1. 含碳量越高，孕育期缩短，越易产生氢腐蚀； 2. 钢中加入Ti、V、Nb、Zr、Mo、W、Cr等可显 著提高抗氢腐蚀能力。 3) 热处理与组织 1. 球化组织、淬硬组织、组织或应力不均匀、夹杂 物及其他缺陷等都降低钢的抗氢腐蚀性能。963.氢腐蚀的预防a. 加入强碳化物形成元素(Cr、Mo、W、V、Nb、Ti等)；97含0.16%C的铬钢抗氢腐蚀性能(PH2 =30Mpa 影线区为产生氢腐蚀的区域)b. 采用微碳或超低碳钢材。八、应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂(SCC) 金属材料在静拉伸应力和特定的腐蚀介质协同作用下，出现的低于其强度极限的脆性开裂现象。八 应力腐蚀开 裂981.SCC发生的条件图3-67 应力腐蚀开裂(SCC)发生的条件99 发生SCC必须同时满足材料、应力、环境三者的特定条件。1) 材料金属高纯越高，发生SCC 的敏感性越低; 低碳钢、低合金钢、奥氏 体不锈钢、高强铝合金及 黄铜等易发生SCC； 抗SCC能力：双相不锈钢 ＞铁素体不锈钢＞奥氏体 不锈钢 小晶粒抗SCC比大晶粒 好。图3-68 黄铜晶粒大小对各种不同的外加 应力条件下在氨气中的断裂时间的影响02) 应力应力特点：静应力，拉应力，应力低于σs 。 应力来源： 工作应力、热应力、残余应力(冷/热加工和焊接) 及缝隙中锈蚀产物的楔入应力等。 应力越大发生SCC的时间越短。 应力集中更易产生SCC裂纹源、并加速裂纹的扩展。 断裂力学认为：金属材料发生SCC，存在一个应力强度门槛 值KⅠSCC，( 即材料抗SCC的临界应力强度因子 )。3) 环境应力腐蚀只发生在特定的腐蚀介质中。2.SCC的机理及过程从腐蚀、电化学、金属物理、力学等方面已对SCC做了 大量研究。但目前尚无一个统一的理论。 已有理论：电化学阳极溶解理论、氢脆理沦、膜破裂理论、 化学脆化-机械破裂两阶段理论、应力吸附破裂理论 ? ? ? 共同点：在裂纹的发展和断裂上认为SCC与化学因素及力学 因素密切相关。 局限性：都只能解释部分实验现象。13. SCC的预防分析因素(环境、应力和冶金)→找出有害因素→消除它 重 点：控制环境条件和消除应力 1) 控制和降低应力, 使最大应力或应力强度低于临界应力值 2) 合理设计与加工→减少局部应力集中 参阅“过程设备设计”、“过程设备制造与检验”、“机械制 造技术基础”等课程和相关技术规范中内容。 3) 消除残余应力或改善组织以降低对SCC的敏感性 去应力退火，尤其是焊接件要及时进行。 合理的热处理方法和规范，减少或消除对SCC敏感的组织。 ? 合理选材 4) 其 它 方 法 ? 去除介质中有害成分 ? 添加缓蚀剂的办法防止SCC ? 用阴极保护减缓或阻止SCC2八、 腐 蚀 疲 劳腐蚀疲劳：金属材料在交变载荷及腐蚀介质的共同作用下所发生的腐蚀失效现象。 发生腐蚀疲劳的金属构件的应力水平或疲劳寿命纯 机械疲劳要低得多。3九 腐蚀疲劳1.腐蚀疲劳的特点①腐蚀促进疲劳裂纹的萌生与扩展，而载荷交变又加速 腐蚀使疲劳裂纹更快扩展。 ②腐蚀疲劳对环境介质没有特定的限制，但交变应力和 腐蚀介质必须同时协同作用，才能产生腐蚀疲劳。 ③腐蚀疲劳不存在疲劳极限。 ④腐蚀疲劳与交变载荷的特性有密切关系。腐蚀疲劳与交变裁荷的频率、应力比及载荷波形有密切的关系，其中 交变载荷频率的影响最显著。交变载荷频率越低，腐蚀的影响越大。42.腐蚀疲劳的预防 1) 合理选用材料：选择强度较低的材料；选择耐点 蚀、耐SCC的金属材料。 2) 降低构件应力：通过改进结构，降低应力；避免尖 锐缺口，减少应力集中；采用消除残余应力的热处 理及采用喷丸等使构件表层产生残余压应力。 3) 减少腐蚀：如涂镀层、添加缓蚀剂、电化学保护 等。2.1.3.4 磨损失效§3.4 磨损失效 一 磨损分类5磨 损：相互接触并作相对运动的物体由于机 械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及 分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的 过程。 一、 磨损的分类 常按磨损机理划分为： 磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损 微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损二、磨料磨损1.定义和分类二 磨料磨损6磨料磨损：指硬的磨(颗)粒或硬的凸出物(非金属的或金属的)在与摩擦表面相互接触运动过程中，使材料表面损耗的一 种现象或过程。 划伤式磨损 自由磨 料磨损 固定磨 料磨损 碾碎式磨损作用力 相 对 运 动凿削式磨损 硬磨料 磨 损 软磨料 磨 损磨料 磨损表面数量硬 度三体磨损二体磨损三、粘着磨损1.定义和分类7三 粘着磨损粘着磨损：相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着， 使材料从一个表面转移到另一表面的现象。粘着磨损又叫咬 合(胶合)磨损或摩擦磨损。 粘着磨损分为涂抹、擦伤、撕脱和咬死四种类型(见表3-10)。2.常见粘着磨损及其特征机床的导轨、蜗轮与蜗杆、机床的分度蜗轮、缸体和缸 套-活塞环、曲颈和轴瓦、凸轮-挺杆等。8 实际工况中，多种磨损作用同时发生，如氧化磨损与 粘着磨损，磨料磨损与粘着磨损，接触疲劳与粘着磨损， 或氧化磨损、粘着磨损与磨料磨损 ? ? ? ? ? ?粘着磨损特征①表面有细的划痕和有交替的裂口、凹穴； ②磨损产物多为片状或小颗粒； ③摩擦副间有金属转移，表层金相组织和化学成分变化明 显。3.影响粘着磨损的因素 1) 材料特性a. 密排六方结构的材料粘着倾向小，面心立方金属粘 着倾向大于其它点阵金属。 b. 细晶粒抗粘着倾向优于粗晶粒；多相合金比单相合 金粘着倾向小；片状珠光体抗粘着性能优于粒状珠 光体，同样硬度下，贝氏体优于马氏体。金属组织 的连续性和性能的均一性不利于抗粘着磨损。 c. 互活性大的材料组成的摩擦副粘着倾向大，反之粘 着倾向小。 d. 硬度的影响比较复杂。902) 工作环境①压力 相对运动速度一定时，粘着磨损量随法向力增大而 增加。当表面接触压应力超过材料硬度的1/3时，粘着磨损 量急增，严重时会发生咬死。 ②温度 在临界速度Vk前，↑温度有利于抗粘着磨损；超过 临界速度Vk后， ↑温度使粘着磨损增加。 ③滑动速度 随滑动速度的增加，磨损机制可能发生由粘着 磨损向氧化磨损的变化。四、 冲蚀磨损四 冲蚀磨损11.定义和分类 冲蚀磨损(浸蚀磨损)：是指流体或固体以松散的小颗粒(＜1000μm)按一定的速度(＜550 m/s)和角度对材料表而进 行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别冲蚀磨损对材料表面的破坏主要是机械力作用，腐蚀只是 第二位的因素； 腐蚀磨损则是在腐蚀介质中摩擦副的磨损，是腐蚀和磨损 综合作用的结果。22.影响冲蚀磨损的因素 冲蚀粒子、攻角、速度、时间、环境温度、靶材五、微动磨损五 微动磨损31.定义和分类微动磨损 两个配合表面之间由一微小振幅的相对振动所 引起的表面损伤，包括材料损失、表面形貌变化、表面或亚表 层塑性交形或出现裂纹等。 分 类 定 义 危 害 1. 接触处产生微裂纹； 2. 造成配合面松动。 1. 造成表面粗糙； 2. 磨屑增大运动或振动 阻力，甚至咬死。构件原设计的两物体接触 第一类 面是静止 , 因受到振动或 微动磨损 交变应力作用而产生的微 动磨损。 运动副在停止运转时，因 第二类 环境振动产生的微振磨 微动磨损 损。42.常见微动磨损轴承、压配合、榫槽配合、铆接、钢丝缆 (绳)、热交换器和压力管元件。53.微动磨损的诊断①是否存在可引起微动的振动源或交变应力； ( 机械作用、电磁作用、噪声、冷热循环及流体运动 ) ②是否存在破坏的表面形貌； ( 表面租糙度的变化、方向一致的划痕、塑性变形或硬 结斑、硬度或结构变化、表面或亚表层的微裂纹等 ) ③磨屑是重要的依据。 ( 各种材料的磨屑的组成、颜色、形状 )六、其它磨损1.腐蚀磨损六 其它磨损6两物体表面产生摩擦时，工作环境中的介质(如液体、气 体或者润滑剂等)与材料表面起化学反应或电化学反应，形成 腐蚀产物，产物粘附不牢，在摩擦过程中剥落下来，新的表 面又继续与介质发生反应。这种腐蚀和磨损的反复过程称为 腐蚀磨损。 均匀腐蚀条件下的磨损 电 化 学 腐蚀磨损腐 蚀 磨 损局部腐蚀条件下的磨损 氧化磨损 脆性氧化膜的氧化磨损 韧性氧化膜的氧化磨损 特殊介质腐蚀磨损化学腐 蚀磨损72.疲劳磨损 疲劳磨损 两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度时，在表层将引发裂纹并逐步 扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。疲劳磨损与整体疲劳的区别1) 裂纹源与裂纹扩展不同：整体疲劳的裂纹源都是起始于表 面，疲劳磨损裂纹除源于表面外，还源于亚表面内，且只 限于在表面层内扩展； 2) 疲劳寿命不同：整体疲劳一般有一个明显的疲劳极限，而 疲劳磨损无明显的疲劳极限； 3) 所处环境的不同：疲劳磨损还经受复杂的摩擦过程，表面 层有物理化学变化以及各种力学性能与物理性能变化等。七、提高耐磨性的途径七 提高耐磨性的途 径8提高构件表面的强度(或硬度)和韧性，一般可望提高耐磨性。 磨损类型 1. 粘着磨损 2. 1. 2. 提高耐磨性的途径 改善摩擦副的润滑条件； 表面处理，如渗硫、渗磷、渗氮等。低应力磨损时，提高表面硬度； 高应力磨损时，提高表面强硬性，使组织 为下贝氏体； 磨粒磨损 3. 改善材料中析出相的数量、分布和形态； 4. 钢中有适量的残余奥氏体或适当提高钢中 碳化物的数量。§ 2.2 应力集中与零件失效§ 2.2.1 应力集中与应力集中系数应力集中：零件截面有急剧变化，引起局部地区的应力 高于受力体的平均应力。 应力集中处往往是构件破坏的起始点，应力集中是引起 构件破坏的主要因素。 应力集中系数：表示应力集中程度大小的系数。 构件中产生应力集中的原因主要有：(1) 截面的急剧变化。如：构件中的油孔、键槽、缺口、台阶等。 (2) 受集中力作用。如：齿轮轮齿之间的接触点，火车车轮与钢轨的接触点。 (3) 材料本身的不连续性。如材料中的夹杂、气孔等。 (4) 构件中由于装配、焊接、冷加工、磨削等而产生的裂纹。 (5) 构件在制造或装配过程中，由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接等而引起的残 余应力。这些残余应力叠加上工作应力后，有可能出现较大的应力集中。 (6) 构件在加工或运输中的意外碰伤和刮痕。 119 5§ 2.2 应力集中与零件失效§ 2.2.1 应力集中与应力集中系数? ? 缺口位置和大小? ? 影响因素 材料种类 ? ? 载荷性质 ? 零件结构? max 2a ? 1? Kt ? ? 平均 b椭圆孔比圆孔 Kt值小由于椭圆孔难以加工，因此，工程上 常简单地用两个圆弧来代替椭圆孔。? max a Kt ? ?1? 2 ( a ?? ? ) ? 平均 ?椭圆孔长轴顶 端的曲率半径曲率半径小的尖角处Kt大，将尖角改 为圆角，或流线形变化的截面能有效 120 5 地缓和应力集中程度§ 2.2 应力集中与零件失效121 5§ 2.2 应力集中与零件失效裂纹类型张开型（I型）滑开型（II型）撕开型（III型）1957年，美国Irwin在Griffith理论基础上，推导出裂纹尖端 附近的应力场
122§ 2.2 应力集中与零件失效§ 2.2.1 应力集中与应力集中系数承受均布拉应力q时裂隙附 近任意点的应力分布：以裂隙端点B为原点的极坐标：? z ? a ? r cos ? ? ir sin ? ? ? y ? r sin ?r远小于a，将上式按r/a的升幂次展开，只保留随r的减小而 增大的主项，略去其中的次项? 2a ? cos ?? y ? ? z ? q ? r 2 ? 2a 3? 3? ? ? ?
? ? ? ? 2i? sin cos (sin ? i cos ) y z xy ? q ? r 2 2 2 2 ?123 5§ 2.2 应力集中与零件失效? ?? x ? q ? ? ? ?? y ? q ? ? ?? xy ? q ? ? a ? ? 3? cos ( 1 ? sin sin ) 2r 2 2 2 a 3? ? ? cos ( 1 ? sin sin ) 2r 2 2 2a 3? ? ? sin cos cos 2r 2 2 2 K I ? q ? （I型应力强度因子） a上式表明拉应力与1/ r成比例，即r ? 0，? x，? y，? xy ? ?KI a ? =0，其应力? x =? y =q = 在裂纹线上， ，? xy =0
124 5 2r 2? r在裂纹上，? =0， KI a 其应力? x =? y =q = ，? xy =0 2r 2? rIrwin进一步指出：当脆性材料有裂纹时，裂纹尖 端附近就会存在应力奇异场，这时材料的断裂并不是 由应力大小来决定的，而是由裂纹尖端附近的应力强 度因子KI来控制，这就很好地解释了为什么许多高强 度材料在外加应力远低于材料的抗拉强度下便发生脆 性 断 裂 的 原 因 ， 从 而 开 创 了 断 裂 力 学 (fracture mechanics)新学科。 125§ 2.2 应力集中与零件失效承受剪应力q时裂隙附近任意点的应力分：? a ? ? 3? sin ( 2 ? cos cos ) ?? x ? ? q 2r 2 2 2 ? ? ? ? a 3? ? sin cos cos ?? y ? q 2r 2 2 2 ? z ? a ? r cos ? ? ir sin ? ? ? ? ? ? a 3? ? ? z ? a ? r cos ? ir sin ? cos ( 1 ? sin sin ) ?? xy ? q 2r 2 2 2 ? ? 上式表明剪应力与1/ r成比例，即r ? 0，? x，? y，? xy ? ?iz ? q Re ? ? 2 ? ? ? y z ? z2 ? a2 ? ? 2 2 2 ?? ? ? ? 2i? ? q Re ia z ? iz( 2 z ? 3a ) y z xy ? ( z 2 ? a 2 )3 / 2 ?KI a ? =0，其应力? x =? y =0，? xy =q = 在裂纹线上，
126 2r 2? r§ 2.2 应力集中与零件失效机械零件发生疲劳破坏时，缺口件的疲劳强 度应按应力集中系数的倍数下降。 疲劳时的有效应力集中系数：? -1 光滑试件的疲劳极限 Kf = = 缺口试件的疲劳极限 （? -1） k（K f ） 复合 =（K f）（ 缺口 K f） 划痕 127§ 2.2 应力集中与零件失效不同试样的应力集中系数应力集中系数（Kt） 形状 应力集中类型 载荷类型 集中特性 t / r 5板材 细小的单边或双边切口 rH ≤0.1mm 细小的环形外部切口或内部 小空腔 rH ≤ 0.1mm 拉伸或压缩 拉伸 棒材 弯曲 扭转 外部切口 内部切口 拉伸或弯曲 扭转 5.5 3.5-4.0 2.7-2.8 3.0 1.6 3.5-4.0 3.0107.5 4.5-5.0 3.5 4.0 2.0 4.5-5.0 4.0 128管材内部或外部的细小环形切口 rH ≤ 0.1mm§ 2.2 应力集中与零件失效§ 2.2.2 应力集中对零件失效的影响1、材料的缺口敏感性缺口试样的抗拉 强度应力集中对零件失效的影响，在一定程度 上与材料的缺口敏感性有关。缺口导致应 力状态的变化和应力集中，有使材料变脆 的趋向。引入： ? NbNSR ??b光滑试样的抗拉 强度(1)NSR&1，缺口处发生了塑性变形的扩展，比值越大说 明塑性变形扩展量越大，脆化倾向越小。 (2)NSR&1，缺口处还未发生明显塑性变形就脆断，表示
129 缺口敏感。§ 2.2 应力集中与零件失效2、影响应力集中与断裂失效的因素 （1）材料力学性能的影响 材料硬度越高，脆性越大，塑性韧 性越低，应力集中作用越强烈，其裂纹 扩展速率也越高。 （2）零件几何形状的影响 （3）零件应力状态的影响 （4）加工缺陷的影响 （5）装配、检验产生缺陷的影响 130§ 2.2 应力集中与零件失效（2）零件几何形状的影响零件在应力集中处产生 零件在应力集中处产生疲劳裂纹示意图淬火裂纹示意图(1)用圆角代替尖角。将尖角改为圆角，能有效地缓和应力 集中程度。一般来讲，圆角的曲率半径在可能的范围内愈 大愈好。 (2) 采用流线形或抛物线形的表面过渡。有时圆角并不对 应于最小的应力集中，如果采用流线形变化的截面，效果 会更好。为了缩短流线形表面的变化长度，可以采用抛物 线形表面过渡。 (3) 用椭圆孔代替圆孔。在保证构件正常工作的情况下， 如果将圆孔改为椭圆孔，往往能提高构件的强度。 131§ 2.2 应力集中与零件失效§ 2.2.3 降低应力集中系数的措施1 采取局部强化以提高应力集中处的材料疲劳强度（1）表面处理强化――获得软的心部，硬的表层，表层存在残余压应力 （2）薄壳淬火――形成表面薄的淬硬层，其内存在残余压应力 （3）喷丸强化――是表层强化产生大的残余压应力，降低应力集中 （4）滚压强化――零件表面形变强化并产生残余压应力2 从设计方面降低应力集中系数（1）变截面部位的过渡，加大圆角或改变方式 （2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位 （3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔132§ 2.2 应力集中与零件失效（2）根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位1 d? B 5(1) 将应力集中因素选在构件 中应力低的部位。例如，对于 图所示的纯弯梁，应尽量避免 将圆孔设置在弯曲应力较大的 截面边缘（图a），而应将其 移到中性轴附近（图 b）。 K t ? 2 .5K t ? 3. 1K t ? 3 .8(2) 使应力集中因素尽量远离构件的边 界。当应力集中的位置位于构件的边界 附近时，由于孔与边界相互干涉，会加 剧应力集中的程度。133§ 2.2 应力集中与零件失效（3）在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔使应力的流线 和缓，降低最 大应力峰值 在应力集中区附近的低 应力部位加开卸载槽134§ 2.2 应力集中与零件失效适当选择应力集中因素的方向 当受力构件中有椭圆孔、方孔、矩形孔、沟槽时，随着应力集中因 素方向的改变应力集中系数将有很大的差异a : b ?1: 4Kt ? 1 ?2a ? 1.5 bK t ? 5 .7K t ? 9 .0135§ 2.3 残余应力与零件失效§ 2.3.1 残余应力内应力：物体在无外载荷时，存在于其 内部并保持平衡的一种应力。 宏观应力，即残余应力；3类内应力：残余压应力有益；残余拉 应力有害（1）存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的 应力，尺寸在0.1mm以上。 （2）晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力 （3）原子尺度范围保持平衡的应力：晶体内的不均匀 残余应力，位错引起的不均匀变形应力。 内应力产生的根本原因？ 136§ 2.3 残余应力与零件失效§ 2.3.2 残余应力的产生1.热处理残余应力 是热应力和组织应力的叠加。脱碳层形成残余拉应力 2.表面化学热处理引起的残余应力 渗碳，渗氮后表层为残余压应力 3.焊接残余应力 4.铸造残余应力 5.电镀引起的残余应力 6.切削加工残余应力焊接是较容易产生残余应力的材料成型方式。在焊缝及热影响 区由于焊接的热应力，组织应力和拘束应力共同作用产生复 杂的残余应力场。 焊接应力形成原因： a.直接应力：不均匀加热的结果。 b.间接应力：焊前材料加工残留的应力叠加在焊接应力中。c.组织应力：尤其是热影响区的组织变化引起的组织应力。137§ 2.3 残余应力与零件失效1.热处理残余应力由于表层开始温度低 于心部，收缩也大于 心部而使心部受拉， 当冷却结束时，由于 心部最后冷却体积收 缩不能自由进行而使 表层受压心部受拉热应力分布――不同温度 冷却初期 冷却后期处的膨胀量不同（工件表 层受压而心部受拉）组织应力分布――不同组表面发生相变心部发生相变织的比容（单位质量的 物质所占有的容积，即 密度的倒数）不同，工 件各部位先后形变，体 积长大不一致（表层受 拉心部受压）138§ 2.3 残余应力与零件失效1.热处理残余应力热处理淬火残余应力类型 K――表层，R――心部139800 § 2.3 残余应力与零件失效800 600 400600 400 心部轴向 200 残 0 余 应 -200 力 ， -400 MP -600 中 a 心 -800 -10001. 热 处 理 残 余 应 力200 残余 0 应 力， -200 MPa -400 -600 -800 - 0心部周向表面轴向表面周向200 400 600 800 1000 试 样 直 径 ， mm周向 轴向 径向表 面- 100 150 200 轧 辊 径 向 尺寸， mm火焰淬火残余应力分布（热应力 为主-表面是残余压应力）材料：0.97%C 硬化深度：2.4～2.8mm 轧辊淬火残余应力 （组织应力――表 面是残余拉应力）140§ 2.3 残余应力与零件失效2. 表面化学热处理引起的残余应力 渗碳，渗氮后表层的残余应力为压应力状态 0400 200 残余 0 应 力， -200 MPa -400 -600 -800 100 80-200 残 -400 余 应 -600 力 ， -800 MP -1000 a -.10.20.30.40.5 距 表 面 深 度 ， mm?D=0.8mm ?60 40 截 面 积， mm2周向 轴向 径向 20 0（D表示有效渗碳层深度）氮化层残余应力分布渗碳层残余应力分布141§ 2.3 残余应力与零件失效3. 焊接残余应力a 400 300 200 s,MP 100 0 -100 -200 -60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 Distance to center,mm 400σx σy?在焊缝及其附近由 于焊接的热应力、组 织应力和拘束应力共 同作用而产生。 ?一般在焊缝中心平 行于焊缝方向上有较 大的残余拉应力 300 200 s,MP a 100 0 -100 -200 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Distance to center,mmσx σy3040142§ 2.3 残余应力与零件失效5. 涂镀层引起的残余应力――基体金属上逐层沉积上去的镀覆部分的残余应力金属 电镀溶液 应力（MPa）影响因素 有电镀层 的特性、 基体金 属、电解 液以及操 作工艺CrNiCu Co Zn Zd Pb铬酸―硫酸 50°C 铬酸―硫酸 65°C 铬酸―硫酸 85°C 光亮镀镍用液纯净 光亮镀镍用液+杂质 光亮镀镍用液+糖精 酒石酸钾钠―氰化物 酒石酸钾钠―氰化物+硫氰酸钾 硫酸盐 酸 氰化物 过氯酸盐107 255 432 107 225 19 61 -28 315～630 -56 ～ 12 -8 -31143§ 2.3 残余应力与零件失效5. 涂镀层引起的残余应力表面处于 压应力， 亚表面处 于拉应 力，呈现 正弦变化 见2 ； 功率增 加，试样 表面融 化，强化 层处于拉 应力，近 似呈正弦 函数分 布，见 1 激光强化层的残余应力沿层深的分布 (a)σy―层深分布曲线 (b)σx―层深分布曲线 1-1500W，25mm/s 2-1000W，25mm/s144§ 2.3 残余应力与零件失效5. 涂镀层引起的残余应力颗粒温 度升高 残余应 力增 大；颗 粒飞行 速度增 大残余 应力减 小高速氧燃气喷涂残余应 力与涂 层厚度 成线性 关系喷涂工艺方法对NiCrSi 涂层残余应力的影响火焰喷涂涂层内残余 应力与其厚度的关系145§ 2.3 残余应力与零件失效6.切削加工残余应力――加工过程中与工具接触部分附近产生塑形变形和接触热效应，表层产生残余拉应力800300 200 B C D400 残 余 应 0 力 ， MP-400 a -800 0.05 0.10 0.15 0.20 深度 ， mm 砂轮太硬时的磨削应力残余100 应 力， MPa 0 -100 -200 -300 0.000.050.10 0.15 深度 ， mm铣加工表面残余应力 B―侧刃铣（低速） C―端面铣（低速） D―滚铣（高速）146§ 2.3 残余应力与零件失效7. 残余应力的测试方法 （1） 机械法（应力释放法）逐层剥除法 切割法 钻孔法机械测长法，电阻应变仪法，应用脆性涂料法，光弹覆膜法（2） 物理测定法X射线测定法――测定晶粒内的特定晶面的面间距发生的变化，求得应力。有照相法和计数管法。 磁性测定方法――铁磁体的磁化，受到晶体的各向异性、晶粒大小、合 金元素、夹杂物及应力的影响。残余应力对磁畴的旋转和唯一会产 生附加的阻力。（3） 其他脆性涂层 光学方法 奥氏体钢和黄铜氨熏试验（定性） 147§ 2.3 残余应力与零件失效§ 2.3.3 残余应力的影响1.残余应力对静强度 和变形的影响a）加载前的残余应力 b）加载后的残余应力 c）中央部分的应力-应变曲线 d）两侧部分的应力-应变曲线 e）整体部分的应力-应变曲线拉伸残余应力塑性材料――影响不大，或 没有影响 淬火回火――影响不可忽视16148§ 2.3 残余应力与零件失效2.残余应力对硬度的影响残余拉应力使硬度下降，残余压应力影响 较小。3.残余应力对疲劳的影响一般，当承受交变应力的构件存在残余压 应力时，构件的疲劳强度提高；当存在残 余拉应力时，构件的疲劳强度下降。4.对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响低温脆性和应力腐蚀开裂 149§ 2.3 残余应力与零件失效§ 2.3.4 消除和调整残余应力的方法1. 去应力退火 消除焊接、铸造、机加工残余应力最常用和有效 的方法 2.回火（200～400 ℃）或自然时效 （可降低残余应力30%） 淬火后按照不同硬度要求进行加热缓冷。 3.机械法 加静载――使有残余应力部位发生屈服，应力松弛。 加动载――振动法，主要用于铸件和焊件；锤击法， 主要用于焊接件。 火焰烘烤法――用于焊接件，可降低残余应力30% 150§ 2.3 残余应力与零件失效去应力退火的温度及保温时间金 属 材 料 种 类 温度°C 430～600 600～680 600～680 680～760 720～750 750～780 780～800 820 870 150 260 190 250 280～320 时间h 0.5～5 1 2 2～ 3 2 3 2 2 2 0.5 1 1 1 1～ 3 灰口铸铁 碳钢 Mo钢（C&0.2%） Mo钢（0.2%&C&0.35%） Cr―Mo钢（2%Cr，0.5%Mo） Cr―Mo钢（9%Cr，1%Mo） Cr不锈钢 Cr―Ni不锈钢（316） Cr―Ni不锈钢（310） 铜合金（Cu） 铜合金（80Cu―20Zn或70Cu―30Zn） 铜合金（60Cu―40Zn） 铜合金（64Cu―18Zn―18Ni） 镍和蒙乃尔合金（Ni64～69%―Cu26～32%少量Fe/Mn消除和调整残余应力的方法――去应力退火151§ 2.3 残余应力与零件失效1――无锤击作用； 2――600℃&T&1000 ℃ 3――300℃&T&650 ℃ 4――360℃&T&840 ℃360℃&T&840 ℃ 效果最好白口铸铁焊补试件不同锤击温区间锤击时上表 面残余应力的分布152§ 2.4 材料的韧性与断裂设计§ 2.4.1 低应力脆断及材料的韧性脆性断裂的共性特点： （1）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是 安全的 （2）脆断通常发生在比较低的工作温度下 （3）脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材 料的缺陷处 （4）厚截面、高应变速率促进脆断。 仅用强度、塑性、弹性性能指标不能反映抵抗脆断的能力 。提出韧性作为材料的新的性能指标。 153抗拉强度高 § 2.4 材料的韧性与断裂设计 于低碳钢韧性定义：材料从 变形到断裂全过程 中吸收能量的大 小，是强度和塑性 的综合表现。UT ? ? ? d?断裂时塑性远 154 低于低碳钢§ 2.4 材料的韧性与断裂设计某些金属构件是在冲击载荷下工 作，如锻锤、冲头等，故需要用 冲击韧性来评定材料抵抗冲击的 能力。 还有一些陶瓷、高分子 等材料在使用过程中会发生性能 劣化和损伤、材料变脆，也需要 用冲击韧性来评定。冲击韧度：冲击试样的断裂功作 为材料的韧性指标。 其物理含义是试样受冲击载荷作用时、单位横截 面上吸收功的大小。传统的一次摆锤冲击弯曲试验。金属材料的冲击韧性值一般高于100J/m2。155§ 2.4 材料的韧性与断裂设计冲击韧性在材料测试和工程实践 中应用比较广泛的是缺口冲 击实验。为了统一和对比， 人们对冲击实验的试样、冲 击方法等规范化，形成了标 准的冲击韧性实验方法和试 样标准。常用的冲击试样有 夏氏V型和梅氏U型缺口试 样，如图所示。用冲击试样 的 断 裂 功 AK （ J ） 或 ak（J/cm2）作为材料的韧性 指标。参考指标，可方便考 核材料韧性以及热加 工过程对材料韧性的 影响，但不能直接作 为设计中用于计算发 生脆断的载荷。夏氏适用于脆性材料，梅氏 18 适用于韧性材料156示波冲击法测定冲击韧性：采用夏比U型缺口和夏 比V型缺口冲击试样, 用 CIEM-30D 示 波 电 冲 击试验机进行室温冲 击试验, 测定不同回 火温度下的载荷一位 移（挠度）曲线和冲 击功。载荷曲线下的积分面积 计算值与实测的冲击韧
度值符合的很好。157§ 2.4 材料的韧性与断裂设计??脆性断裂总与构件使用温度有关 ??韧脆转变温度：当试验温度低于 TT 时，材料将转变为脆 性状态，吸收冲击功 明显下降，为冷脆现象。 ??设计时根据构件的工作温度来选取具有 合适脆化温度 TT 的材料。 ??强度条件并辅之以塑性，冲击值和韧 脆转变温度的设计方法，可在较大程度上 保证构件正常和可靠运行。 158§ 2.4 材料的韧性与断裂设计名义应力应力场强度因子：反映裂纹尖端区域应力场的强度。裂纹长度 的一半KI ? Y? a? ?，KI ?? KIC ,断裂Y-----裂纹体的几何因子系数，为无量纲的系数。Y=1-2。 由线弹性断裂力学给出裂纹尖端附近任意点P(r,θ)的各应力分量几何因子 (或形状因 子)，它是 和载荷无 关，而与 裂纹形 状、加载 方式及其 试样集合
形状有关 的量。? ?? x ? ? ? ?? y ? ? ? ?? xy ? ?KI ? ? 3? cos ( 1 ? sin sin ) 2 2 2 2? r KI 3? ? ? cos ( 1 ? sin sin ) 2 2 2 2? r KI 3? ? ? sin cos cos 2 2 2 2? r159§ 2.4 材料的韧性与断裂设计K IC 材料常数，反映材料的性能，在标准实验 下断裂韧度,对一种材料是定值。 则脆性断裂的安全判据： KI ? Y? a ? KICKI 与 KIC 的 关 系KⅠC反映了有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力,是强度和韧性的综合性 能指标,它测定方法参考GB4161。
160 KⅠC越大，其断裂韧性越好。 (简称K判据)某些工程用钢的屈服强度及其平面应变断裂韧度KⅠC σS／MPa KⅠC／MPa m 钢材牌号 试验温度／℃ 45 0 260 84～91 16MnR 360 130～149 室温 15MnVR 475～500 97～105 室温 40CrNiMo 1500 47 室温 1Cr18Ni9 －101 448 52 1Cr18Ni9 －196 848 25161§ 2.4 材料的韧性与断裂设计部分常见的应力场强度因子： 无限大板穿透裂纹KI ? ? ?a 162§ 2.4 材料的韧性与断裂设计有限大板穿透裂纹a KI ? ? a f ( ) bb163§ 2.4 材料的韧性与断裂设计有限宽板单边直裂纹a KI ? ? ?a f ( ) b2b ? a时： KI ?1.12? ?a164§ 2.4 材料的韧性与断裂设计受弯单边裂纹梁bM a KI ? f( ) h?a h b――梁的厚度165§ 2.4 材料的韧性与断裂设计无限大物体内部有椭 圆片裂纹，远处受均 匀拉伸在裂纹边缘上任一点的KI 为： a 2 cos ?) 2 ? c ?是第二类椭圆积分： KI ? (sin2 ? ?2 a ?? ? 2 (sin2 ? ? 2 cos2 ? )2 d? 0 c? ?a21 4?1166§ 2.4 材料的韧性与断裂设计无限大物体表面有半 椭圆裂纹，远处受均 匀拉伸A点的KI 为： KI ? 1.1? ?a [ ?2 ? 0.212( ? 1.1? ?a [Q]1 2? )] ?0.21 2 2?是第二类椭圆积分：2 a ?? ? 2 (sin2 ? ? 2 cos2 ? )2 d? 0 c?1σS屈 服强度167168§ 2.4 材料的韧性与断裂设计§ 2.3.2断裂韧性在结构设计 和失效分析中的应用KI ? Y? a ? KIC是结构断裂设计的依据结构设计应用例子一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo钢制造。其KIC与抗拉强 度σb关系如图所示。制造厂无损检测能发现裂纹长度在4mm以 上，设计工作应力为 σ d = σ b /2。 讨论：(1)工作应力σ d=750Mpa(MNm-2) 时，检测手段能否保证防止发生脆断？ (2)企图通过提高强度以减轻零件重量，若σ b提高到1900MPa是否合适？ (3)如果σ b提高到1900MPa ，则零件的允许工作应力是多少？169§ 2.4 材料的韧性与断裂设计解：设内部为半径为a的圆形裂纹则 K ? 2 ? I ? (1)选用钢材1， σ d = σ b /2 =750MPa， KIc 为66MPa?m1/2 ，计算得-3?aKI ? ?d ?a=KIC ? 662?2???d ? a=66KIC ? 3.14 2 66? 3.14 2 a=（ ） =（ ） =0.0mm 2??d 2?750?2a=6.08mm=12.16mm&4mm结论：裂纹在达临界尺寸前可检测，可防止发生脆断。170（2）通过热处理提高材料强度 σb = 1900MPa，则 KIC =34.5MPa?m1/2 ，K ? 3.14 2 34.5 2 a=（ IC =3.1（ 4 =0.0mm ） ） 2??d 2?950? 2a=2.08&4mm结论：临界裂纹长度小于可检测范 围，不能保证不发生脆断。 若改用钢材2，则可计算得2a约为2.78mm， 不满足要求； 若改用钢材3，则可计算得2a约为3.68mm， 不满足要求； 若改用钢材4，则可计算得2a约为4.35mm， 满足要求，可避免发生脆断。 171（3）在σb = 1900MPa时，对钢材1，在临界裂纹 2a=4mm时，其工作应力为?d ?? KIC ? ?2 aKI ? ?d ?a ? KIC ? 34.5234.5? ? = ? 684MPa 2 0.002同理对钢材2，3,4，在临界裂纹 2a=4mm时，其工作应力分别为? 40? ? ? 793MPa ?= ? 2 0.002 ? ? 46? ? ? 912MPa ?= ? 2 0.002 ? 50? ? ?= ? 991MPa ? ? 2 0.002KIC ? ? ?d ? 2 a不考虑韧性而片面提高材料强 度是不行的，有时还适得其 反，降低了构件的断裂抗力。 同时也应该注意检测手段对防 止脆断发生是很关键的。设 计、选材是，必须考虑临界裂 172 纹尺寸一定要大于检测设备探 伤的极限尺寸。KIC工程应用a. 解释低应力脆断失效的原因(材料存在裂纹缺陷，服役期 间，裂纹长大及失稳扩展)； b. 计算构件的最大裂纹容限，对构件做出安全评价； c. 根据裂纹尺寸，确定构件最大工作应力或最大允许载荷； d. 若能得出裂纹扩展速率，可计算构件的安全寿命，并制订 出合理的裂纹检测周期； e. 确立材料强韧化的设计思想，即高强度高韧性； f. 设计时选择KⅠC高的材料，或通过工艺处理提高其KⅠC 。173§ 2.5 应力分析与失效分析§ 2.5.1应力状态分析与强度理论1.材料的失效形式和应力状态应用应力状态的概念，材料的失效形式可分为： 脆断：断裂前无宏观塑性变形。例如铸铁拉伸、扭转时被拉断。剪断：沿最大剪应力发生的断裂。如铸铁在压缩和硬铝拉伸是大约沿45度方向剪断。屈服：经过一定的塑性变形后发生的断裂。如低碳钢拉伸扭转和压缩是都有很大的塑形变形。 2. 强度理论强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。 断裂失效有：最大拉应力理论、最大拉应变理论 屈服失效有：最大切应力理论、形状改变比能理论 174§ 2.5 应力分析与失效分析2. 强度理论名 称 基本假设 最大拉应力是引起材料 破坏的原因。 最大拉应变是引起材 料破坏的原因。 相当应力表达式 强度条件 应用范围 极脆材料（淬火钢、铸铁、陶瓷等）。 第一强度理论（最大 拉应力理论） 第二强度理论（最大 拉应变理论）σ Ⅰ=σ1σ Ⅰ≤[σ]三向拉应力状态。σ Ⅱ=σ1-γ(σ2+ σ σ 3) σ Ⅲ=σ2- σ3Ⅱ≤[σ]压、扭联合作用下的脆性材料。第三强度理论（最大 最大切应力是引起材料破 坏的原因。 切应力理论） 最大剪应力无疑是材料 屈服的主要原因，但其 他斜面上的切应力也有 影响， 所以应用统计平 均切应力。σ Ⅲ≤[σ] 同第四强度理论。塑性材料（低碳钢、非淬硬中碳钢、 退火球铁、铜、铝等）的单向或二向 应力状态。 任何材料在二向或三向压缩应力状态。第四强度理论 （统计 平均剪 应力理论）?IV ? { [(?1 ??2 )2 ?(?2 ??3 )2 ? (?3 ??1 ) ]}2 1/ 21 2σ Ⅳ≤[ σ]莫尔理论（修正后的 第三强度理论）在最大切应力的基 础上，应加正应力 的影响。?M ? ?1 ???3 ??拉伸强度极限 压缩强度极限σ M ≤[ σ]4拉压强度极限不等的脆性或低塑性材 料在二向应力状态（二向压缩除外） 的精确计算。175§ 2.5 应力分析与失效分析§ 2.5.2 单向拉（压）应力1.评定指标[σ]:许用应力 σ0:危险应力 n：安全系数 nb：以强度极限σb为基础 的安全系数 ns：以屈服极限σs为基础 的安全系数重型机械：n=3.5 ? 4.0；脆性材料：? ? [? ] ??0 ?bn ? nb塑性材料：? ? [? ] ??0 ?sn = ns一般机械（静载时）：ns =1.5 ? 2.0,nb =2.0 ? 5.0; 影响安全系数的因素： 万吨轮轴承：ns =2.5 ? 5.5； 1）材料化学成分的波动 起重设备中的吊钩：n=5. 2）加工制造中带来的损伤，热处理缺陷 3）使用过程中的负荷偏差 1762.提高材料强韧性能的措施 （1）承受拉应力时，确保零件淬透 （2）承受弯曲，扭转，弯扭复合应力，保证一 定淬硬 层，并保留心部较高的韧性。 （3）防止氧化、脱碳、过热、过烧 3.失效分析 （1）韧断 强度校核，检查安全系数。 分析材料组织状态，检查硬度，检查是否有脱碳、 淬火裂纹及心部是否淬硬等。 化学成分分析。 （2）脆断
177 断裂韧度检查，分析微裂纹对韧性的影响（应力集中）§ 2.5 应力分析与失效分析高强度螺栓，在加工制造过程中，不可避免 例 国产45Si2Mn 2.4 材料的韧性与断裂设计 地存在着深为a=0.5mm，半宽c=2.0mm的表面裂纹，其 工作应力为σ =960MPa。淬火并低温回火后材料的强度 σ b =2110MPa， σ s =1920MPa，KIC=39.50MPa×m1/2，在使用中发生脆断，试分析原因。分析一 按传统强度理论校核脆性材料：? ? [? ] ? 塑性材料：? ? [? ] ??0 ?b ?0 ?sn = ns n ? nb?b
nb ? = ? 960 ?s
ns ? = ? 960178重型机械：n=3.5 ? 4.0；万吨轮轴承：ns =2.5 ? 5.5；结论：应是安全的 。 一般机械（静载时）：ns =1.5 ? 2.0,nb =2.0 ? 5.0; 起重设备中的吊钩：n=5.19§ 2.5 应力}