理论教育 材料强度、断裂与失效分析

材料强度、断裂与失效分析

时间:2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:可以说,整个强度与断裂学科的发生与发展都是与失效分析紧密相连的。近代对材料学科的发展具有里程碑意义的“疲劳与疲劳极限”“氢脆与应力腐蚀”“断裂力学与断裂韧性”的提出都是在失效分析的促进下完成的。含有过量氢的金属材料,其强度指标并不降低,但材料的脆性大大增加了,故称为氢脆。此后,氢脆和应力腐蚀逐步发展成为材料断裂学科中另一重大领域而被广泛重视。

材料强度、断裂与失效分析

可以说,整个强度与断裂学科的发生与发展都是与失效分析紧密相连的。近代对材料学科的发展具有里程碑意义的“疲劳与疲劳极限”“氢脆与应力腐蚀”“断裂力学断裂韧性”的提出都是在失效分析的促进下完成的。

在19世纪初叶,频繁的火车断轴曾经给工程界造成巨大冲击。长期在铁路部门工作的A.WÖhler(1819—1914)设计了各种疲劳试验机,经过大量试验,提出了疲劳极限的概念并从中获得了S-N曲线。一百多年来,人们对各种材料的S-N曲线进行了研究,从而推动了由静强度到疲劳强度设计的进步。1954年1月10日和4月8日,有两架英国彗星号喷气客机在爱尔巴和那不勒斯相继失事,以后进行了详尽的调查和周密的试验,在一架彗星号整机上进行模拟实际飞行时的载荷试验,经过3057充压周次(相当于9000飞行小时),压力舱壁突然破坏,裂纹从应急出口门框下后角处发生,起源于一铆钉孔处。之后又在彗星号飞机上进行了实际飞行时的应力测试和所用铝材的疲劳试验。经过与从海底打捞上来的飞机残骸的对比分析,最后得出结论,事故是由疲劳引起的。这次规模空前的失效分析揭开了疲劳研究的新篇章。

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图1-3 失效分析对材料的反馈

在第一次世界大战期间,随着飞机制造业的发展,高强度金属材料相继出现,并用于制造各类重要零件,但随后发生的多次飞机坠毁事件给高强度材料的广泛应用造成了威胁。失效分析发现,飞机坠毁的原因是零件中含有过量氢而引起的脆性断裂。含有过量氢的金属材料,其强度指标并不降低,但材料的脆性大大增加了,故称为氢脆。这一观点是我国金属学家李薰等人首先提出的。20世纪50年代美国发生多起电站设备断裂事故,也被证实是由氢脆引起的。(www.daowen.com)

对于许多大型化工设备不锈钢件的断裂原因分析发现,具有一定成分和组织状态的合金,在一定的腐蚀介质和拉应力作用下,可能出现有别于单纯介质和单纯拉应力作用下引起的脆性断裂,此种断裂称为应力腐蚀断裂。此后,氢脆和应力腐蚀逐步发展成为材料断裂学科中另一重大领域而被广泛重视。

目前以断裂力学(损伤力学)和材料的断裂韧度为基础的裂纹体强度理论,被广泛应用于大型零件的结构设计、强韧性校核、材料选择与剩余寿命估算,因而成为当代材料科学发展中的重要组成部分。这一学科的建立和发展也与机械失效分析工作有着密切的关系。

对蠕变、弛豫和高温持久强度等的研究也是和各种热力机械,特别是高参数锅炉汽轮机燃气轮机的失效分析与防止紧密联系的。随着超临界、超超临界发电机组的投入使用,这一问题将越来越得到重视。

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