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金属材料力学性能测试与失效分析概述 [复制链接]

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离线alex
 

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导语 nVb@sI{{k  
S(Yd.Sp  
 材料力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征 。 ETe4I`d{  
  一般情况下,金属材料在一定范围内外加载荷的作用下能够保持其原有的形状和性能,然而,如果超过这一承受范围,金属材料就会发生变形,甚至被彻底破坏。因此,了解金属材料的力学性能指标尤为重要。  P#,u9EIJ  
RK>Pe3<  
CLb6XnkcA\  
金属力学性能的分类 <j'V}|3  
o`?rj!\  
4`IM[DIG~  
一般来说金属的力学性能分为十种: pm&TH d  
OW:*qY c;:  
  1.脆性:是指材料在损坏之前没有发生塑性变形的一种特性。它与韧性和塑性相反。脆性材料没有屈服点,有断裂强度和极限强度,并且二者几乎一样。铸铁、陶瓷、混凝土及石头都是脆性材料。与其他许多工程材料相比,脆性材料在拉伸方面的性能较弱,对脆性材料通常采用压缩试验进行评定。 pMc6p0  
 6 K $mW  
  2.强度:金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力.同时,它也可以定义为比例极限、屈服强度、断裂强度或极限强度。没有一个确切的单一参数能够准确定义这个特性。因为金属的行为随着应力种类的变化和它应用形式的变化而变化。强度是一个很常用的术语。 c PGlT"  
bdUPo+  
  3.塑性:金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力.塑性变形发生在金属材料承受的应力超过弹性极限并且载荷去除之后,此时材料保留了一部分或全部载荷时的变形. +>w]T\[1~  
ZS Med(//b  
  4.硬度:金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力 &dtk&P{  
OfsP5*d  
  5.韧性:金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力. 韧性是指金属材料在拉应力的作用下,在发生断裂前有一定塑性变形的特性。金、铝、铜是韧性材料,它们很容易被拉成导线。 T?9D?u?]  
W<Uu.Y{sG  
  6.疲劳强度:材料零件和结构零件对疲劳破坏的抗力 NGra/s,9 |  
xQ?>72grP  
  7.弹性:是指金属材料在外力消失时,能使材料恢复原先尺寸的一种特性。钢材在到达弹性极限前是弹性的。 l,wlxh$}(  
L aTcBcI  
  8.延展性:是指材料在拉应力或压应力的作用下,材料断裂前承受一定塑性变形的特性。塑性材料一般使用轧制和锻造工艺。钢材既是塑性的也是具有延展性的。 wNONh`b  
E}^V@ :j>  
  9. 刚性:是金属材料承受较高应力而没有发生很大应变的特性。刚性的大小通过测量材料的弹性模量E来评价。 \BOoY#!a  
%cNN<x8  
  10.屈服点或屈服应力:是金属的应力水平,用MPa度量。在屈服点以上,当外来载荷撤除后,金属的变形仍然存在,金属材料发生了塑性变形。 /iW+<@Mas  
LPs%^*8(2  
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离线alex

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只看该作者 沙发  发表于: 2023-07-07

检测标准

 GB/T 228-2002 金属材料室温拉伸试验方法

  本标准规定了金属材料拉伸试验方法的原理、定义、符号和说明、试样及其尺寸测量、试验设备、试验要求、性能测定、测定结果数值修约和试验报告。适用于金属材料室温拉伸性能的测定。但对于小横截面尺寸的金属产品,例如金属箔,超细丝和毛细管等的拉伸试验需要协议。

  GB/T 229-2007 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法

  本标准规定了测定金属材料在夏比冲击试验中吸收能量的方法(V型和U型缺口试样)。不包括仪器化冲击试验方法。

  GB/T 232-1999 金属材料弯曲试验方法

  本标准规定了弯曲试验方法的原理、符号、试验设备、试样、试验程序、试验结果评定和试验报告。适用于金属材料相关产品标准规定试样的弯曲试验,测定其弯曲塑性变形能力。但不适用于金属管材和金属焊接接头的弯曲试验。

  GB/T 4337-2008 金属材料疲劳试验 旋转弯曲方法

  本标准规定了金属材料旋转棒弯曲疲劳试验方法。适用于金属材料在室温和高温空气中试样旋转弯曲的条件下进行的疲劳试验,其他环境(如腐蚀)下的也可参照本标准执行。

  GB/T 5027-2007 金属材料 薄板和薄带塑性应变比(r值)的测定

  本标准规定了一种测定金属薄板和薄带塑性应变比的方法。

  GB/T 12444-2006 金属材料磨损试验方法 试环-试块滑动磨损试验

  本标准规定了金属试环-试块磨损试验的术语及定义、试验原理、试样、试验设备及仪器、试验方法、试验结果处理及试验报告。适用于金属材料在滑动摩擦条件下磨损量及摩擦系数的测定。

  GB/T 22315-2008 金属材料弹性模量和泊松比试验方法

  本标准规定了用静态法测定金属材料杨氏模量、弦线模量、切线模量、泊松比,用动态法测定金属材料动态杨氏模量、动态切变模量、动态泊松比的范围、规范性引用文件、术语和定义、符号及说明、原理、试样、试验设备、试验条件、性能测定和试验报告。

  GB/T 24179-2009 金属材料残余应力测定 压痕应变法

  本标准规定了采用压痕应变法测定金属材料表面残余应力的术语和定义、原理、测量设备、测量步骤、标定系数确定、试验报告等。适用于硬度大于50HRC的各种金属材料表面残余应力的测定。

力学性能主要测试参数指标

指标

具体项目

测试意义

硬度试验

洛氏硬度

维氏硬度

显微维氏硬度

布氏硬度

肖氏硬度

纳米压痕硬度

邵氏硬度

硬度是指“固体材料抗拒永久形变的特性”。 固体对外界物体入侵的局部抵抗能力,是比较各种材料软硬的指标。

拉伸试验

抗拉强度

屈服强度

断后伸长率

断面收缩率

弹性模量、泊松比

拉伸应变硬化指数

应变硬化

拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标。

强度通常是指材料在外力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。

塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力,常用的塑性指标是延伸率和断面收缩率。

扭转、弯曲与压缩性能

扭矩

弯曲强度

弯曲模量

压缩强度

压缩屈服点

压缩弹性模量

弯曲试验主要用于测定脆性和低塑性材料(如铸铁、高碳钢、工具钢等)的抗弯强度并能反映塑性指标的挠度。

弯曲试验还可用来检查材料的表面质量。

试样破坏时的最大压缩载荷除以试样的横截面积,称为压缩强度极限或抗压强度。

压缩试验主要适用于脆性材料,如铸铁、轴承合金和建筑材料等。

对于塑性材料,无法测出压缩强度极限,但可以测量出弹性模量、比例极限和屈服强度等。

冲击韧性试验

冲击强度

冲击韧度

低温脆性

简支梁冲击

悬臂梁冲击

材料抵抗冲击载荷的能力,冲击韧度指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向

断裂韧度试验

断裂韧度

裂纹张开位移

动态断裂韧度

测定带裂纹构件抵抗裂纹失稳扩展能力

疲劳性能

对称应力下的疲劳

非对称循环应力下的疲劳

应变疲劳(低周疲劳)

疲劳裂纹扩展速率

热疲劳试验

腐蚀疲劳试验

接触疲劳试验

高温疲劳试验

低温疲劳试验

疲劳试验,是结构试验内容之一,借以研究和验证飞行器结构或构件的疲劳与断裂性能。

疲劳破坏是机械零部件早起失效的主要形式,疲劳研究的主要目的是精确地估算材料结构的零部件的疲劳寿命保证在服役期内零部件不会发生疲劳失效

高温力学性能

高温蠕变

持久强度

应力松弛

高温短时拉伸试验

高温下零部件因抵抗外力作用而产生各种变形和应力的能力,如强度、弹性、塑性等

在高温下,由于液相的出现,液相的性质、数量及分布状态,对材料的力学性能影响极大

磨损性能

黏着磨损

磨粒磨损

接触磨损

微动磨损

在给定摩擦条件下测量材料的磨损量及摩擦系数的试验方法,是测定材料抵抗磨损能力的一种材料试验,比较材料的耐磨性优劣

材料成型性能

杯突

拉深与拉深载荷

锥杯

扩孔

主要评价板材冲压成型工艺质量

 
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只看该作者 板凳  发表于: 2023-07-07

金属材料力学有关的失效分析

在金属材料检测中,失效分析是一门新兴发展中的学科,在提高产品质量,金属材料检测技术开发、改进,产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义,失效分析主要含有金属材料、热处理、焊接、材料加工与成型、机械设计、材料力学、无损检测等不同的专业。

  具体检测项目

  金相检验是一种常规的实验分析方法.它在失效分析中能提供被检材料的大概种类和组织状况。从检验出的显散组织来推断或证实被检材料制造过程中经历的工艺过程,以及执行这些工艺是否属正常,同时还可提供失效件在发生事故时是否发生塑性变形等情况,以及失效件在使用过程中无意造成的热处理效果等。反映出失效件在工作条件下发生的腐蚀(大致可以定性和对腐蚀程度的半定量)、磨损、氧化和严重的表面加工硬化等,并可初步确定其程度。从失效件上存在的裂纹,通过光学金相,大致可看出裂纹的发生及延伸分布的特征以及裂纹两侧的显微组织,来判断裂纹的性质,从而可提供失效件裂纹的产生原因;夹杂物的类型、级别及分布;相的类型、大小及分布。

  在失效分析中,化学成分分析是必不可少的。它能为失效分析提供有用的信息。如由于选材错误所造成的失效,只需要用化学成分分析就能得到结果。利用X射线和荧光分析、能谱分析、俄歇分析、电子探针、离子探针、激光探针等方法,对金属的表面或内部的成分进行分析和研究。在进行化学我分分析时,宏观化学成分分析最常用,对于特殊情况,可采用微区化学成分分析。

  失效分析的步骤

 
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金属材料力学性能失效案例分析 QPL6cU$&R  
^o;f~6#17  
 1、某电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式汽轮机,其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长,有一个叶片在根部断裂丢失,部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作由电厂委托北京重型电机厂进行,其修复过程为:拆除5段围带及43片叶片,更换断裂和受损的2个叶片及损坏的2段围带,复装后叶片与围带采用焊接固定,并对2段围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补,修后机组恢复运行。2000年5月7日,汽轮机出现异常响声,且振动不断加剧,揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个,部分围带脱落,第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998年4月大修记录,发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为严重,故把整个转子送到制造厂修复。 4.>rd6BAN-  
  2 检查、试验 Q7<_> )e^  
  2.1 宏观检查 Nd5G-eYI  
  检查发现丢落的19个叶片的断裂部位均位于叶片倒/形槽根部的横断面上(见图1)。 Etv!:\\[  
e7T}*Up  
" '# 18&N  
  肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色,有锈斑。断口平坦并分成两个区,其中大面积区呈光滑状,小面积区呈纤维状,个别断口几乎全部呈光滑状。拆卸时发现叶片根部装配较松,极易取下。 UaW,#P  
  2.2 断口微观检查 PT t#Ixn,  
  断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍(10倍)观察,发现有典型的疲劳断裂特征,即有三个区域组成:疲劳源,疲劳裂纹扩展区(颗粒状脆性断裂区)和最终快速断裂韧性纤维区,其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源和疲劳裂纹扩展区,从中能明显观察到贝壳状条纹,这是疲劳断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段(见图3、4),这些线段不是平滑的,它是疲劳过程引起不稳定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外,还能观察到裂纹的存在,且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区,则能观察到颗粒状脆性断裂特征(见图5)。断口开裂以穿晶断裂为主,无沿晶断裂迹象,也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。这说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。 -' q#u C  
F!N D  
{ :^;byd  
  2.3 化学成分 G}|!Jdr  
  分析损坏叶片取样分析结果见表1。从表1可以看出,损坏叶片材料的化学成分合格。 Q sXy(w#F  
  表1 损坏叶片材料的化学成分 % ?j'Nx_RoX  
CXAW>VdK_  
  2.4 硬度测试 )o=ipm[  
  断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结果见表2。表2表明,断裂叶片的硬度值略偏高,推测叶片材料的强度较高。 3QD+&9{D  
\me'B {aa  
  2.5 冲击试验 1M={8}3  
1Zr J7a7=  
  2.6 金相检查 { :%A  
  选取断裂叶片根部侧面进行金相检查分析,首先对未浸蚀的试样表面进行检查,发现其中一个倒<形槽的根部还存在微裂纹(微裂纹平直且走向平行于断口表面)。用氯化铁盐酸水溶液浸蚀试样表面后观察其金相组织为具有位向的回火索氏体(见图6),图7为带微裂纹处的金相照片,组织状态正常。 R(1N]>  
qQ{i2D%)?f  
vl"{ovoC  
  3 分析 1y{@fg~..  
  (1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体,材料化学成分合格,主要性能指标也基本正常。 `p JWZ:3  
  (2)叶片断裂部位在倒/形槽根部的横断面上,亦即在应力集中部位,是裂纹源萌生地,断口具有典型的疲劳断裂特征,裂纹扩展属穿晶走向。 Vz\?a8qQ<  
  (3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关,高压转子叶片安装时通常要求根部紧配合,但裂断的第+级叶片根部却是松配合,遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部,根部与叶轮槽表面产生摩擦,从而使根部表层晶粒持续滑移带极易萌生裂纹,即产生疲劳源,随后裂纹不断扩展,最终造成根部疲劳断裂。 !uxma~ZH-  
  (4)断裂的19个叶片中,大部分断口都属于疲劳断口,这表明在叶片发生大面积断裂前,其根部已产生或大或小的疲劳裂纹,最后导致部分叶片先断裂,并引起其余叶片提前断裂。 a*N<gId  
  4 结论 T!ik"YZ@i  
  该电厂1号机高压转子第+级叶片大面积断裂的主要原因是装配时叶片根部间隙偏大,在运行过程中叶片振动引起根部产生疲劳裂纹源,随着疲劳裂纹的不断扩展,最终导致叶片疲劳断裂。 h+ggrwg'  
Cu,#w3JR  
uupfL>h  
文章出自: 世科网 T/YvCbo  
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