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第一章失效分析的力学基础1

第一节受拉、压零件的失效和失效的抗力指标1

一、受轴向拉伸、压缩杆件的变形和断裂的过程、形式及其失效抗力指标1

二、受拉、压零件的强度计算和设计准则10

三、各种因素对拉、压杆件受力、失效抗力指标及失效形式的影响13

（一）应力集中和材料缺口效应的影响13

（二）加载速率或应变速率的影响18

（三）温度的影响20

（四）尺寸因素的影响26

四、材料抗拉强度指标的粗略估算方法28

（一）硬度法及各种硬度值之间的数值关系28

（二）硬度和抗拉强度之间的换算关系31

（三）从钢的化学成分和显微组织估算其力学性能32

（四）真实断裂强度SK与抗拉强度极限σb之间的关系35

第二节受剪、扭零件的失效和失效的抗力指标35

一、受剪、扭零件变形和断裂的过程、形式及其失效的抗力指标37

二、受剪、扭零件的应力分析、强度计算和断裂方式的判断39

（一）受剪、扭零件的应力分析和强度计算39

（二）受剪、扭零件失效方式和性质的判断42

三、各种因素对剪切、扭转零件受力和失效的影响46

四、材料抗剪、扭失效指标的估算47

五、受剪、扭零件受力分析实例——螺旋弹簧的应力计算47

第三节受弯、弯冲零件的失效和失效抗力指标53

一、弯曲时的应力分析和强度计算53

（一）弯曲时的正应力54

（二）弯曲时的剪应力57

二、受弯零件的失效抗力指标及其估算59

三、诸因素对受弯零件失效的影响63

（一）应力集中的影响63

（二）加载速率的影响——材料的冲击韧性64

第四节受复杂应力零件的失效和强度理论简介67

一、应力状态和应变状态的分析69

（一）任意斜截面上的应力、主应力及最大剪应力73

（二）应力圆的构成及其应用75

二、强度理论及其应用81

（一）最大拉应力理论（第一强度理论）82

（二）最大拉应变理论（第二强度理论）82

（三）最大剪应力理论（第三强度理论）84

（四）均方根剪应力理论（第四强度理论）84

（五）各种强度理论的适用范围86

三、几种常见的组合变形杆件的强度计算87

（一）斜弯曲87

（二）弯曲与拉或压的组合88

（三）弯曲（或拉、压）与扭转的组合89

四、在复杂应力状态下断裂类型的分析和判断力学状态图及其应用91

第五节动载荷下零件的失效及其强度计算100

一、承受冲击载荷作用零件的应力计算100

（一）冲击时动荷系数的概念100

（二）自由落体冲击时动荷系数的确定101

（三）弯曲冲击时的应力计算104

（四）扭转冲击时的应力计算105

二、承受惯性力作用零件的应力计算106

（一）作等加速运动构件的应力计算106

（二）作等速转动构件的应力计算107

（三）制动惯性飞轮时的应力计算109

三、提高构件抗冲能力的措施110

四、在高速冲击载荷作用下材料变形和断裂的特征112

第六节交变应力下零件的失效（疲劳）和它的失效抗力入修介标117

一、交变应力与交变应变的概念和若干定义119

二、疲劳曲线、疲劳极限和疲劳寿命120

三、疲劳抗力指标及其影响因素122

（一）疲劳极限122

（二）过负荷持久值和过负荷损害界130

（三）疲劳缺口敏感度132

四、疲劳强度校核方法简介139

（一）单向应力下的疲劳强度校核140

（二）二向应力（弯曲应力和扭转应力）下的疲劳强度校核148

五、疲劳寿命的估算方法简介151

（一）Miner累积疲劳损伤线性方程式及其在疲劳寿命估算中的应用151

（二）Basquin疲劳寿命与振幅之间的关系及其在疲劳寿命估算中的应用153

（三）Manson-Coffin公式及其在疲劳寿命估算中的应用154

（四）Paris公式及其在疲劳寿命估算中的应用155

第七节热应力引起的失效159

一、热应力的来源和特点159

二、简单情况下热应力的计算161

三、热应力引起的塑性变形和蠕变166

四、热冲击167

五、热疲劳171

第八节断裂力学基础和金属的断裂韧性174

一、断裂力学的基础知识176

（一）裂纹扩展能量率（裂纹扩展力）的概念176

（二）裂纹尖端附近的应力场和应力强度因子179

（三）D-M模型和裂纹张开位移COD182

（四）用J积分确定材料的断裂韧性JI0185

二、断裂韧性的测定方法简介189

（一）试样制备189

（二）测试方法189

三、金属材料断裂韧性的估算方法192

四、断裂力学在断裂失效分析中的应用194

（一）判断断裂性质194

（二）估算剩余寿命195

（三）指导锉修工艺196

第二章失效分析的金属材料学基础197

第一节金属材料的强化手段197

一、概述197

二、金属材料的强化手段198

第二节钢的基体组织对其失效抗力指标的影响202

一、钢的分类202

二、冶金因素对失效抗力指标的影响203

（一）回火温度对钢的力学性能的影响203

（二）合金元素对钢淬火-回火状态力学性能的影响205

（三）奥氏体化温度对钢的力学性能的影响206

（四）非金属夹杂物对钢的力学性能的影响207

（五）钢中微量元素对钢的力学性能的影响221

三、钢的显微组织的最佳设计231

（一）最大韧性的最佳显微结构232

（二）净化组织234

第三节铝合金的基体组织对其失效抗力指标的影响235

一、纯铝的特性235

二、冶金因素对铝合金力学性能的影响237

（一）主要合金元素及其沉淀相对铝合金力学性能的影响237

（二）杂质相对铝合金力学性能的影响241

（三）微量元素对铝合金力学性能的影响242

三、热处理和组织状态对铝合金力学性能的影响243

（一）退火组织对铝合金力学性能的影响243

（二）时效沉淀相对铝合金力学性能的影响244

（三）晶粒尺寸对铝合金力学性能的影响248

（四）晶界无析出物区对铝合金力学性能的影响248

四、其它因素对铝合金力学性能的影响250

（一）铝合金试样取样方向对力学性能的影响250

（二）低温对铝合金力学性能的影响251

第四节钛合金的基体组织对其失效抗力指标的影响252

一、纯钛的特性和断裂失效252

二、钛合金的特性和断裂失效256

（一）α型钛合金的特性和断裂失效256

（二）α＋β型钛合金的特性和断裂失效257

（三）介稳定β型钛合金的特性和断裂失效264

三、微量元素对钛合金力学性能的影响265

（一）氢对钛合金力学性能的影响265

（二）氧、氮对钛合金力学性能的影响267

（三）镉对钛合金力学性能的影响268

四、钛合金的断裂机制图269

第五节镁合金的基体组织对其失效抗力指标的影响271

第六节铜合金的基体组织对其失效抗力指标的影响274

第三章金属的断口分析及裂纹分析基础277

第一节延性断裂机理及断口分析基础278

一、延性断裂断口的宏观分析279

二、延性断裂断口的微观分析281

（一）滑移和延伸281

（二）韧窝284

三、实际延性断裂断口的分析方法297

（一）对造成延性断裂的载荷性质的判断297

（二）对材料塑性的估计300

（三）延性断裂断口分析的思路301

第二节脆性断裂机理及断口分析基础302

一、脆性断裂断口的宏观分析303

（一）脆性断裂断口的宏观特征303

（二）板材脆性断裂断口特征304

二、脆性断裂断口的微观分析305

（一）解理裂纹的萌生305

（二）解理断裂断口的微观特征307

（三）准解理311

三、沿晶脆性断裂314

四、脆性断裂断口分析方法316

（一）断裂起点位置和走向的确定316

（二）对材料的性质和加载速度的估计318

（三）对载荷类型的判断318

（四）脆性断裂断口的分析思路319

第三节疲劳断裂机理及断口分析基础322

一、疲劳断裂断口的宏观分析322

（一）疲劳断口的宏观结构322

（二）疲劳断口的宏观特征323

二、疲劳断口的微观分析324

（一）疲劳裂纹的萌生（成核）324

（二）疲劳裂纹的稳定扩展327

（三）疲劳断口的微观特征328

三、疲劳断裂断口分析方法331

（一）疲劳断裂源位置的判断331

（二）对疲劳载荷性质的分析333

（三）疲劳断裂断口分析思路337

第四节金属的裂纹分析基础340

一、裂纹分析方法340

（一）裂纹的检查及宏观分析340

（二）裂纹的微观分析341

（三）裂纹产生的部位与形态特征342

（四）力学性能检验342

（五）材料化学成分分析342

二、裂纹的起始位置343

（一）材质原因所引起的裂纹343

（二）零件的形状因素所引起的裂纹344

（三）受力状况不同所引起的裂纹345

三、裂纹的宏观形貌345

（一）龟裂346

（二）直线状裂纹352

（三）其他形状裂纹354

四、裂纹的走向355

五、裂纹周围及裂纹末端形貌357

第四章失效分析的化学基础359

第一节概述359

一、机械产品失效与环境的关系——研究环境失效的重要性359

二、机械产品环境失效——腐蚀的分类及其破坏形式359

（一）化学腐蚀359

（二）电化学腐蚀360

第二节金属化学腐蚀的基础知识362

一、金属化学腐蚀的特征363

二、金属化学腐蚀的原因371

第三节金属热腐蚀的基础知识376

一、金属热腐蚀的现象和重要性376

二、金属热腐蚀的原因379

（一）保护性表面氧化层的化学溶解理论380

（二）机械作用引起保护性氧化层破碎机理387

三、热腐蚀的改进措施388

（一）合金化389

（二）涂层391

第四节金属电侵蚀的基础知识392

一、接触材料的表面“晦暗”393

二、接触材料的有机污染396

三、接触材料的电侵蚀398

（一）电侵蚀的原因399

（二）电侵蚀的影响因素402

（三）减少或预防电侵蚀的方法406

第五节金属电化学腐蚀的基础知识408

一、腐蚀电池和微电池概念408

二、产生电位差的原因和对它的影响因素410

（一）金属的电极电位的产生和它们的标准电化序410

（二）金属电极电位的影响因素和电极的极化作用415

三、判断金属在水溶液中的腐蚀倾向的方法电位-pH图423

第六节常见的电化学腐蚀431

一、金属的大气腐蚀431

二、金属的局部腐蚀433

（一）小孔腐蚀（孔蚀或点蚀）433

（二）缝隙腐蚀437

三、金属在海水中的腐蚀439

第七节金属汽蚀的基础知识446

一、汽蚀现象和它的重要性446

二、汽蚀的原因和过程446

三、汽蚀的影响因素和材料的选择454

四、汽蚀的控制及预防方法458

参考文献464