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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COD 182

（四）用J积分确定材料的断裂韧性JI0 185

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