材料成形与失效PDF电子书下载

第1章 焊接成形与失效 1

1.1 焊接概念与失效分类 1

1.1.1 焊接概念 1

1.1.2 焊接成形失效分类 1

1.1.2.1 焊接裂纹 2

1.1.2.2 焊缝中的气孔与夹杂物 5

1.1.2.3 焊接结构的变形与应力 6

1.2 焊接热裂纹 7

1.2.1 结晶裂纹的主要形貌特征 7

1.2.1.1 结晶裂纹的形成机理 8

1.2.1.2 防止结晶裂纹的措施 15

1.2.2 近缝区液化裂纹的主要形貌特征 19

1.2.2.1 液化裂纹的形成 19

1.2.2.2 液化裂纹与脆性温度区间 19

1.2.2.3 影响液化裂纹的因素 20

1.2.2.4 防止液化裂纹的措施 21

1.2.3 多边化裂纹 21

1.2.3.1 多边化裂纹的形成机理 22

1.2.3.2 防止措施 22

1.3 焊接冷裂纹 22

1.3.1 一般特点 22

1.3.2.4 横向裂纹 23

1.3.2.3 焊根裂纹 23

1.3.3 冷裂纹的形成机理 23

1.3.2.1 焊道下裂纹 23

1.3.2.2 焊趾裂纹 23

1.3.2 冷裂纹分类及形貌 23

1.3.3.1 氢在开裂中的作用 24

1.3.3.2 钢材的淬硬倾向 26

1.3.3.3 焊接接头的应力 27

1.3.4 冷裂纹敏感性的判据 28

1.3.4.1 碳当量（Ceq或CE）与硬度的关系 28

1.3.4.2 冷裂敏感指数 29

1.3.4.3 临界冷却速度 30

1.3.4.4 拘束度与临界拘束度 30

1.3.5 防止冷裂的途径 32

1.3.5.1 冶金方面 33

1.3.5.2 工艺方面 33

1.3.6 焊接冷裂纹失效案例 34

1.4 再热裂纹 36

1.4.1 再热裂纹的形貌特征 36

1.4.2 再热裂纹产生的机理 37

1.4.2.1 晶内二次硬化理论 38

1.4.2.2 晶界脆化理论 38

1.4.3 防止再热裂纹的措施 39

1.5.1 层状撕裂的特征及形貌 41

1.4.4 焊接再热裂纹失效举例 41

1.5 层状撕裂 41

1.5.2 层状撕裂的分类及形成机理 42

1.5.3 影响层状撕裂的因素 43

1.5.3.1 夹杂物的影响 43

1.5.3.2 氢的影响 43

1.5.4 防止层状撕裂的措施 44

1.5.4.1 选用抗层状撕裂好的钢材 44

1.5.4.2 从工艺和设计上使Z向的拘束应力最小 44

1.6 焊缝中的夹杂和气孔 44

1.6.1 焊缝中夹杂的分类及形貌 44

1.6.1.3 硫化物夹杂 45

1.6.2 防止焊缝中夹杂物的措施 45

1.6.1.1 氧化物夹杂 45

1.6.1.2 氮化物夹杂 45

1.6.3 焊缝中气孔的分类及形貌 46

1.6.3.1 氢气孔 46

1.6.3.2 氮气孔 47

1.6.3.3 一氧化碳气孔 47

1.6.4 气孔形成的机理 47

1.6.4.1 气泡的生核 47

1.6.5.1 冶金因素对气孔的影响 48

1.6.5 影响生成气孔的因素及控制措施 48

1.6.4.3 气泡的上浮 48

1.6.4.2 气泡的长大 48

1.6.5.2 工艺因素对气孔的影响 49

1.7 焊接应力与变形 50

1.7.1 焊接应力与变形的产生 50

1.7.1.1 长板条不均匀加热时引起的应力与变形 50

1.7.1.2 焊接应力与变形的产生原因 50

1.7.2 焊接残余应力 52

1.7.2.1 纵向应力 52

1.7.2.2 横向应力 53

1.7.2.4 管板焊接的残余应力分布 54

1.7.2.3 厚板中的残余应力 54

1.7.3 调节焊接残余应力的措施 55

1.7.3.1 设计方面 55

1.7.3.2 工艺方面 55

1.7.4 焊后消除焊接残余应力的方法 56

1.7.4.1 热处理 56

1.7.4.2 锤击消除法 56

1.7.4.3 振动消除法 57

1.8 焊接接头应力腐蚀裂纹及形貌特征 57

1.8.1 应力腐蚀裂纹的形貌特征 57

1.8.2 产生应力腐蚀裂纹的机理 59

1.8.2.1 电化学理论 59

1.8.2.3 应力腐蚀裂纹的扩展 60

1.8.2.2 机械破裂应力腐蚀机理 60

1.8.3 防止应力腐蚀的措施 61

1.8.3.1 正确选择钢材 61

1.8.3.2 降低残余应力 61

1.8.3.3 焊件表面进行防腐处理 62

1.8.3.4 采用阴极保护 62

1.8.3.5 制定合理的焊接工艺 62

1.8.3.6 采用合理的结构和接头设计 62

1.8.4 应力腐蚀裂纹引起的失效举例 62

1.9.1.2 点蚀 64

1.9.1.4 应力腐蚀裂纹 64

1.9.1.3 晶间腐蚀 64

1.9.1.1 一般腐蚀（均匀腐蚀） 64

1.9.1 不锈钢焊接接头腐蚀分类及形貌特征 64

1.9 不锈钢焊接接头的腐蚀失效 64

1.9.1.5 缝隙腐蚀 65

1.9.2 奥氏体钢焊接接头的晶间腐蚀 65

1.9.2.1 奥氏体钢焊接接头产生晶间腐蚀的条件 65

1.9.2.2 产生晶间腐蚀的原因 65

1.9.3 防止晶间腐蚀的措施 66

1.9.4 焊接接头的刀蚀 66

1.9.4.1 刀状腐蚀的形貌特征 66

1.10.1 焊接接头性能达不到要求造成的失效 67

1.10 设计不合理造成的失效 67

1.9.4.3 刀蚀的防止措施 67

1.9.4.2 刀蚀产生的原因 67

1.10.2 应力集中造成的失效 70

1.10.2.1 应力集中的概念 70

1.10.2.2 焊接结构中的应力集中和减小应力集中的措施 70

参考文献 73

第2章 铸造成形与缺陷 74

2.1 铸造成形方法 74

2.1.1 重力作用下的铸造成形 74

2.1.1.1 砂型铸造 74

2.1.1.2 金属型铸造 75

2.1.1.3 熔模成形工艺 76

2.1.2.2 压力作用下的液态成形 77

2.1.2 外力作用下的液态成形 77

2.1.2.1 离心力作用下的液态成形 77

2.2 铸件缺陷分类 79

2.2.1 铸件质量检验 79

2.2.2 铸件缺陷的分类 80

2.3 铸件的缩孔和缩松 85

2.3.1 铸件缩孔、缩松的形貌特征 85

2.3.2 铸件缩孔、缩松的形成机理 86

2.3.2.1 合金收缩的三个阶段 86

2.3.2.2 缩孔的形成机理 87

2.3.3 铸件缩孔、缩松产生的原因 88

2.3.2.3 缩松形成的机理 88

2.3.4 防止铸件产生缩孔、缩松的措施 90

2.4 铸造应力、变形及裂纹 91

2.4.1 铸造应力的产生原因及特点 91

2.4.2 铸件变形产生的原因及防止措施 91

2.5 铸造裂纹 93

2.5.1 铸造热裂纹 93

2.5.1.1 热裂纹的形貌和特征 93

2.5.1.2 热裂纹形成的原因 93

2.5.1.3 热裂纹的防止措施 94

2.5.2.2 冷裂纹形成的原因 95

2.5.2.1 冷裂纹的形貌和特征 95

2.5.2 铸造冷裂纹 95

2.5.2.3 冷裂纹的防止措施 96

2.6 铸件气孔 97

2.6.1 气孔的形貌特征及种类 97

2.6.2 气孔形成的原因 98

2.6.2.1 侵入气孔的形成原因 98

2.6.2.2 卷入气孔的形成原因 100

2.6.2.3 析出气孔的形成机理 100

2.6.2.4 反应气孔的形成原因 102

2.6.3 防止气孔产生的措施 103

2.7.2 铸件夹杂的形貌及产生的原因 104

2.7.1 铸件夹杂缺陷的分类 104

2.7 铸件夹杂 104

2.7.3 防止夹杂类缺陷的措施 107

2.8 铸造组织缺陷 107

2.8.1 铸造组织缺陷的形貌及产生的原因 107

2.8.2 防止铸造组织缺陷的措施 108

参考文献 108

第3章 塑性成形工艺与失效 110

3.1 塑性成形概念与失效分类 110

3.1.1 塑性成形概念 110

3.1.2 塑性成形失效分类 112

3.2 中小型拉深件成形工艺与失效 112

3.2.1 拉深变形的特点 113

3.2.2 中小型拉深件的主要失效形式 115

3.2.3 防止拉深件失效的措施 121

3.2.4 中小型拉深件失效举例 122

3.3 大型覆盖件成形工艺与失效 123

3.3.1 大型覆盖件的成形工艺与特点 123

3.3.2 大型覆盖件的失效形式及防止措施 126

3.3.2.1 破裂 126

3.3.2.2 成形表面形状不良 129

3.3.2.3 尺寸精度不合格 130

3.3.3 大型覆盖件失效举例 130

3.4.2.1 回弹 132

3.4.2 变曲成形常见的失效形式及防止措施 132

3.4 弯曲成形工艺与失效 132

3.4.1 弯曲变形过程 132

3.4.2.2 弯曲裂纹 133

3.4.2.3 挠曲和扭曲变形 134

3.4.2.4 偏移 135

3.4.3 变曲成形件失效举例 135

3.5 翻边成形工艺与失效 136

3.5.1 翻边成形的特点 137

3.5.2 翻边成形主要失效形式 137

3.5.3 防止翻边成形失效的措施 137

3.5.4 翻边成形失效举例 138

3.6.1 胀形成形的特点 139

3.6 胀形成形工艺与失效 139

3.6.2 胀形的失效形式 140

3.6.3 防止胀形失效的措施 140

3.6.4 胀形失效举例 141

3.7 锻造成形与失效 142

3.7.1 影响锻件质量的因素 142

3.7.2 锻造过程中常见的失效形式与防止措施 144

3.7.3 锻造失效形式举例 152

3.8 挤压成形与失效 154

3.8.1 挤压成形 154

3.8.2 挤压成形常见的失效形式与防止措施 156

3.8.3 挤压成形失效举例 159

参考文献 161

第4章 零件铆接、胶接（粘接）工艺与失效 162

4.1 零件铆接工艺与失效 162

4.1.1 铆接工艺 162

4.1.2 铆接失效类型、形成原因及解决办法 164

4.1.3 零件铆接失效举例 166

4.2 零件胶接工艺与失效 167

4.2.1 胶接原理 167

4.2.1.1 粘接力的形成 167

4.2.1.2 粘接理论 168

4.2.2.2 胶接接头设计 169

4.2.2 胶接工艺 169

4.2.2.1 胶接前处理 169

4.2.2.3 胶粘剂的配制与涂敷 170

4.2.2.4 胶粘剂的固化 170

4.2.3 胶接失效 171

4.2.3.1 胶接接头的破坏力学 171

4.2.3.2 影响粘接破坏的因素 172

4.2.4 常见的粘接失效形式及防止措施 172

4.2.5 胶接强度检验 175

4.2.5.1 胶接强度检验的一般要求 175

4.2.5.3 均匀扯离强度试验 176

4.2.5.4 不均匀扯离强度试验 176

4.2.5.2 剪切强度试验 176

4.2.5.5 剥离强度试验 177

4.2.5.6 持久强度试验 177

4.2.5.7 疲劳强度试验 177

参考文献 177

第5章 零件设计及机械加工失效 178

5.1 机械零件设计失效类型 178

5.1.1 机械零件的失效形式和设计准则 178

5.1.2 由载荷引起的零件失效分析 180

5.1.3 结构设计不合理造成的失效 186

5.2.1 金属切削加工表面质量对零件使用性能的影响 191

5.2 金属零件切削加工缺陷与失效 191

5.2.2 零件已加工表面的缺陷及原因 192

5.2.3 提高零件加工表面质量的措施 193

5.3 金属零件的磨削加工缺陷与失效 196

5.3.1 金属零件磨削加工缺陷的种类 196

5.3.2 提高零件磨削加工表面质量的措施 198

参考文献 199

第6章 金属脆性断裂与疲劳失效 200

6.1 金属脆性断裂 200

6.1.1 断裂的类型 200

6.1.2 脆性断裂失效现象及特征 201

6.1.2.1 脆性断裂失效现象 201

6.1.2.2 脆性断口宏观形貌特征 203

6.1.2.3 脆性断口微观形貌特征 204

6.1.3 脆性断裂的裂纹萌生与扩展 206

6.1.3.1 脆性裂纹的萌生机理 206

6.1.3.2 脆性裂纹的扩展 209

6.1.4 脆性断裂失效原因分析 209

6.1.4.1 应力分布 209

6.1.4.2 温度 210

6.1.4.3 尺寸效应 210

6.1.4.4 焊接质量 210

6.1.4.5 环境 210

6.1.4.6 材料化学成分与组织 211

6.1.5.2 调整化学成分 212

6.1.5 防止脆性断裂失效的途径 212

6.1.5.1 材料的设计与制造 212

6.1.5.3 细化晶粒 213

6.1.5.4 形变热处理 213

6.1.5.5 亚温淬火 213

6.1.5.6 低碳马氏体强化 213

6.2 金属的疲劳失效 214

6.2.1 疲劳断裂现象及特征 214

6.2.1.1 疲劳断口的宏观形貌特征 215

6.2.1.2 疲劳断口的微观形貌特征 218

6.2.2.1 零件加工后疲劳裂纹实际状态的萌生方式 219

6.2.2 疲劳裂纹的萌生机理 219

6.2.2.2 表面不存在应力集中疲劳裂纹的萌生方式 220

6.2.3 疲劳裂纹的扩展 222

6.2.3.1 疲劳裂纹扩展的宏观规律 222

6.2.3.2 疲劳裂纹扩展的微观机理 224

6.2.4 疲劳失效原因分析 226

6.2.4.1 表面状态 226

6.2.4.2 零件的几何形状及尺寸 226

6.2.4.3 装配与连接效应 226

6.2.4.4 载荷特性 226

6.2.4.5 材料的组织和性能 226

6.2.5.1 降低作用于零件危险部位上的实际应力 227

6.2.5.2 采用滚压或喷丸使表面强化 227

6.2.4.6 使用环境 227

6.2.5 防止疲劳失效的措施 227

6.2.5.3 表面进行热处理 228

6.2.5.4 复合强化 228

6.2.5.5 减少夹杂物 228

6.2.5.6 细化晶粒 228

6.2.5.7 其他因素 228

参考文献 228

7.1.1.1 过量变形失效 230

7.1.1 失效与失效类型 230

7.1 失效概述 230

第7章 失效分析步骤与检验方法 230

7.1.1.2 断裂失效 231

7.1.1.3 表面损伤失效 231

7.1.2 失效的过程性分析 231

7.1.3 失效分析的程序及步骤 232

7.2 金属断裂失效分析 232

7.2.1 现场调查 232

7.2.1.1 现场调查的内容 232

7.2.1.2 现场调查的方法 232

7.2.2 残骸分析 233

7.2.1.3 现场调查的背景资料与注意事项 233

7.2.3 实验研究 234

7.2.3.1 宏观检验 234

7.2.3.2 微观检验 235

7.2.3.3 金相检验 235

7.2.3.4 无损检验 235

7.2.3.5 化学成分分析 236

7.2.3.6 力学性能测定 236

7.2.3.7 断裂力学分析 237

7.2.4 综合分析 237

7.3.1 金属断口的基本类型 238

7.3.2 允许缺陷断口和报废缺陷断口的基本特征 238

7.3 断口分析 238

7.3.3 宏观断口分析 240

7.3.3.1 实际构件断口的宏观特征 241

7.3.3.2 宏观断口分析 241

7.3.4 微观断口分析 244

7.3.4.1 断口的产物分析 244

7.3.4.2 断口的微观形貌分析 244

7.3.5 塑性断口特征 244

7.3.5.1 静载荷下的断口宏观特征 245

7.3.5.2 冲击断口的宏观形貌 246

7.3.5.3 韧性断裂的断口微观特征 247

7.4 断口试样的选择、清洗及保存 248

7.4.1 断口试样的选择 248

7.4.1.1 主断面（主裂纹）的宏观判断 248

7.4.1.2 断口试样的截取 249

7.4.2 断口试样的清洗 250

7.4.2.1 清洗前的检查 250

7.4.2.2 断口的清洗 250

7.4.3 断口试样的保存 251

7.5 金相分析 252

7.5.1 失效部位试样的选取 252

7.5.2.2 机械嵌镶法 253

7.5.2.1 塑料嵌镶法 253

7.5.2 试样大小及镶嵌 253

7.5.3 试样磨制及抛光 254

7.5.3.1 试样磨制 254

7.5.3.2 试样的抛光 256

7.5.4 试样的浸蚀 256

7.5.4.1 化学浸蚀剂 257

7.5.4.2 化学浸蚀操作 257

7.5.5 试样的电解抛光及电解浸蚀 258

7.5.5.1 试样的电解抛光 258

7.5.5.2 试样的电解浸蚀 259

7.6 化学分析 259

7.6.1.1 光谱分析 260

7.6.1 母材化学成分分析 260

7.6.1.2 常规湿法化学成分分析 262

7.6.2 微区化学成分分析 263

7.6.2.1 电子探针分析 263

7.6.2.2 离子探针分析 264

7.6.2.3 俄歇电子能谱分析（AES） 265

7.6.3 力学性能分析 266

7.6.3.1 硬度试验 266

7.6.3.2 拉伸试验 267

7.6.3.3 冲击试验 270

参考文献 271