機(jī)械社區(qū)

標(biāo)題: 關(guān)于脆性金屬材料性能求助 [打印本頁]

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-16 20:55
標(biāo)題: 關(guān)于脆性金屬材料性能求助
設(shè)計(jì)中一個(gè)零件選用了一種鎂合金材料，強(qiáng)度極限約300MPa，屈服極限約220MPa，延伸率約1.5%。
按工況進(jìn)行了有限元仿真，應(yīng)力集中處最大應(yīng)力約200MPa，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞。但是實(shí)際做加載試驗(yàn)，并貼應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè)，會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載到工況載荷時(shí)應(yīng)變測(cè)量值達(dá)到一個(gè)峰值后會(huì)緩慢持續(xù)下降，零件本身看不出失效。約10分鐘后，在零件表面出現(xiàn)一條從應(yīng)力集中處開始的裂紋。重復(fù)幾次試驗(yàn)都是這種結(jié)果。請(qǐng)教大家?guī)讉€(gè)問題：
1.延伸率1.5%肯定是脆性材料了，一般認(rèn)為脆性材料的破壞應(yīng)該是非�？斓模臼且坏┑綇�(qiáng)度極限瞬間就應(yīng)該破壞了。可試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)零件出現(xiàn)裂紋是個(gè)緩慢的過程，就像掰饅頭一樣，一點(diǎn)點(diǎn)的裂開，甚至有幾個(gè)試驗(yàn)件雖然應(yīng)變測(cè)量值在下降，但最后零件表面并沒有出現(xiàn)裂紋。脆性材料在什么條件下會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象？
2.試驗(yàn)時(shí)零件加載是通過擰緊一個(gè)螺釘施加壓力，理論上當(dāng)零件發(fā)生塑性變形也好、出現(xiàn)裂紋失效也好，螺釘這個(gè)預(yù)緊力應(yīng)該很快降低，應(yīng)變降到一定程度應(yīng)該不再變化吧，為什么實(shí)際應(yīng)變是持續(xù)下降呢？
3.當(dāng)初選用這個(gè)材料時(shí)有人覺得延伸率太低不能用，但設(shè)計(jì)師覺得仿真算下來強(qiáng)度夠了，只要材料沒有內(nèi)部缺陷哪怕延伸率低也沒問題，這種看法是否正確？
4.設(shè)計(jì)師選材料時(shí)只關(guān)注了強(qiáng)度極限、屈服極限、延伸率這幾個(gè)指標(biāo)，但現(xiàn)在看下來應(yīng)該還有其它材料參數(shù)會(huì)影響零件使用，請(qǐng)問對(duì)脆性材料，除了這幾個(gè)指標(biāo)，還應(yīng)該關(guān)注哪些參數(shù)呢？

作者: 魍者歸來 時(shí)間: 2022-4-16 21:59
不知道啥工況，啥結(jié)構(gòu)，不好瞎說。不過常見鎂合金的最優(yōu)工作環(huán)境都不是室溫。你要確認(rèn)一下零件的工況溫度和實(shí)驗(yàn)的溫度是否一致。鎂合金的晶體結(jié)構(gòu)注定了低溫下的性能不是那么nice

作者: 冷水黃金 時(shí)間: 2022-4-16 23:00
本帖最后由冷水黃金于 2022-4-16 23:02 編輯

脆性材料在高應(yīng)力情況下，只能承受壓應(yīng)力。
拉應(yīng)力很難控制應(yīng)力集中，材料質(zhì)量、加工質(zhì)量、使用質(zhì)量、環(huán)境等，應(yīng)力集中數(shù)十到上百倍小意思。
手冊(cè)把脆性材料定為5% ，我估計(jì)也是經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)、研究、使用總結(jié)的：當(dāng)達(dá)到某個(gè)范圍時(shí)，能很好通過微變形抵消或分散應(yīng)力集中。
所以設(shè)計(jì)人員水平還有待磨練。

作者: 大蘿卜 時(shí)間: 2022-4-17 09:52
1，設(shè)計(jì)時(shí)工況選擇跟實(shí)際工況有差異；
2，安全系數(shù)不足

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-17 19:37
本帖最后由非法用戶于 2022-4-17 19:56 編輯

問題補(bǔ)充說明：
1.圖1為零件結(jié)構(gòu)，零件上開一深窄槽（長(zhǎng)60，寬4，深25），槽一邊開沉頭腰型孔，另一邊為M6螺紋。
2.圖2為零件安裝結(jié)構(gòu)。零件通過深窄槽插入底座耳片上，通過螺釘擰緊（力矩6N.m，計(jì)算時(shí)按5000N預(yù)緊力），加緊底座耳片（厚度3.85）實(shí)現(xiàn)零件固定。圖中裂紋是將表面出現(xiàn)裂紋的試驗(yàn)件人為分解后內(nèi)部裂紋走向，試驗(yàn)過程中并未完全斷開。
3.圖3為零件表面的裂紋走向，其中紅色、藍(lán)色裂紋為兩次試驗(yàn)的裂紋結(jié)果，為方便查看，畫在一張圖上了。從試驗(yàn)件斷口分析可知腰型槽底部圓角為裂紋起始點(diǎn)。
4.圖4為有限元仿真云圖，腰型槽底部圓角處（R0.5）應(yīng)力最大，約220MPa（所截圖不是實(shí)際載荷大小，不用看圖標(biāo)上的應(yīng)力值），破壞的話也應(yīng)該從這開始。
5.目前該零件已經(jīng)安裝了近1000件，4件出現(xiàn)了裂紋，如果是設(shè)計(jì)余量不足，出問題的數(shù)量應(yīng)該遠(yuǎn)不止4件。而且材料要求性能是不小于250MPa，從零件上截取試樣實(shí)測(cè)性能能達(dá)到280MPa以上，材料強(qiáng)度也沒問題。大家討論下來有這么幾個(gè)問題：
1.為什么無論是零件實(shí)際安裝還是做驗(yàn)證試驗(yàn)，裂紋都是很緩慢的出現(xiàn)，破壞形式和以往對(duì)脆性材料的理解不一致。
2.在零件材料實(shí)際性能遠(yuǎn)大于仿真應(yīng)力的情況下仍有4件出現(xiàn)裂紋，應(yīng)該是有除材料強(qiáng)度之外的其它因素出現(xiàn)了波動(dòng)，目前尚未找到。
3.仿真時(shí)擰緊力矩6N.m轉(zhuǎn)換為預(yù)緊力5000N，可能與實(shí)際預(yù)緊力不一致，還要進(jìn)一步驗(yàn)證。

作者: fangyunsheng 時(shí)間: 2022-4-18 13:31
1. 從圖3看，左下角出現(xiàn)干涉（底座圓角處），是模型錯(cuò)誤，還是實(shí)物也是如此？
2. 不知道受力情況，根據(jù)圖片，M6螺釘擰緊過程中，零件長(zhǎng)槽腔被底座支撐著（或者間隙很大），這時(shí)候零件只是受局部壓力，看你說的裂紋，好像零件長(zhǎng)槽內(nèi)是空的，被壓潰一樣；
3. 是不是真像圖3那樣有干涉，導(dǎo)致螺釘夾緊過程中產(chǎn)生了彎曲應(yīng)力？從名字看，下面的件叫底座，用來支撐的？怎么個(gè)受力情況？

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-18 15:24

fangyunsheng 發(fā)表于 2022-4-18 13:31
1. 從圖3看，左下角出現(xiàn)干涉（底座圓角處），是模型錯(cuò)誤，還是實(shí)物也是如此？
2. 不知道受力情況，根據(jù)圖 ...

模型中左邊的倒角生成錯(cuò)誤，實(shí)際零件是有倒角的，沒有干涉。
設(shè)計(jì)上槽的寬度為4（0，+0.1），支耳厚度4（-0.17，-0.05），設(shè)計(jì)最大間隙0.27，實(shí)物間隙一般在0.15左右。
破壞過程應(yīng)該是從應(yīng)力最大處（沉孔根部圓角處）開始，然后擴(kuò)展。問題是計(jì)算上即便是圓角處的最大應(yīng)力也未達(dá)到材料要求的屈服強(qiáng)度，而材料實(shí)測(cè)強(qiáng)度更高。還有就是為什么脆性材料這個(gè)裂紋擴(kuò)展過程卻非常緩慢，基本要10分鐘以上才會(huì)在表面看到裂紋。此外，破壞受力部位是由于螺釘預(yù)緊力，可是如果發(fā)生塑性變形或者出現(xiàn)裂紋有了位移，預(yù)緊力應(yīng)該馬上降低，裂紋應(yīng)該不會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展吧。

作者: cumtbm02 時(shí)間: 2022-4-18 19:07
安全系數(shù)太低了。對(duì)于仿真，有個(gè)不一定正確的想法，如果仿真結(jié)果不行，那就一定不能做，如果仿真結(jié)果可行，實(shí)際工況也不一定可行。因?yàn)樵诜抡娼５倪^程中，有太多的設(shè)置和實(shí)際工況不一致

作者: fangyunsheng 時(shí)間: 2022-4-19 08:13
本帖最后由 fangyunsheng 于 2022-4-19 08:16 編輯

非法用戶發(fā)表于 2022-4-18 15:24
模型中左邊的倒角生成錯(cuò)誤，實(shí)際零件是有倒角的，沒有干涉。
設(shè)計(jì)上槽的寬度為4（0，+0.1），支耳厚度4 ...

出現(xiàn)裂紋了，如果沒有完全消除應(yīng)力，裂紋肯定會(huì)繼續(xù)增大，直到應(yīng)力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15mm的間隙看著好像不大，但是要看比例啊，受力點(diǎn)距離支撐點(diǎn)（斷裂點(diǎn)）的距離看圖應(yīng)該不遠(yuǎn)，按變形比例就應(yīng)該不小了。如果有可能，中間塞片不銹鋼片或者銅皮試試，消除一些間隙。
另外檢查一下那個(gè)槽底部，是不是圓弧過渡，圖可以任意畫，但加工出來是不是這樣的就不好說了。

作者: 丹楓911 時(shí)間: 2022-4-19 08:57

fangyunsheng 發(fā)表于 2022-4-19 08:13
出現(xiàn)裂紋了，如果沒有完全消除應(yīng)力，裂紋肯定會(huì)繼續(xù)增大，直到應(yīng)力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15 ...

說的有道理，我們以前用磨具鋼做了一個(gè)淬火件，硬度HRC60,安裝時(shí)也是有個(gè)小間隙，裂開好幾個(gè)，后來加了個(gè)不銹鋼墊解決的。

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-19 09:16

cumtbm02 發(fā)表于 2022-4-18 19:07
安全系數(shù)太低了。對(duì)于仿真，有個(gè)不一定正確的想法，如果仿真結(jié)果不行，那就一定不能做，如果仿真結(jié)果可行， ...

仿真的條件實(shí)際是按最嚴(yán)酷考慮的：1.仿真間隙按最大設(shè)計(jì)間隙0.27設(shè)置，實(shí)物間隙一般在0.1~0.15之間；

2.仿真時(shí)是將支耳貼在深槽有螺紋一側(cè)，變形完全由沉頭孔一側(cè)承擔(dān)。實(shí)物是兩側(cè)都會(huì)變形；
3.螺釘安裝定力是6N.m，仿真時(shí)按手冊(cè)計(jì)算擰緊系數(shù)K取0.2，螺釘預(yù)緊力5000N。按其他項(xiàng)目做過的試驗(yàn)，自制件實(shí)物的K值一般要到0.3以上了，實(shí)際預(yù)緊力應(yīng)該不超過4000N；
4.零件實(shí)際材料的強(qiáng)度性能要比仿真時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)還要高出20%;
5.如果安全系數(shù)太低的話那么材料、工況、加工的任何波動(dòng)都會(huì)造成零件出現(xiàn)問題，問題零件數(shù)量應(yīng)該會(huì)比較多。但目前1000多件零件有問題的僅4件，應(yīng)該不是設(shè)計(jì)余量不足的問題。當(dāng)然，設(shè)計(jì)選材時(shí)僅考慮了強(qiáng)度參數(shù)，沒考慮斷裂韌性等參數(shù)影響，這是個(gè)設(shè)計(jì)問題。
我們對(duì)仿真的要求也是仿真不過就認(rèn)為實(shí)物肯定不行，仿真可以，那也要實(shí)物加嚴(yán)試驗(yàn)通過后才認(rèn)為可以。

作者: cumtbm02 時(shí)間: 2022-4-19 13:47

非法用戶發(fā)表于 2022-4-19 09:16
仿真的條件實(shí)際是按最嚴(yán)酷考慮的：1.仿真間隙按最大設(shè)計(jì)間隙0.27設(shè)置，實(shí)物間隙一般在0.1~0.15之間；

...

可以對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，一是化學(xué)成分，二是力學(xué)性能，三是金相組織，看是不是符合標(biāo)準(zhǔn)。

作者: 熱青茶 時(shí)間: 2022-4-19 16:22
本帖最后由熱青茶于 2022-4-19 16:31 編輯

有限元分析的網(wǎng)格劃分，與材料實(shí)際微觀晶相結(jié)構(gòu)是不同的，而且仿真不會(huì)出現(xiàn)破裂，只以應(yīng)力和變形表達(dá)。工況同實(shí)際肯定有出入，實(shí)際會(huì)比較復(fù)雜，比如振動(dòng)之類的，還有加工表面問題，所以只能參考，看趨勢(shì)。
既然選擇脆性材料，為什么在間隙間隙方向施加壓力？這種情況只能是硬接觸，除非厚度增加到變形可以忽略�？煽啃詼y(cè)試中應(yīng)該會(huì)超過50%的破裂。估計(jì)到用戶手里肯定會(huì)較多，等著投訴吧。按設(shè)計(jì)即使增加安全系數(shù)，也會(huì)因材料批次的不同而可能出現(xiàn)批量問題，說不定哪個(gè)批次會(huì)出現(xiàn)很多。屈服強(qiáng)度220，許用應(yīng)力頂多只有120吧。

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-20 10:43

cumtbm02 發(fā)表于 2022-4-19 13:47
可以對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，一是化學(xué)成分，二是力學(xué)性能，三是金相組織，看是不是符合標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)本批零件的原材料檢驗(yàn)記錄進(jìn)行了檢查，也從零件上截取了試片進(jìn)行了性能測(cè)試，化學(xué)成分、力學(xué)性能、內(nèi)部缺陷都符合材料標(biāo)準(zhǔn)�，F(xiàn)在也考慮標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的項(xiàng)目可能有缺陷，不足以涵蓋在該工況下材料應(yīng)有的性能。目前已經(jīng)請(qǐng)?jiān)牧蠌S家補(bǔ)測(cè)斷裂韌性等參數(shù)，不過這些參數(shù)該怎么用，標(biāo)準(zhǔn)值定為多少合適還沒思路。

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-20 11:07

熱青茶發(fā)表于 2022-4-19 16:22
有限元分析的網(wǎng)格劃分，與材料實(shí)際微觀晶相結(jié)構(gòu)是不同的，而且仿真不會(huì)出現(xiàn)破裂，只以應(yīng)力和變形表達(dá)。工況 ...

因?yàn)榱慵惭b、重量、外形等其它約束條件導(dǎo)致設(shè)計(jì)形式是這樣的。零件設(shè)計(jì)做仿真時(shí)按最大設(shè)計(jì)間隙、最大加載載荷、最小材料性能做的計(jì)算，最大應(yīng)力處的應(yīng)力也小于材料屈服，所以認(rèn)為有一定余量的。當(dāng)然這是僅考慮強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)斷裂韌性等指標(biāo)如何驗(yàn)證還在想辦法。目前該零件已安裝近1000件，出問題的零件為4件。

作者: 非法用戶 時(shí)間: 2022-4-22 10:07
批量報(bào)廢沒問題，可現(xiàn)在找不到問題的根本原因，是設(shè)計(jì)問題？材料問題？加工問題？裝配問題？
這批報(bào)廢了，下批怎么改進(jìn)呢？會(huì)不會(huì)再出現(xiàn)同樣問題，或者不從這裂，變成從其他地方開裂呢？
因?yàn)橄旅娴牡鬃婕暗狡渌麖S家了，還想盡可能不要夸單位改動(dòng)。

作者: 開心789 時(shí)間: 2022-4-24 09:26
基本可以確定是設(shè)計(jì)問題。因?yàn)槭桥砍霈F(xiàn)問題，而沒有出現(xiàn)問題的地方也只是時(shí)間問題，長(zhǎng)時(shí)間觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)這批零件都會(huì)出問題。
看問題描述應(yīng)該是疲勞強(qiáng)度不足導(dǎo)致的，出現(xiàn)細(xì)微裂紋再逐步擴(kuò)大，最后出現(xiàn)斷裂。僅供參考。

作者: 水水5 時(shí)間: 2022-4-24 13:33
大神們都說的對(duì)。剛畢業(yè)的同學(xué)一般都會(huì)遇到這樣的問題。設(shè)計(jì)時(shí)以屈服極限作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，實(shí)際工況其實(shí)是疲勞失效。一定要考慮疲勞的情況，因?yàn)椴皇鞘褂靡淮�，而是使用一年兩年�?hr noshade size="2" width="100%" color="#808080"> 作者: 象山哥哥 時(shí)間: 2022-4-25 16:51
這個(gè)結(jié)構(gòu)本身就是要讓零件1形變壓緊零件2的，所以有沒有計(jì)算零件1在配合件公差的極限形變量是多少？

歡迎光臨機(jī)械社區(qū) (http://e-learninguniversity.com/)