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标题:关于脆性金属材料性能求助 [打印本页]

作者:非法用户 时间:2022-4-16 20:55
标题:关于脆性金属材料性能求助
设计中一个零件选用了一种镁合金材料，强度极限约300MPa，屈服极限约220MPa，延伸率约1.5%。
按工况进行了有限元仿真，应力集中处最大应力约200MPa，结构不会发生破坏。但是实际做加载试验，并贴应变片进行监测，会发现当加载到工况载荷时应变测量值达到一个峰值后会缓慢持续下降，零件本身看不出失效。约10分钟后，在零件表面出现一条从应力集中处开始的裂纹。重复几次试验都是这种结果。请教大家几个问题：
1.延伸率1.5%肯定是脆性材料了，一般认为脆性材料的破坏应该是非常快的，基本是一旦到强度极限瞬间就应该破坏了。可试验发现零件出现裂纹是个缓慢的过程，就像掰馒头一样，一点点的裂开，甚至有几个试验件虽然应变测量值在下降，但最后零件表面并没有出现裂纹。脆性材料在什么条件下会出现这种现象？
2.试验时零件加载是通过拧紧一个螺钉施加压力，理论上当零件发生塑性变形也好、出现裂纹失效也好，螺钉这个预紧力应该很快降低，应变降到一定程度应该不再变化吧，为什么实际应变是持续下降呢？
3.当初选用这个材料时有人觉得延伸率太低不能用，但设计师觉得仿真算下来强度够了，只要材料没有内部缺陷哪怕延伸率低也没问题，这种看法是否正确？
4.设计师选材料时只关注了强度极限、屈服极限、延伸率这几个指标，但现在看下来应该还有其它材料参数会影响零件使用，请问对脆性材料，除了这几个指标，还应该关注哪些参数呢？

作者:魍者归来 时间:2022-4-16 21:59
不知道啥工况，啥结构，不好瞎说。不过常见镁合金的最优工作环境都不是室温。你要确认一下零件的工况温度和实验的温度是否一致。镁合金的晶体结构注定了低温下的性能不是那么nice

作者:冷水黄金 时间:2022-4-16 23:00
本帖最后由冷水黄金于 2022-4-16 23:02 编辑

脆性材料在高应力情况下，只能承受压应力。
拉应力很难控制应力集中，材料质量、加工质量、使用质量、环境等，应力集中数十到上百倍小意思。
手册把脆性材料定为5% ，我估计也是经过长期实验、研究、使用总结的：当达到某个范围时，能很好通过微变形抵消或分散应力集中。
所以设计人员水平还有待磨练。

作者:大萝卜 时间:2022-4-17 09:52
1，设计时工况选择跟实际工况有差异；
2，安全系数不足

作者:非法用户 时间:2022-4-17 19:37
本帖最后由非法用户于 2022-4-17 19:56 编辑

问题补充说明：
1.图1为零件结构，零件上开一深窄槽（长60，宽4，深25），槽一边开沉头腰型孔，另一边为M6螺纹。
2.图2为零件安装结构。零件通过深窄槽插入底座耳片上，通过螺钉拧紧（力矩6N.m，计算时按5000N预紧力），加紧底座耳片（厚度3.85）实现零件固定。图中裂纹是将表面出现裂纹的试验件人为分解后内部裂纹走向，试验过程中并未完全断开。
3.图3为零件表面的裂纹走向，其中红色、蓝色裂纹为两次试验的裂纹结果，为方便查看，画在一张图上了。从试验件断口分析可知腰型槽底部圆角为裂纹起始点。
4.图4为有限元仿真云图，腰型槽底部圆角处（R0.5）应力最大，约220MPa（所截图不是实际载荷大小，不用看图标上的应力值），破坏的话也应该从这开始。
5.目前该零件已经安装了近1000件，4件出现了裂纹，如果是设计余量不足，出问题的数量应该远不止4件。而且材料要求性能是不小于250MPa，从零件上截取试样实测性能能达到280MPa以上，材料强度也没问题。大家讨论下来有这么几个问题：
1.为什么无论是零件实际安装还是做验证试验，裂纹都是很缓慢的出现，破坏形式和以往对脆性材料的理解不一致。
2.在零件材料实际性能远大于仿真应力的情况下仍有4件出现裂纹，应该是有除材料强度之外的其它因素出现了波动，目前尚未找到。
3.仿真时拧紧力矩6N.m转换为预紧力5000N，可能与实际预紧力不一致，还要进一步验证。

作者:fangyunsheng 时间:2022-4-18 13:31
1. 从图3看，左下角出现干涉（底座圆角处），是模型错误，还是实物也是如此？
2. 不知道受力情况，根据图片，M6螺钉拧紧过程中，零件长槽腔被底座支撑着（或者间隙很大），这时候零件只是受局部压力，看你说的裂纹，好像零件长槽内是空的，被压溃一样；
3. 是不是真像图3那样有干涉，导致螺钉夹紧过程中产生了弯曲应力？从名字看，下面的件叫底座，用来支撑的？怎么个受力情况？

作者:非法用户 时间:2022-4-18 15:24

fangyunsheng 发表于 2022-4-18 13:31
1. 从图3看，左下角出现干涉（底座圆角处），是模型错误，还是实物也是如此？
2. 不知道受力情况，根据图 ...

模型中左边的倒角生成错误，实际零件是有倒角的，没有干涉。
设计上槽的宽度为4（0，+0.1），支耳厚度4（-0.17，-0.05），设计最大间隙0.27，实物间隙一般在0.15左右。
破坏过程应该是从应力最大处（沉孔根部圆角处）开始，然后扩展。问题是计算上即便是圆角处的最大应力也未达到材料要求的屈服强度，而材料实测强度更高。还有就是为什么脆性材料这个裂纹扩展过程却非常缓慢，基本要10分钟以上才会在表面看到裂纹。此外，破坏受力部位是由于螺钉预紧力，可是如果发生塑性变形或者出现裂纹有了位移，预紧力应该马上降低，裂纹应该不会继续扩展吧。

作者:cumtbm02 时间:2022-4-18 19:07
安全系数太低了。对于仿真，有个不一定正确的想法，如果仿真结果不行，那就一定不能做，如果仿真结果可行，实际工况也不一定可行。因为在仿真建模的过程中，有太多的设置和实际工况不一致

作者:fangyunsheng 时间:2022-4-19 08:13
本帖最后由 fangyunsheng 于 2022-4-19 08:16 编辑

非法用户发表于 2022-4-18 15:24
模型中左边的倒角生成错误，实际零件是有倒角的，没有干涉。
设计上槽的宽度为4（0，+0.1），支耳厚度4 ...

出现裂纹了，如果没有完全消除应力，裂纹肯定会继续增大，直到应力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15mm的间隙看着好像不大，但是要看比例啊，受力点距离支撑点（断裂点）的距离看图应该不远，按变形比例就应该不小了。如果有可能，中间塞片不锈钢片或者铜皮试试，消除一些间隙。
另外检查一下那个槽底部，是不是圆弧过渡，图可以任意画，但加工出来是不是这样的就不好说了。

作者:丹枫911 时间:2022-4-19 08:57

fangyunsheng 发表于 2022-4-19 08:13
出现裂纹了，如果没有完全消除应力，裂纹肯定会继续增大，直到应力完全消失以后，尤其是脆性材料。
0.15 ...

说的有道理，我们以前用磨具钢做了一个淬火件，硬度HRC60,安装时也是有个小间隙，裂开好几个，后来加了个不锈钢垫解决的。

作者:非法用户 时间:2022-4-19 09:16

cumtbm02 发表于 2022-4-18 19:07
安全系数太低了。对于仿真，有个不一定正确的想法，如果仿真结果不行，那就一定不能做，如果仿真结果可行， ...

仿真的条件实际是按最严酷考虑的：1.仿真间隙按最大设计间隙0.27设置，实物间隙一般在0.1~0.15之间；

2.仿真时是将支耳贴在深槽有螺纹一侧，变形完全由沉头孔一侧承担。实物是两侧都会变形；
3.螺钉安装定力是6N.m，仿真时按手册计算拧紧系数K取0.2，螺钉预紧力5000N。按其他项目做过的试验，自制件实物的K值一般要到0.3以上了，实际预紧力应该不超过4000N；
4.零件实际材料的强度性能要比仿真时的评价指标还要高出20%;
5.如果安全系数太低的话那么材料、工况、加工的任何波动都会造成零件出现问题，问题零件数量应该会比较多。但目前1000多件零件有问题的仅4件，应该不是设计余量不足的问题。当然，设计选材时仅考虑了强度参数，没考虑断裂韧性等参数影响，这是个设计问题。
我们对仿真的要求也是仿真不过就认为实物肯定不行，仿真可以，那也要实物加严试验通过后才认为可以。

作者:cumtbm02 时间:2022-4-19 13:47

非法用户发表于 2022-4-19 09:16
仿真的条件实际是按最严酷考虑的：1.仿真间隙按最大设计间隙0.27设置，实物间隙一般在0.1~0.15之间；

...

可以对材料进行复验，一是化学成分，二是力学性能，三是金相组织，看是不是符合标准。

作者:热青茶 时间:2022-4-19 16:22
本帖最后由热青茶于 2022-4-19 16:31 编辑

有限元分析的网格划分，与材料实际微观晶相结构是不同的，而且仿真不会出现破裂，只以应力和变形表达。工况同实际肯定有出入，实际会比较复杂，比如振动之类的，还有加工表面问题，所以只能参考，看趋势。
既然选择脆性材料，为什么在间隙间隙方向施加压力？这种情况只能是硬接触，除非厚度增加到变形可以忽略。可靠性测试中应该会超过50%的破裂。估计到用户手里肯定会较多，等着投诉吧。按设计即使增加安全系数，也会因材料批次的不同而可能出现批量问题，说不定哪个批次会出现很多。屈服强度220，许用应力顶多只有120吧。

作者:非法用户 时间:2022-4-20 10:43

cumtbm02 发表于 2022-4-19 13:47
可以对材料进行复验，一是化学成分，二是力学性能，三是金相组织，看是不是符合标准。

对本批零件的原材料检验记录进行了检查，也从零件上截取了试片进行了性能测试，化学成分、力学性能、内部缺陷都符合材料标准。现在也考虑标准检测的项目可能有缺陷，不足以涵盖在该工况下材料应有的性能。目前已经请原材料厂家补测断裂韧性等参数，不过这些参数该怎么用，标准值定为多少合适还没思路。

作者:非法用户 时间:2022-4-20 11:07

热青茶发表于 2022-4-19 16:22
有限元分析的网格划分，与材料实际微观晶相结构是不同的，而且仿真不会出现破裂，只以应力和变形表达。工况 ...

因为零件安装、重量、外形等其它约束条件导致设计形式是这样的。零件设计做仿真时按最大设计间隙、最大加载载荷、最小材料性能做的计算，最大应力处的应力也小于材料屈服，所以认为有一定余量的。当然这是仅考虑强度指标，对断裂韧性等指标如何验证还在想办法。目前该零件已安装近1000件，出问题的零件为4件。

作者:非法用户 时间:2022-4-22 10:07
批量报废没问题，可现在找不到问题的根本原因，是设计问题？材料问题？加工问题？装配问题？
这批报废了，下批怎么改进呢？会不会再出现同样问题，或者不从这裂，变成从其他地方开裂呢？
因为下面的底座涉及到其他厂家了，还想尽可能不要夸单位改动。

作者:开心789 时间:2022-4-24 09:26
基本可以确定是设计问题。因为是批量出现问题，而没有出现问题的地方也只是时间问题，长时间观察就会发现这批零件都会出问题。
看问题描述应该是疲劳强度不足导致的，出现细微裂纹再逐步扩大，最后出现断裂。仅供参考。

作者:水水5 时间:2022-4-24 13:33
大神们都说的对。刚毕业的同学一般都会遇到这样的问题。设计时以屈服极限作为设计准则，实际工况其实是疲劳失效。一定要考虑疲劳的情况，因为不是使用一次，而是使用一年两年。

作者:象山哥哥 时间:2022-4-25 16:51
这个结构本身就是要让零件1形变压紧零件2的，所以有没有计算零件1在配合件公差的极限形变量是多少？

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