機械零件的失效形式

機械零件的失效形式第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五關(guān)于失效的基本概念1零件（構(gòu)件）的功能（1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；（2）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動；（3）傳遞力和能。失效的定義和形式

定義:零件失去設(shè)計所要求的效能（功能）稱為失效。

常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形材料的靜載性能指標有哪些?什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設(shè)計時應(yīng)選擇什么性能指標?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標有哪些?問題第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五一、材料的靜載性能指標剛度和強度指標彈性和塑性指標硬度指標韌性指標（放在斷裂中講）第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五1、剛度剛度：零構(gòu)件在受力時抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。剛度越大，零構(gòu)件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）2、強度、彈性塑性指標試樣的靜拉伸過程第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五（1）強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力比例極限sp彈性極限se屈服強度ss抗拉強度sb斷裂強度sk強度指標單位：MPa第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五（2）彈性和塑性指標

彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。

塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。彈性指標：彈性能（彈性比功）m塑性指標：斷后伸長率d

斷面收縮第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五硬度

硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。

硬度指標：物理意義與試驗方法有關(guān)滑痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛）布氏硬度（HBS)淬火鋼球洛氏硬度(HRC)（錐角為120°的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136°的金剛石四棱錐體為壓頭第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五二、過量變形失效過量彈性變形及抗力指標（1）零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形失效：

Dl[Dl](拉壓或者彎曲條件下）或者q[q]（扭轉(zhuǎn)條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠（3）抗力指標：彈性模量E或者切變模量G第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五過量塑性變形及抗力指標（1）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量（2）原因：偶而過載或者零構(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠（3）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服極限第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五總結(jié)零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足抗力指標：彈性模量E或者切變模量G強調(diào)！金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五本節(jié)中所講的材料的力學性能指標及應(yīng)用剛度：在設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等彈性指標：彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標：屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)計。硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂問題斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷裂的斷裂過程的區(qū)別在哪里？什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學性能指標有哪些？材料韌性指標的含義及應(yīng)用？第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五一、基本概念靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷口脆性斷口第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五二、沖擊韌性及衡量指標沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標：沖擊吸收功Ak

沖擊韌度ak(ak＝Ak/Fk)應(yīng)用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計。低溫沖擊試驗：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK)第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五三、斷裂韌性及衡量指標斷裂韌度KIC:是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

單位：MPa·m1/2

或者MN·m-3/2應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材）

KI

<KIC構(gòu)件安全

KI

>KIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂

KI

＝KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件3 應(yīng)用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子等。第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五四、影響脆性斷裂的因素溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五總結(jié)材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計。材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法改變。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂問題什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個部分組成？疲勞抗力指標有哪些？在設(shè)計中如何使用這些指標？第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五一、基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五二、疲勞斷口的特點疲勞斷口示意圖第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌一個疲勞源兩個疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞源區(qū)第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五三、疲勞抗力指標無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標：疲勞極限過載持久值疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。疲勞曲線第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五

圖1－11兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）條件疲勞極限疲勞極限第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<1052 帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標裂紋擴展速率（da/dN)疲勞裂紋擴展門檻值(DKth）第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五四、影響疲勞抗力的因素載荷類型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì)第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五總結(jié)疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。工作應(yīng)力s<疲勞極限，構(gòu)件不發(fā)生疲勞斷裂。工作應(yīng)力s>疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)力越大，過載持久值越低。3 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)零件的磨損失效

本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。一、磨損的基本概念產(chǎn)生磨損的條件磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五二、磨損的過程和機理粘著磨損（1）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。（2）過程滑動第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五（3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。（4）防止措施合理選材，摩擦幅配對材料選用硬度差較大的異類材料；提高表面硬度；合理設(shè)計減小接觸壓應(yīng)力；減小表面粗糙度。局部粘著粘著處被撕掉金屬表面被劃傷或者金屬屑粒脫落第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五磨粒磨損（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質(zhì)磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。

（2）過程金屬表面發(fā)生局部塑性變形磨粒嵌入金屬表面，切割金屬表面表面被劃傷第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五（4）防止措施提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）（1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應(yīng)力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。

（3）主要防止措施提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五總結(jié)磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機理不同，因此其主要的預(yù)防措施也不同。提高零件表面硬度，合理設(shè)計減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)零件的腐蝕失效問題1什么是腐蝕？可分為幾類？高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？發(fā)生電化學腐蝕的條件是什么？改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五一、腐蝕的定義和分類腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)或者電化學反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類： 化學腐蝕 電化學腐蝕二、腐蝕過程及防止化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）第39頁，共42頁，2023年，2月20日，星期五高溫氧化過程：（1）金屬失去電子成為金屬離子（2）氧原子吸收電子成為氧離子（3）金屬離子和氧離子結(jié)合為金屬氧化物基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一