【材料課件】第一章機械零件的失效形式-1

第一章機械零件的失效分析本章主要內(nèi)容零件的過量變形以及性能指標(biāo)零件的斷裂及性能指標(biāo)零件在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標(biāo)零件的磨損失效以及防止零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效關(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(biāo)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(biāo)?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標(biāo)有哪些?問題一、材料的靜載性能指標(biāo)剛度和強度指標(biāo)彈性和塑性指標(biāo)硬度指標(biāo)韌性指標(biāo)（放在斷裂中講）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(biāo)試樣的靜拉伸過程彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形（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(biāo)單位：MPa（2）彈性和塑性指標(biāo)

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(biāo)：彈性能（彈性比功）m塑性指標(biāo)：斷后伸長率d斷面收縮

硬度

硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。

硬度指標(biāo)：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二、過量變形失效過量彈性變形及抗力指標(biāo)（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(biāo)：彈性模量E或者切變模量G過量塑性變形及抗力指標(biāo)（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(biāo)：比例極限、彈性極限和屈服極限總結(jié)零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足抗力指標(biāo)：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。本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標(biāo)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(xué)性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標(biāo)：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(biāo)。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.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(xué)性能指標(biāo)有哪些？材料韌性指標(biāo)的含義及應(yīng)用？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。韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷口脆性斷口二、沖擊韌性及衡量指標(biāo)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(biāo)：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)材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用三、斷裂韌性及衡量指標(biāo)斷裂韌度KIC:是評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，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(dǎo)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。四、影響脆性斷裂的因素加載方式材料本質(zhì)溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸總結(jié)材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標(biāo)：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，也可用于一般零件的抗斷裂設(shè)計；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(biāo)均可用合金化和熱處理等方法改變。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(biāo)有哪些？在設(shè)計中如何使用這些指標(biāo)？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。二、疲勞斷口的特點示意圖疲勞源區(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)三、疲勞抗力指標(biāo)無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)：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

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<105疲勞曲線N1,N2,N3,N4都是過載持久值四、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)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(biāo)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。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（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磨粒磨損（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦?xí)r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(dǎo)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（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?xí)r，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。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(xué)腐蝕的條件是什么？改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么一、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(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類： 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕二、腐蝕過程及防止化學(xué)腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）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，防止基體金屬進一步氧化。電化學(xué)腐蝕條件：存在電極電位差，并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。電化學(xué)腐蝕的過程陽極：失去電子，MMn++ne(被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng)三、零件防止腐蝕的措施對于化學(xué)腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。對于電化學(xué)腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學(xué)保護；加緩蝕劑第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和

斷裂失效問題金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點？什么是材料的蠕變？評價金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？一、材料在高溫下的力學(xué)行為材料的強度隨溫度的升高而降抵。高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。二蠕變和蠕變曲線蠕變：材料在長時間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變曲線I減速蠕變階段II恒速蠕變階段III加速蠕變階段三、評價材料高溫力學(xué)性能的指標(biāo)蠕變極限：是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力指標(biāo)。

（2）給定溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應(yīng)力值，符號為：表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，符號為持久強度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。 表示方法：用給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時的應(yīng)力表示，sTtt---時間；T----溫度；四、高溫下零件的失效和防止高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施：正確選材；（選熔點高、組織穩(wěn)定的材料）表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）第一章的作業(yè)習(xí)題與思考題1、3、4、5、9、12、13第二章碳鋼碳鋼：以鐵、碳為主要成分的合金。合金：指通過熔煉、燒結(jié)或者其它方法，將一種合金元素和另一種或者幾種元素結(jié)合在一起形成具有金屬特性的新物質(zhì)。碳鋼的分類和牌號一碳鋼的分類1按含碳量分類低碳鋼（Wc<0.25%)中碳鋼(0.3%<Wc<0.6)高碳鋼(Wc>0.6)2按質(zhì)量分類普通碳素鋼Ws<0.035％Wp<0.035%優(yōu)質(zhì)碳素鋼Ws<0.030%Wp<0.030%高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼Ws<0.02%Wp<0.03%按硫磷雜質(zhì)含量而定硫磷雜質(zhì)含量越少，鋼的質(zhì)量越高！3按用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：用于制造工程構(gòu)件和機器零件的鋼，如橋梁、船舶以及建筑用鋼，齒輪、軸、連桿等普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)鋼，通常是低碳鋼、中碳鋼碳素工具鋼：用于制造各種刃具、量具、模具等，如手工鋸鋸條、游標(biāo)卡尺、冷作模具等用優(yōu)質(zhì)鋼或者高級優(yōu)質(zhì)鋼，一般為高碳鋼二碳鋼的牌號和應(yīng)用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：主要保證力學(xué)性能，在牌號上直接體現(xiàn)。不經(jīng)過熱處理，直接在供應(yīng)狀態(tài)下用牌號Q數(shù)字“屈”的漢語拼音第一個字母、屈服強度用途:用于橋梁、建筑、各種型鋼和鉚釘、螺釘、螺母等。

Q275,Q210Q數(shù)字-A(B,C,D)·F(b)A,B,C,D鋼的含硫、磷量依次降低，質(zhì)量變好F沸騰鋼b表示半鎮(zhèn)定鋼例子2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，需要熱處理獲得需要的性能。牌號含義：用兩位數(shù)字表示含碳量的萬分數(shù)

0808F1010F塑性韌性好，冷成型性和焊接性能好， 可冷軋成薄板，用于儀器儀表外殼、汽 車車身等404550 綜合性能好，用于軸類零件，如曲軸、 連桿等65 彈性極限高，主要用于彈簧類零件常用牌號及應(yīng)用3碳素工具鋼要求：保證化學(xué)成分和力學(xué)性能，需要熱處理獲得需要的性能T8T8A制造沖頭、剪切金屬的剪刀等T10T10AT12A用于制造沖模、絲錐、卡尺、手鋸鋸條等性能特點：硬度高，耐磨性好常用牌號及應(yīng)用牌號含義：T數(shù)字(A)含碳量的千分數(shù)高級優(yōu)質(zhì)鋼樹立質(zhì)量法制觀念、提高全員質(zhì)量意識。11月-2411月-24Friday,November22,2024人生得意須盡歡，莫使金樽空對月。13:51:2413:51:2413:5111/22/20241:51:24PM安全