第一章 机械零件的失效分析

1、工程材料基础工程材料基础 1材料是社会进步的先导材料是社会进步的先导 材料对人类社会发展起着巨大的推动作用材料对人类社会发展起着巨大的推动作用 绪绪 论论 陶器时代陶器时代 铜器时代铜器时代 铁器时代铁器时代 钢铁时代钢铁时代 新材料时代新材料时代 2材料与技术进步材料与技术进步 能源、信息和材料是现代技术的三大支柱能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的的开发而获得突破性进展的 1911年，德国开发出了强度与软钢相近的年，德国开发出了强度与软钢相近的 硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业硬铝合金

2、后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代迈进了能够制造特大型飞机的时代 半导体的出现，使人类文明迈上了新的台阶半导体的出现，使人类文明迈上了新的台阶 20世纪最后一次技术革命导致了超导技术的出现世纪最后一次技术革命导致了超导技术的出现 利用车中超导磁体与地面线圈之间的电磁利用车中超导磁体与地面线圈之间的电磁 排斥力能制造出时速高达排斥力能制造出时速高达500Km的磁悬浮的磁悬浮 列车列车 3. 工程材料及分类工程材料及分类 材料属性分类，工程材料分为：材料属性分类，工程材料分为： 高分子材料高分子材

3、料 4. 材料科学与工程的基本要素材料科学与工程的基本要素 材料科学是一门着重于材料本质的发现、材料科学是一门着重于材料本质的发现、 分析和研究的科学分析和研究的科学 作用：解释材料内部结构与使用性能的关系作用：解释材料内部结构与使用性能的关系 材料工程属于技术范畴材料工程属于技术范畴 作用：确定合理的生产工艺来控制材料的内作用：确定合理的生产工艺来控制材料的内 部结构，优化材料的性能部结构，优化材料的性能 基本要素：材料的成分、结构、制造工艺基本要素：材料的成分、结构、制造工艺 和使用性能和使用性能 5. 学习目的学习目的 了解材料成分、结构、制备工艺与性能的关系了解材料成分、结构、制备工艺

4、与性能的关系 熟悉各种工程材料的特性熟悉各种工程材料的特性 能够做到正确选材和用材能够做到正确选材和用材 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能工艺性能工艺性能 第一章第一章 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 一、失效的定义和失效分析的任务一、失效的定义和失效分析的任务 1. 失效的定义失效的定义 机械产品的主要质量标志机械产品的主要质量标志: 失效的表现：失效的表现： 完全丧失功能完全丧失功能 功能衰退功能衰退 失去可靠性与安全性失去可靠性与安全性 2. 失效分析的任务失效分析的任务 产品生产过程：产品生产过程： 二、失效分析的重要性和作用二、失效分析的重要性和作用 1. 失效的

5、危害性失效的危害性 2. 技术革命与失效研究技术革命与失效研究 重大技术革命都与失效分析有关重大技术革命都与失效分析有关 3. 失效分析的积极作用失效分析的积极作用 能促进老材料的改进和新材料的开发能促进老材料的改进和新材料的开发 能促进产品结构的改进能促进产品结构的改进 能促进生产工艺的改进能促进生产工艺的改进 有利于责任事故的仲裁有利于责任事故的仲裁 三、失效分析与防止的基本思路三、失效分析与防止的基本思路 对不同服役条件下的零件做具体分析，对不同服役条件下的零件做具体分析， 从中找出主要的失效方式和主要的失效从中找出主要的失效方式和主要的失效 抗力指标抗力指标 2. 运用金属学和材料强度

6、学等知识运用金属学和材料强度学等知识，分分 析主要失效抗力指标与材料成分和组析主要失效抗力指标与材料成分和组 织结构的关系织结构的关系 3. 根据不同服役条件下，材料的强度、根据不同服役条件下，材料的强度、 塑性及韧性应具有不同配合的规律，塑性及韧性应具有不同配合的规律， 分析失效零件现行的选材和用材技术分析失效零件现行的选材和用材技术 条件所存在的问题，提出改进措施条件所存在的问题，提出改进措施 第一节第一节 零件在常温静载下的过量变形零件在常温静载下的过量变形 一、工程材料在静拉伸时的应力应变行为一、工程材料在静拉伸时的应力应变行为 低碳钢拉伸时的应力应变曲线低碳钢拉伸时的应力应变曲线 弹

7、性极限（弹性极限（ s se）：）： 衡量材料最大弹性衡量材料最大弹性 变形的抗力指标变形的抗力指标 比例极限（比例极限（s sp）：）： 保证材料的弹性变保证材料的弹性变 形能按正比关系变形能按正比关系变 化的最大抗力指标化的最大抗力指标 s sePe / Fo s spPP / Fo 为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据效，产品设计时应以屈服极限为依据 加工硬化的技术意义：加工硬化的技术意义： 1.1.能提高机件的安全性能提高机件的安全性 2.2.能获得截面均匀一致的产品能获得截面均匀一致的产品 屈服极限（屈

8、服极限（s sS Ps / Fo）：材料抵抗起始塑）：材料抵抗起始塑 性变形的抗力指标性变形的抗力指标 塑性变形导致的材料强度塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象升高、塑性降低现象 3. 是金属材料的一种有效强化方法是金属材料的一种有效强化方法 对热处理不能强化的金属，加工硬化是有效对热处理不能强化的金属，加工硬化是有效 的强化手段的强化手段 当应当应力力达达到到s sb ，加工硬化加工硬化导导致的强度升高不致的强度升高不 能能补偿试样补偿试样截面截面积减积减小所引起的承小所引起的承载载能力降能力降 低低 时时，试样试样便便会会出出现缩颈现缩颈 抗拉强度（抗拉强度（ s sbPb / F

9、o ）：材料对最大均）：材料对最大均 匀塑性变形的抗力指标匀塑性变形的抗力指标 断裂强度断裂强度( s( sk kPk / Fo ）：材料对塑性变：材料对塑性变 形的极限抗力形的极限抗力 伸长率：指试样断裂后的残留变形伸长率：指试样断裂后的残留变形L L 与试样原始长度与试样原始长度L Lo的百分比的百分比 断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量量F F与与试样原始试样原始截面积截面积Fo的百分比的百分比 = Lk Lo / Lo 100% = Fo Fk / Fo 100% 洛氏硬度（洛氏硬度（HRCHRC）：用钢球或金刚石锥压入材料用钢球或金刚石锥压入材料

10、 表面，以压入深度的大小来度量材料硬度表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（布氏硬度（HBHB）：用钢球压入材料表面，以单位用钢球压入材料表面，以单位 压压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度 纯金属、陶瓷、橡胶纯金属、陶瓷、橡胶 等材料的应力应变行等材料的应力应变行 为与低碳钢不同为与低碳钢不同 硬度硬度: 表征材料软硬表征材料软硬 程度的性能指标程度的性能指标 条件条件s ss对应的塑性变形量为对应的塑性变形量为0.010.5% 二、过量变形失效二、过量变形失效 1.1.过量弹性变形失效及抗力指标过量弹性变形失效及抗力指标 材料在弹性变形范围内，

11、应力和应变遵守虎克定律材料在弹性变形范围内，应力和应变遵守虎克定律 单向拉伸时的弹性模量：单向拉伸时的弹性模量： EAP/ 刚度：零件抵抗弹性变形的能力刚度：零件抵抗弹性变形的能力 sAP E EAEA：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小 材料的弹性极限越高，弹性模量越低，弹性就越材料的弹性极限越高，弹性模量越低，弹性就越 好，在变形过程中吸收的弹性能就越多好，在变形过程中吸收的弹性能就越多 2.2.过量塑性变形失效及抗力指标过量塑性变形失效及抗力指标 产生过量塑性变形的原因：产生过量塑性变形的原因： 偶然过载或零件自身抵抗塑性偶然过载或零件自身抵抗塑性 变

12、形的能力不足变形的能力不足 炮筒炮筒： s s s sp/n/n n n 1 1 紧固螺栓：紧固螺栓：s s s ss s/n/n弹弹n n 1 1 s se 材料抵抗过量弹性变形的指标：弹性模量材料抵抗过量弹性变形的指标：弹性模量 金属材料的弹性模量是本身固有的性质金属材料的弹性模量是本身固有的性质 要求：要求： 进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性 变形的能力变形的能力 掌握加工硬化的定义和技术意义掌握加工硬化的定义和技术意义 掌握静拉伸指标的物理意义及用途掌握静拉伸指标的物理意义及用途 力学力学 性能性能 指标指标 的应的应 用用 为防止构件发

13、生过量弹性变为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等镗床的镗杆等 弹性极限是弹性零件考虑的弹性极限是弹性零件考虑的 性能指标。如汽车板簧等性能指标。如汽车板簧等 屈服强度和塑性指标可用于屈服强度和塑性指标可用于 结构零件的抗断裂设计结构零件的抗断裂设计 硬度指标硬度指标是耐磨零件考虑的耐磨零件考虑的 性能指标。如滚珠轴承等性能指标。如滚珠轴承等 第二节第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂零件在静载和冲击载荷下的断裂 一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念 低碳钢在静拉伸低碳钢在静拉伸时时，断裂过程包括了弹性变形，断裂过程包括了弹性变形、

14、 弹塑性变形和断裂三个阶段弹塑性变形和断裂三个阶段 韧性断裂：经过大量塑韧性断裂：经过大量塑 性变形后发生的断裂性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑脆性断裂：几乎不经塑 性变形发生的断裂性变形发生的断裂 微裂纹微裂纹扩展至临界裂纹扩展至临界裂纹快速扩展至断裂快速扩展至断裂 裂纹亚稳扩展阶段裂纹亚稳扩展阶段 裂纹失稳扩展阶段裂纹失稳扩展阶段 扩展速度慢扩展速度慢 扩展速度快扩展速度快 韧性韧性断裂经过以下阶段断裂经过以下阶段： 发生塑性变形发生塑性变形产生产生缩颈缩颈 在缩颈中心产生显微空洞在缩颈中心产生显微空洞 空洞聚合形成中心裂纹空洞聚合形成中心裂纹 裂纹向外扩展导致试样断裂裂纹向外扩展

15、导致试样断裂 韧断：材料断裂前能发生大量塑性变形韧断：材料断裂前能发生大量塑性变形 脆断：材料断裂前没有明显塑性变形脆断：材料断裂前没有明显塑性变形 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力 二、影响脆断的因素二、影响脆断的因素 1.1.加载方式和材料本质的影响加载方式和材料本质的影响 材料在断裂过程中吸收的能量越多，材料材料在断裂过程中吸收的能量越多，材料 的韧性越好，脆断倾向越小的韧性越好，脆断倾向越小 工件上任一点处的应力，都工件上任一点处的应力，都能能分解成与受力面分解成与受力面 平行的切应力和与受力面垂直的正应力两部分平行的切应力和与受力面垂直的正应力

16、两部分 加载方式不同，最大切应力和最加载方式不同，最大切应力和最 大正应力的比值大正应力的比值 不同不同 单向拉伸单向拉伸： = 0.5 扭转载荷扭转载荷： =0.8 正应力只能导致工件断裂正应力只能导致工件断裂 切应力能导致塑性变形和断裂切应力能导致塑性变形和断裂 （ =max/max）：应力状态软性系数应力状态软性系数 1 1：软性应力状态：软性应力状态 =1 1：较软性应力状态：较软性应力状态 1 1：硬性应力状态：硬性应力状态 在在 0.5的三向不等拉伸的三向不等拉伸状态状态下下： 正断式脆断正断式脆断 在在 =0.5的单向拉伸状态下的单向拉伸状态下： 正断式韧断正断式韧断 在在 =0

17、.8的扭转载荷的扭转载荷作用下：作用下： 切断式韧断切断式韧断 应力状态图应力状态图：能能判断加载方式对断裂性质的影响判断加载方式对断裂性质的影响 材料不同材料不同，应力状态图不同应力状态图不同，断裂方式不同断裂方式不同 材料的材料的t ts越低越低，s sk越高越高，越容易发生塑性越容易发生塑性 变形，越不容易发生脆断变形，越不容易发生脆断 越小，越小，材料材料脆断倾向越大脆断倾向越大 材料材料塑性越好，脆断倾向越小塑性越好，脆断倾向越小 材料材料对断裂性质的影响：对断裂性质的影响： 2.2.温度和加载速度的影响温度和加载速度的影响 材料屈服强度随温度变化图材料屈服强度随温度变化图 T Tk

18、 k：材料的韧脆转变温度：材料的韧脆转变温度 加载速度越高，材料脆加载速度越高，材料脆 断断 倾向越大倾向越大 工作温度越高，材料脆工作温度越高，材料脆 断断 倾向越小倾向越小 材料的材料的T Tk k越低越低 , , 越不容越不容 易发生脆性断裂易发生脆性断裂 3.3.应力集中和零件尺寸的影响应力集中和零件尺寸的影响 应力集中对断裂性质应力集中对断裂性质的的影响影响： 应力集中应力集中：截面发生突变截面发生突变，局部地方出现应力局部地方出现应力 最大值的现象最大值的现象 使使缺口截面处的材料处于三向不等拉伸应力状缺口截面处的材料处于三向不等拉伸应力状 态，态，导致导致材料脆材料脆断倾向断倾向

19、增大增大 缺口越尖锐，应力集中越严重，脆断倾向越大缺口越尖锐，应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸大，塑性变形难，脆断倾向越大零件尺寸大，塑性变形难，脆断倾向越大 缺口试样的力线分布缺口试样的力线分布缺口试样的应力集中现象缺口试样的应力集中现象 小结：小结： 韧性断裂：经过大量塑性变形后发生的断裂韧性断裂：经过大量塑性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑性变形发生的断裂脆性断裂：几乎不经塑性变形发生的断裂 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力 加载方式不同，脆断倾向不同加载方式不同，脆断倾向不同 材料不同，脆断倾向不同材料不同，脆断倾向不同 工作温度越高

20、，脆断倾向越小工作温度越高，脆断倾向越小 加载速度越高，脆断倾向越大加载速度越高，脆断倾向越大 应力集中越严重，脆断倾向越大应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸越大，脆断倾向越大零件尺寸越大，脆断倾向越大 冲击韧性冲击韧性A Ak k（J J）：冲断）：冲断V V型缺口试样所消耗的功型缺口试样所消耗的功 冲击韧度冲击韧度a ak k（J/cmJ/cm）：）：U U型缺口试样单位面积所型缺口试样单位面积所 吸收的功吸收的功 a ak kA Ak k /F /Fk k 三、冲击韧性三、冲击韧性 冲击载荷：在极短时间内具有很大变化幅度的载荷冲击载荷：在极短时间内具有很大变化幅度的载荷 A Ak k

21、和和a ak k：材料在冲击载荷作用下吸怍塑性：材料在冲击载荷作用下吸怍塑性 变形功和断裂功的能力变形功和断裂功的能力 高塑性材料：选用高塑性材料：选用V V型缺口试样型缺口试样 低塑性材料：选用低塑性材料：选用U U型缺口试样型缺口试样 冲击试验的应用：冲击试验的应用： 1. 1. 能显示材料的各种脆性能显示材料的各种脆性 低温脆性低温脆性 ：冲击韧性随温度降低而显著降低的现象：冲击韧性随温度降低而显著降低的现象 T Tk k ：冲击韧性发生急剧变化时所对应的温度冲击韧性发生急剧变化时所对应的温度 提高强度和塑性的因素都能提高材料的冲击韧性提高强度和塑性的因素都能提高材料的冲击韧性 材料的材

22、料的A Ak k越高，越高，T Tk k越低，脆断倾向越小越低，脆断倾向越小 冲击韧性是材料冲击韧性是材料的的重要力学性能指标，是选重要力学性能指标，是选 材和用材的重要材和用材的重要参考参考依据依据 四、断裂韧性四、断裂韧性 传统强度设计方法：传统强度设计方法： 某些用高强度钢制作的某些用高强度钢制作的零零件以及用中、低强度钢件以及用中、低强度钢 制造的大型构件，常会制造的大型构件，常会发生低应力发生低应力脆断脆断 美国北极星导弹爆炸、法国和英国核电站的压力美国北极星导弹爆炸、法国和英国核电站的压力 容器与大型锅炉开裂容器与大型锅炉开裂 ，都是由于机件发生了低应，都是由于机件发生了低应 力脆

23、断所致力脆断所致 s s s s s sS /n n/n n1 1 断裂力学断裂力学为解决低应力脆断提供了有效判据为解决低应力脆断提供了有效判据 1. 1. 断裂力学与传统强度设计的区别断裂力学与传统强度设计的区别 未考虑未考虑零零件中件中可能可能存在有原始缺陷存在有原始缺陷 认为认为零零件中存在的宏观裂纹件中存在的宏观裂纹和和冶金缺陷是造成冶金缺陷是造成其其 发生低应力脆断的根本原因发生低应力脆断的根本原因 传统强度设计：传统强度设计： 以屈服强度为设计依据以屈服强度为设计依据 断裂力学特点：断裂力学特点： 把零件看作是裂纹体把零件看作是裂纹体 2. K2. K1c 1c判据 判据 单位：单

24、位： MPaMPam m1/2 1/2 K K1 1 = Ys sa a1/2 K K1 1K K1C 1C 是零件发生低应力脆断的临界条件 是零件发生低应力脆断的临界条件 当当 K K1 1 K K1C 1C 时，零件会发生低应力脆断 时，零件会发生低应力脆断 当当 K K1 1 K K1C 1C 时，零件处于安全状态 时，零件处于安全状态 K K1C 1C对材料 对材料的的成分成分和和内部组织很敏感，可通过合金内部组织很敏感，可通过合金 化和热处理加以改变化和热处理加以改变 K K1C 1C：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标 材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标 材料强度越高，材料强度越高

25、，K K1C 1C 越低 越低 材料塑性越好，材料塑性越好，K K1C 1C 越高 越高 由由K K1 1 = Ys sa a1/2 知 知 ： 已已知零件的工作应力和零件中的最大裂纹长度知零件的工作应力和零件中的最大裂纹长度 K K1C 1C的应用对象：飞机、火箭的重要零件，发电 的应用对象：飞机、火箭的重要零件，发电 机转子、汽轮机转子等大型构件机转子、汽轮机转子等大型构件 使使 K K1 1 K K1C 1C ， ，能保证零件安全能保证零件安全 使使 s s s sc c ， ， 能保证零件安全 能保证零件安全 使使 a a a ac c ， ， 能保证零件安全能保证零件安全 已已知零件

26、知零件的的工作应力和材料的工作应力和材料的 K K1C 1C 已已知零件中的最大裂纹长度和材料的知零件中的最大裂纹长度和材料的 K K1C 1C 小结：小结： 冲击韧性：冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸材料在冲击载荷作用下吸收收塑性变形塑性变形 功和断裂功的能力功和断裂功的能力 冲击试验的冲击试验的应应用用： 能能显示材料的各种脆性显示材料的各种脆性 能用来能用来控制冶炼和热加工的工艺质量控制冶炼和热加工的工艺质量 T Tk k ：冲击韧性发生急剧变化所对应的温度冲击韧性发生急剧变化所对应的温度 断裂韧性：能反映材料抵抗裂纹失稳扩展断裂韧性：能反映材料抵抗裂纹失稳扩展的的能力能力 K K1 1

27、K K1C 1C 是零件发生低应力脆断的临界条件 是零件发生低应力脆断的临界条件 第三节第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂零件在交变载荷下的疲劳断裂 在欧州第一次工业革命期间，火车轴常在欧州第一次工业革命期间，火车轴常在在低于材低于材 料料屈服强度的屈服强度的应力应力作用下作用下发生断裂发生断裂 疲劳断裂疲劳断裂：在交变载荷长期作用下发生的断在交变载荷长期作用下发生的断裂裂 交变载荷：载荷大小或载荷大小与方向都随时交变载荷：载荷大小或载荷大小与方向都随时 间发生周期性变化的载荷间发生周期性变化的载荷 原因：原因：由疲劳由疲劳所所引起引起 火车轴承受的交变载荷虽然火车轴承受的交变载荷虽然低于低于

28、材料材料的屈服强度的屈服强度， 但作用时间长了，火车轴但作用时间长了，火车轴就就会会产生产生疲劳而断裂疲劳而断裂 很多机件都会受到交变载荷的作用很多机件都会受到交变载荷的作用 最近发生的疲劳断裂事故是美国的一架最近发生的疲劳断裂事故是美国的一架F15 战斗机在空中解体战斗机在空中解体 事故事故原因：在原因：在飞机大梁的冶金缺陷处萌生飞机大梁的冶金缺陷处萌生了了疲疲 劳裂纹劳裂纹 美军宣布：美军宣布： 疲劳断裂疲劳断裂是是机械零件的主要断裂方式机械零件的主要断裂方式 180架架F15战斗机战斗机报废报废 一、一、 疲劳断裂的特点疲劳断裂的特点 1.1.疲劳断裂没有明显的宏观塑性变形，具疲劳断裂没

29、有明显的宏观塑性变形，具 有类似脆断的断裂特征有类似脆断的断裂特征 2.2.疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度 3.3.疲劳断裂也包含了裂纹的形成疲劳断裂也包含了裂纹的形成、扩展和扩展和 断裂三个阶段断裂三个阶段 疲劳断裂没有明显的预兆，危害很大疲劳断裂没有明显的预兆，危害很大 断口上存在着断口上存在着“疲劳源区、疲劳裂纹扩疲劳源区、疲劳裂纹扩 展区和最后断裂区展区和最后断裂区 疲劳裂纹的产生地疲劳裂纹的产生地： 4.4.疲劳断裂与低应力脆断的区别：疲劳断裂与低应力脆断的区别： 疲劳断裂：具有很长的裂纹亚稳扩展阶段疲劳断裂：具有很长的裂纹亚稳扩展阶段 低应力脆

30、断：当低应力脆断：当K K1 1 K K1C 1C 时，裂纹就会快速扩展， 时，裂纹就会快速扩展， 导致零件断裂导致零件断裂 夹杂物夹杂物：金属中存在的具有非金属性金属中存在的具有非金属性质质的组成物的组成物 铸造、锻造、焊接和热处理产生的裂纹处，机件铸造、锻造、焊接和热处理产生的裂纹处，机件 上的键槽、拐角处，材料内部的夹杂物和孔洞处上的键槽、拐角处，材料内部的夹杂物和孔洞处 二、疲劳抗力指标及其影响因素二、疲劳抗力指标及其影响因素 1.1.疲劳极限与过载持久值疲劳极限与过载持久值 疲劳性能通常是在疲劳性能通常是在 r rs smin/s smax1 的对称旋转弯曲的对称旋转弯曲条件条件 下

31、下进行进行测定测定 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 疲劳极限（疲劳极限（s s-1）： 材料经受无限次应材料经受无限次应 力循环而不断裂的力循环而不断裂的 最大应力最大应力 疲劳曲线上的疲劳曲线上的斜线部斜线部 分能够反映材料对过分能够反映材料对过 载的抗力，载的抗力， 过载持久值越大，材过载持久值越大，材 料的抗过载能力越强料的抗过载能力越强 疲劳曲线示意图 材料的材料的s s-1越高越高，抵抗疲劳断裂的能力越强抵抗疲劳断裂的能力越强 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 过载持久值过载持久值：材材料料在在 过载应力下发生过载应力下发生断裂断裂 时所对应的应力循环时所对应的应力循环 周次周次 通常取应

32、力循环通常取应力循环基数基数 No为为107108所对所对 应的应力为条件疲劳应的应力为条件疲劳 极限极限 某些材料的疲劳曲线没有明显的水平部分某些材料的疲劳曲线没有明显的水平部分 钛合钛合金：金： No = 107 铝合金、高强度钢铝合金、高强度钢等：等： No = 108 不同的材料，不同的材料， s s-1 可能相同，但过载持久可能相同，但过载持久 值不一定相同值不一定相同 在评定不同材料的疲劳性能时，在评定不同材料的疲劳性能时，还还应看其疲劳应看其疲劳 曲线的位置和倾角曲线的位置和倾角 在实际应用中，在实际应用中， 必须必须重视完整的重视完整的 疲劳曲线疲劳曲线 2.2.疲劳缺口敏感度

33、疲劳缺口敏感度 仅与缺口几何形状有关仅与缺口几何形状有关 与缺口几何形状和材料都有关与缺口几何形状和材料都有关 理论应力集中系数：理论应力集中系数： K Kt t max max / / m m 有效应力集中系数：有效应力集中系数： K Kf f s s-1 / / s s-1N N 1 1 q t K K f 缺口越尖锐缺口越尖锐，K Kt t越大越大 缺口越尖锐缺口越尖锐， K Kf f越大越大材料材料强度越高强度越高，K Kf f越大越大 疲劳缺口敏感度能反映材料对缺口的敏感程度疲劳缺口敏感度能反映材料对缺口的敏感程度 疲劳缺口敏感度的变化范围疲劳缺口敏感度的变化范围 ：0 0q q1

34、1 q q0 0时时, , 材料对缺口最不敏感材料对缺口最不敏感 q q1 1时，时， 材料对缺口最敏感材料对缺口最敏感 3.3.影响疲劳抗力的因素影响疲劳抗力的因素 载荷类型不同，应力状态不同，材料的疲劳载荷类型不同，应力状态不同，材料的疲劳 极限不同，极限不同，钢的钢的-1=0.55s s-1 材料不同，疲劳极限、过载持久值和疲劳缺材料不同，疲劳极限、过载持久值和疲劳缺 口敏感度不同口敏感度不同 材料的材料的抗拉强度抗拉强度 越高，疲劳极限越高越高，疲劳极限越高 材料纯度越高，材料纯度越高，疲劳极限越高疲劳极限越高 加工缺陷能导致疲劳极限降低加工缺陷能导致疲劳极限降低 零件表面越粗糙，疲劳

35、极限越低零件表面越粗糙，疲劳极限越低 工作温度越高，疲劳极限越低工作温度越高，疲劳极限越低 热应力热应力：材料随温度变化发生热胀冷缩时形成的材料随温度变化发生热胀冷缩时形成的 内应力内应力 4. 提高材料疲劳抗力的途径提高材料疲劳抗力的途径 常用的表面强化方法：常用的表面强化方法： 表面冷作变形表面冷作变形: 表面喷丸、表面滚压等表面喷丸、表面滚压等 化学热处理：表面渗碳、渗氮等化学热处理：表面渗碳、渗氮等 表面镀层表面镀层: 表面镀铬、镀镍等表面镀铬、镀镍等 表面强化提高疲劳极限的原因：表面强化提高疲劳极限的原因： 能提高零件表层强度，防止疲劳裂纹形成能提高零件表层强度，防止疲劳裂纹形成 能

36、在零件表层产生残余压应力，防止疲劳裂纹能在零件表层产生残余压应力，防止疲劳裂纹 形成形成 第四节第四节 零件的磨损失效零件的磨损失效 零件零件表面的表面的凹凸不平会对运动造成阻碍凹凸不平会对运动造成阻碍 磨擦磨擦：对运动对运动的的阻碍阻碍作用作用 摩擦力摩擦力：阻碍相对运动的阻碍相对运动的作用作用力力 滑动摩擦滑动摩擦：一个零件在另一个零件上滑动时一个零件在另一个零件上滑动时 产生的摩擦产生的摩擦 如：如：轴颈在轴承中滑动时产生的摩擦轴颈在轴承中滑动时产生的摩擦 活塞在气缸中滑动时产生的摩擦活塞在气缸中滑动时产生的摩擦 如：如：火车轮在轨道上转动时产生的摩擦火车轮在轨道上转动时产生的摩擦 齿轮

37、之间产生的摩擦齿轮之间产生的摩擦 滚珠轴承中滚珠滚珠轴承中滚珠与与轴承轴承体体产生的摩擦产生的摩擦 滚动摩擦滚动摩擦：一个球形或圆柱形零件在另一个零一个球形或圆柱形零件在另一个零 件上滚动件上滚动，两零件之间只在一个点两零件之间只在一个点、或只在一或只在一 条线上接触时产生的摩擦条线上接触时产生的摩擦 磨损：指零件在磨擦过程中产生的尺寸变化磨损：指零件在磨擦过程中产生的尺寸变化 和物质损耗现象和物质损耗现象 失重法失重法：用用零件零件重量的减少表示磨损量重量的减少表示磨损量 尺寸法尺寸法：用用零件零件的尺寸变化表示磨损量的尺寸变化表示磨损量 磨损量越小，材料的耐磨性越好磨损量越小，材料的耐磨性

38、越好 磨损是机械零件常见的失效方式，能降低机器磨损是机械零件常见的失效方式，能降低机器 的效率和精度，严重时会导致机器报废的效率和精度，严重时会导致机器报废 磨磨损造成损造成的经济损失的经济损失美国美国每年可达每年可达1200亿美元亿美元 耐磨性耐磨性：用磨损量的倒数表示用磨损量的倒数表示 材料的磨损特性可用磨损量或耐磨性表示材料的磨损特性可用磨损量或耐磨性表示 1.1.粘着磨损粘着磨损 在摩擦过程中，随着粘结点的不断形成和破坏，摩在摩擦过程中，随着粘结点的不断形成和破坏，摩 擦副擦副便便会产生磨损会产生磨损 摩擦面摩擦面能能产生严重擦伤，严重时产生严重擦伤，严重时能能造成摩擦副咬死造成摩擦副

39、咬死 特点：特点：磨损速度高，破坏磨损速度高，破坏较较严重严重 常见磨损类型常见磨损类型 ：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨 损和麻点磨损损和麻点磨损 粘着磨损：在滑动摩擦条粘着磨损：在滑动摩擦条 件下，由于粘结点的不断件下，由于粘结点的不断 形成和破坏所形成和破坏所造成的磨损造成的磨损 提高粘着磨损抗力的途径提高粘着磨损抗力的途径 : 合理选择配对材料合理选择配对材料 异类材料配对、硬度差大的材料配对，能降低异类材料配对、硬度差大的材料配对，能降低 摩擦副的粘着磨损程度摩擦副的粘着磨损程度 降低摩擦副间的接触压应力降低摩擦副间的接触压应力 防止摩擦副表面产生局部塑性变形

40、形成粘结点防止摩擦副表面产生局部塑性变形形成粘结点 减小表面粗糙度减小表面粗糙度 增加摩擦副之间的接触面积，减小接触压应力增加摩擦副之间的接触面积，减小接触压应力 进行表面强化进行表面强化 提高摩擦件的表层硬度提高摩擦件的表层硬度, ,降低摩擦件的摩擦系数降低摩擦件的摩擦系数 F/N 2.2.磨粒磨损磨粒磨损 摩擦副的间隙中只要混入硬质磨粒，就会造成摩摩擦副的间隙中只要混入硬质磨粒，就会造成摩 擦副的磨粒磨损擦副的磨粒磨损 磨粒磨损磨粒磨损：在滑动摩擦条件下，由于硬质磨粒在滑动摩擦条件下，由于硬质磨粒 的嵌入和切割导致软材料逐渐损耗的磨损方式的嵌入和切割导致软材料逐渐损耗的磨损方式 农业机械和

41、矿山机械的齿轮农业机械和矿山机械的齿轮易易发生严重磨粒磨损发生严重磨粒磨损 提高磨粒磨损抗力的途径提高磨粒磨损抗力的途径 ： 材料硬度越高，零件的耐磨性越好材料硬度越高，零件的耐磨性越好 通过即时清除磨粒，来降低磨损通过即时清除磨粒，来降低磨损 提高材料硬度提高材料硬度 改进润滑油的过滤装置改进润滑油的过滤装置 第五节第五节 零件的腐蚀失效零件的腐蚀失效 化学腐蚀化学腐蚀：由化学反应引起的腐蚀由化学反应引起的腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀：由电化学反应引起由电化学反应引起的的腐蚀腐蚀 在腐蚀介质与机械因素联合作用下产生的腐蚀分别为：在腐蚀介质与机械因素联合作用下产生的腐蚀分别为： 金属的腐蚀：指在

42、腐蚀介质作用下或在腐蚀介质与金属的腐蚀：指在腐蚀介质作用下或在腐蚀介质与 机械因素联合作用下所引起的金属表面损伤和破坏机械因素联合作用下所引起的金属表面损伤和破坏 应力腐蚀应力腐蚀 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 腐蚀已与断裂腐蚀已与断裂、磨损并列，成为导致金属零件磨损并列，成为导致金属零件 失效的三大原因之一失效的三大原因之一 美国美国1975年年统计统计表明：表明：腐蚀造成的经济损失每腐蚀造成的经济损失每 年约为年约为700亿美元亿美元 一、高温氧化腐蚀一、高温氧化腐蚀 很多金属在空气中都会发生氧化很多金属在空气中都会发生氧化，能在表面形成能在表面形成 氧化膜氧化膜 金属发生氧化金属发生氧化的原因：的原因： 氧化膜脆氧化膜脆性性较较大大，力学性能，力学性能较较金属差得多金属差得多 氧和电子的结合力氧和电子的结合力远远远远大于金属大于金属与与电子的电子的 结合力结合力 金属的氧化包含三个步骤：金属的氧化包含三个步骤： 以二价金属为例：以二价金属为例： 氧化膜覆盖在金属表面上氧化膜覆盖在金属表面上能能将金属