绪论与机械零件的失效分析实用教案

1、会计学1绪论与机械零件的失效绪论与机械零件的失效(sh xio)分析分析第一页，共48页。2、 分类 （按化学成分分类） 金属材料 (综合性能好，用量最大、应用(yngyng)范围最广) 高分子材料 (质轻、 耐腐蚀，常用于化工、机械、航 空航天等) 陶瓷材料 （高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘，用于 电器、化工、航空航天等等） 复合材料 （轻、高的比强度、比刚度，结合两种材 料的性能优点，用于航空航天等领域）第1页/共48页第二页，共48页。二二 机械工程材料机械工程材料(cilio)(cilio)的常用性能的常用性能 包括两方面材料材料使用性能使用性能材料材料工艺性能工艺性能力学性能力学性能（

2、强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）第2页/共48页第三页，共48页。 三、 学习机械工程材料(cilio)的目的 （1） 获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知获得常用的金属材料、非金属材料的基本理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；

3、 （2）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根）在了解材料性能和设计之间关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材据零件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材(xun ci)； （3）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介）能够根据结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）改变对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加质）改变对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。工工艺路线。第3页/共48页第四页，共48页。本章主要内容本章主要内容零件的过量变形以及零件的过量变形以及(yj)性能指标性能指标零件的断裂及性能指标零件的断裂及性能指标零件在交变载荷下的疲劳断

4、裂及性能指零件在交变载荷下的疲劳断裂及性能指标标零件的磨损失效以及零件的磨损失效以及(yj)防止防止零件在高温下的蠕变变形和断裂失效零件在高温下的蠕变变形和断裂失效第4页/共48页第五页，共48页。2 2失效的定义和形式失效的定义和形式3 3 定义定义: : 零件失去零件失去(shq)(shq)设计设计所要求的效能（功能）称为失效。所要求的效能（功能）称为失效。4 4 5 5 常见的失效形式：过量变形、断常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀裂、磨损、腐蚀第5页/共48页第六页，共48页。问问 题题第6页/共48页第七页，共48页。第7页/共48页第八页，共48页。2、强度、弹性、强度、弹

5、性(tnxng)塑性指标塑性指标试样的静拉伸过程试样的静拉伸过程第8页/共48页第九页，共48页。比例比例(bl)极极限限sp弹性极限弹性极限se屈服强度屈服强度ss抗拉强度抗拉强度sb断裂强度断裂强度sk第9页/共48页第十页，共48页。第10页/共48页第十一页，共48页。第11页/共48页第十二页，共48页。1过量弹性变形及抗力指标过量弹性变形及抗力指标2（1）零构件发生过量弹性变形失效：）零构件发生过量弹性变形失效：3 DlDl (拉压或者弯曲条件下）拉压或者弯曲条件下）4或者或者 q q （扭转条件下）（扭转条件下）5（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚）过量弹性变形的原因：零构件的

6、刚度度(n d)不够不够6（3）抗力指标：弹性模量）抗力指标：弹性模量E或者切变模量或者切变模量G第12页/共48页第十三页，共48页。2过量塑性变形及抗力指标过量塑性变形及抗力指标3（1）发生）发生(fshng)条件：塑性变形量超条件：塑性变形量超过允许变形量过允许变形量4（2）原因：偶而过载或者零构件本身）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够抵抗塑性变形的能力不够5（3）抗力指标：比例极限、弹性极限）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限和屈服极限第13页/共48页第十四页，共48页。零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足抗力抗力(kn l)

7、指标：弹性模量指标：弹性模量E或者切变模量或者切变模量G强强 调！调！金属和合金的弹性模量不能通过金属和合金的弹性模量不能通过(tnggu)合金化和合金化和热处理、冷变形等方法改变。热处理、冷变形等方法改变。第14页/共48页第十五页，共48页。本节中本节中所讲的所讲的材料材料(cilio)的力的力学性能学性能指标及指标及应用应用刚度刚度(n d)：刚度：刚度(n d)设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零

8、件考虑的性能指标。如汽车弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车(qch)板簧和各类弹簧等板簧和各类弹簧等屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。一般零件的抗断裂设计。硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等.第15页/共48页第十六页，共48页。第16页/共48页第十七页，共48页。(nngling)的能力。的能力。第17页/共48页第十八页，共48页。韧性韧性(rn xn)断口断口脆性脆性(cuxng)断口断口第18页/共48页第十九页，共48页。第19页/共48页第二十页，共48页。第20页/共

9、48页第二十一页，共48页。第21页/共48页第二十二页，共48页。第22页/共48页第二十三页，共48页。第23页/共48页第二十四页，共48页。第24页/共48页第二十五页，共48页。第25页/共48页第二十六页，共48页。疲劳(plo)断口示意图示意图第26页/共48页第二十七页，共48页。一个疲劳源一个疲劳源两个疲劳源两个疲劳源微裂纹微裂纹疲劳条纹疲劳条纹第27页/共48页第二十八页，共48页。疲劳极限疲劳极限过载过载(guzi)持持久值久值疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳曲线第28页/共48页第二十九页，共48页。 图1

10、11 两种类型(lixng)的疲劳曲线a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）条件疲劳极限疲劳极限第29页/共48页第三十页，共48页。过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂(dun li)的循环周次。高周疲劳高周疲劳(plo)：Nf105低周疲劳低周疲劳(plo): Nf1052带裂纹构件的疲劳(plo)抗力指标裂纹扩展速率（裂纹扩展速率（da/dN)疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值(DKDKth）第30页/共48页第三十一页，共48页。第31页/共48页第三十二页，共48页。第32页/共48页第三十三页，共48页。第33页/共48页第三十四页，共48页。一、磨损的基本

11、概念产生磨损的条件磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象(xinxing)叫做磨损。第34页/共48页第三十五页，共48页。（2）过程）过程(guchng)滑动滑动第35页/共48页第三十六页，共48页。（3）粘着磨损）粘着磨损(m sn)的特点：磨损的特点：磨损(m sn)速度大；破坏严重。速度大；破坏严重。（4）防止措施）防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料；合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料；提高表面硬度；提高表面硬度；合理设计合理设计(shj)减小接触压应力；减小接触压应力；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处被

12、撕掉粘着处被撕掉金属表面被划伤或者金属屑粒脱落金属表面被划伤或者金属屑粒脱落第36页/共48页第三十七页，共48页。（2）过程）过程(guchng)金属表面发生局部塑性变形金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表面被划伤表面被划伤第37页/共48页第三十八页，共48页。（4）防止措施）防止措施提高表面硬度（从选材方面提高表面硬度（从选材方面(fngmin)）；）；减少磨粒数量（从工作状况方面减少磨粒数量（从工作状况方面(fngmin)）。）。3接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）4（1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦

13、）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。劳剥落破坏的现象。5（2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生(mngshng)和扩展过程。和扩展过程。 （3）主要防止措施提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面(biomin)强度；减小表面(biomin)粗糙度。第38页/共48页第三十九页，共48页。第39页/共48页第四十页，共48页。第40页/共48页第四十一页，共48页。二、腐蚀过程二、腐蚀过程(guchng)及防止及防止化学腐蚀过程化学腐蚀过程(gu

14、chng)（以高温氧化腐（以高温氧化腐蚀为主）蚀为主）第41页/共48页第四十二页，共48页。基体金属能否基体金属能否(nn fu)继续氧化，取决于氧化物薄膜继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。是否致密。提高钢抗氧化能力：加入提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结合等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。2电化学腐蚀电化学腐蚀3条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于(chy)相互联通的电介质溶液中形成微电池。相互联通的电介质溶液中形成微电池。第42页/共48页第四十三页，共4

15、8页。第43页/共48页第四十四页，共48页。第44页/共48页第四十五页，共48页。第45页/共48页第四十六页，共48页。二、评价二、评价(pngji)材料高温力学性能指标材料高温力学性能指标蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标成为蠕变极限。变形的抗力指标成为蠕变极限。表示方法（表示方法（1）在规定温度下使试样产生）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值规定稳态蠕变速率的应力值 ，符号为，符号为 第46页/共48页第四十七页，共48页。（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一定）给定温度下，在规定时间内使试样产生一定(ydng)蠕变总变形量蠕变总变形量d的应力值，符号为：的应力值，符号为：2持久强度：材料持久强度：材料(cilio)在高温长期载荷作用下在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。抵抗断裂的能力。3表示方法：用给定温度和规定时间内试样发表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示，生断裂时的应力表示