机械工程材料课件

1、机械工程材料绪 论 材料科学与社会发展材料科学与社会发展 工程材料及其类别工程材料及其类别 机械工程材料机械工程材料 本课程的目的本课程的目的 本课程的主要内容本课程的主要内容机械工程材料一、材料科学与社会发展材料与人类生活材料与人类生活人类社会依据制造人类社会依据制造生产工具的材料生产工具的材料来进行历史划分来进行历史划分 旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代机械工程材料一、材料科学与社会发展 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前） 人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。机械工程材料一、材

2、料科学与社会发展 新石器时代（新石器时代（1万年前）万年前） 原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷陶瓷。机械工程材料一、材料科学与社会发展 青铜器时代（青铜器时代（4000年前）年前） 奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。 我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平 青铜（铜锡合金）青铜（铜锡合金） 人类发明的第一种合金人类发明的第一种合金机械工程材料一、材料科学与社会发展 铁器时代（铁器时代（1400年前，春秋战国）年前，春秋战国） 生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大

3、发展对社会生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。进步起了巨大的推动作用。汉代汉代“先炼铁后炼钢先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。技术居世界领先地位。机械工程材料一、材料科学与社会发展 其他材料其他材料 与陶瓷材料和金属材料发展的同时与陶瓷材料和金属材料发展的同时天然高分子材料天然高分子材料 棉、麻、丝绸材料棉、麻、丝绸材料功能材料功能材料 磁铁磁铁指南针指南针 机械工程材料一、材料科学与社会发展2. 材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文明的联系 18世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。 1863年光学

4、显微镜，年光学显微镜，1912年年X射线衍射技术和射线衍射技术和1932年年电子显微镜等仪器出现电子显微镜等仪器出现 金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展 机械工程材料一、材料科学与社会发展2. 材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文明的联系 现代社会文明的三大支柱：能源、信息和现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料材料 信息时代是建立在信息时代是建立在材料材料的基础上的基础上 硅半导体硅半导体晶体管晶体管集成电路集成电路计算机计算机 磁性材料磁性材料信息贮存信息贮存 激光材料激光材料+光导纤维光导纤维信息传输信息传输信息网络信息网络 能

5、源技术以能源技术以材料材料为支撑为支撑 再生能源、核能、燃料电池等再生能源、核能、燃料电池等信息时代信息时代机械工程材料一、材料科学与社会发展3. 现代材料学现代材料学 现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料为基础，现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料为基础， 研究所有固体材料的成分、组织和性能之间关系的的一门科学。研究所有固体材料的成分、组织和性能之间关系的的一门科学。 现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金属、现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金属、非金属及复合材料。非金属及复合材料。 机械工程材料一、材料科学与社会发展信息社会的材料产业结构及材料发展趋

6、势：信息社会的材料产业结构及材料发展趋势：从工业社会向信息社会过渡中从工业社会向信息社会过渡中 产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型发展集型发展 劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非金属材料、劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大。有机合成材料的比重越来越大。 机械工程材料一、材料科学与社会发展新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的经济发展水平。经济发展水平。 硅片的发展及现状硅片的发展及现状 集成度越来越高集成度越来越高 直径

7、越来越大直径越来越大 国外：国外：16英寸以上英寸以上 中国：中国：6-8英寸为主流英寸为主流机械工程材料二、工程材料及其类别工程材料的含义：工程材料的含义：工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。机械工程材料二、工程材料及其类别2. 工程材料的类别：工程材料的类别：工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。机械工程材料二、工程材料及其类别2. 工程材料的类别

8、：工程材料的类别：机械工程材料二、工程材料及其类别2. 工程材料的性能：工程材料的性能：使用性能：使用性能：材料在使用条件下具有的性能材料在使用条件下具有的性能（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中下具有的性能材料在加工过程中下具有的性能（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能等）性能和热处理性能等）机械工程材料三、机械工程材料1. 机械工程材料含义：机械工程材料含义：机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是跨越机械和材料两个学科，以机

9、械工业的需求出发，推动材料科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技术的革新和发展。机械工程材料三、机械工程材料2. 材料技术对机械工程发展的促进：材料技术对机械工程发展的促进：机械工程材料四、课程的目的 随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料和材料加工方面的问题。这就要求

10、机械工程技术人和材料加工方面的问题。这就要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备准确员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路线。的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路线。机械工程材料四、课程的目的机械制造与材料：结构机械制造与材料：结构性能性能加工工艺加工工艺u内部结构与性能：材料的性能来源于该材料的内部结构，这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。u加工工艺与性能：材料必须进行加工，以满足工程师对所设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制定适当的工艺流程。u使用行为：在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且要考虑

11、使那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发生变化的使用条件。机械工程材料四、课程的目的课程的目的：课程的目的：获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非金属材料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。l 了解材料的性能与设计的关系l了解各种材料的基本特性和应用范围机械工程材料四、课程的目的机械工程材料五、课程的主要内容机械零件的失效形式；金属材料的基本知识、热处理基本原理、常用金属材料的性能特点及应用；非金属材料（高分子材料、陶瓷材料、复合材料）和功能材料的基本知识和性能特点及引用；材料改性新技术；机械零

12、（构）件设计、选材的基本方法及工程材料在典型机械上的应用。机械工程材料主要参考文献机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的基本概念失效的基本概念 1. 零件（构件）的功能：零件（构件）的功能：（1）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸；（2）实现规定的机械运动；（3）传递力和能量。2. 失效失效的定义和形式：的定义和形式：定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。应用前、应用中、突发机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析学习失效的目的学习失效的目的 机械设计者机械设计者为了防止零件失效为了防止零件失效 设计正

13、确设计正确选材恰当选材恰当工艺合理工艺合理工作条件工作条件-对材料的性能要求对材料的性能要求正确选材正确选材制定制定工艺路线工艺路线确定失效的抗力指标确定失效的抗力指标机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 断裂的大桥断裂的大桥机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的原因失效的原因 结构设计结构设计多方面因素多方面因素材料选择材料选择加工制造加工制造装配调整装配调整使用与保养使用与保养机械工程材料第一章 机械零件

14、（或器件）的失效分析失效的本质失效的本质 1. 失效的本质：失效的本质：外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。2. 常见的常见的失效失效形式：形式：过量变形、断裂、磨损和腐蚀机械工程材料第一章 机械零件（或器件）的失效分析本章主要内容本章主要内容 过量变形过量变形 断裂断裂 疲劳断裂疲劳断裂 磨损失效磨损失效 腐蚀失效腐蚀失效 蠕变变形和断裂失效蠕变变形和断裂失效机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化第一章 机械零件（或器件）的失效分析外力去除变形恢复？弹性变形：变形能够恢复弹性变

15、形：变形能够恢复塑性变形：变形不能够恢复塑性变形：变形不能够恢复机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为由APANll曲线lPPPl机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应

16、力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸时应力低碳钢拉伸时应力- -应变曲线应变曲线机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变

17、行为应变行为oaoa段比例极限段比例极限 Pabab段弹性极限段弹性极限 e（一）四个阶段（一）四个阶段1、弹性阶段abOpesabccdefgdf 1bcccc应力不增加变形不断增加称为应力不增加变形不断增加称为屈服，该段的最低应力称为屈服应屈服，该段的最低应力称为屈服应力力 ，在材料屈服后若卸载出现不，在材料屈服后若卸载出现不能恢复的变形成为塑性变形。能恢复的变形成为塑性变形。s2 、 屈 服 阶 段cc机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应

18、变行为应变行为（一）四个阶段3、强化阶段ceOpesabccdefgdf 1b4、局部变形阶段ef材料恢复抵抗变形的能力称材料恢复抵抗变形的能力称为强化强度极限为强化强度极限b变形集中于某一局部范围颈缩变形集中于某一局部范围颈缩断裂断裂机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为（一）四个阶段低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段。机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变

19、形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析低碳钢拉伸曲线的低碳钢拉伸曲线的4个阶段、个阶段、3个特征点个特征点OB：弹性阶段（卸载可逆）：弹性阶段（卸载可逆） P e s bABCCDEO A：比例极限：比例极限 PB：弹性极限：弹性极限 eBC：屈服阶段：屈服阶段（出现塑性变形）（出现塑性变形）（两者很接近）（两者很接近） =E =E E=tan C：屈服极限：屈服极限 s机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形 CD:强化阶段强化阶段D：强度极限：强度极限 b DE：缩颈阶段：缩颈阶段（局部收缩阶段）（局部收缩阶段

20、） 0 p e t e:弹性应变弹性应变 ， p:塑性应变（不可逆的残余应变）塑性应变（不可逆的残余应变） P e s bABCCDEO =E 屈服极限提高：屈服极限提高：冷作硬化冷作硬化，在，在CD段内卸载曲线为弹性直线段内卸载曲线为弹性直线E：断裂点：断裂点机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形一一. 工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为弹性变形、弹性变形、塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形非线性弹非线性弹性变形性变形1纯金属纯金属（Al、Cu、Ag等）等）2

21、脆性材料脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）3高弹性材料高弹性材料（橡胶）（橡胶）机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为1234102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)1、锰钢、锰钢 2、硬铝、硬铝 3、退火球墨铸铁、退火球墨铸铁 4、低碳钢、低碳钢特点：特点：d d 较大，为塑性材料。 无明显屈服阶段。O A0.2%S2 . 0p无明显屈服阶段的，规定以塑性应变 =0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作p2

22、 . 0p机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析 刚度和强度指标刚度和强度指标 弹性和塑性指标弹性和塑性指标 硬度指标硬度指标机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1. 刚度和强度指标刚度和强度指标（1） 刚度刚度定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力 等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。单向拉伸时：单向拉伸时：F AE即即FEA纯剪切

23、时：纯剪切时：FAG即即FGAEAEA（或（或GAGA）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。弹性模量弹性模量E E( (或切变模量或切变模量G G) )是表征材料是表征材料刚度的性能指标刚度的性能指标(why)(why)机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1. 刚度和强度指标刚度和强度指标（2） 强度强度定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能

24、指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1. 刚度和强度指标刚度和强度指标（2） 强度强度是材料应力和应变成正比的最大应力是材料应力和应变成正比的最大应力是不产生塑性变形的最大应力是不产生塑性变形的最大应力是材料开始产生塑性变形的应力是材料开始产生塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料发生断裂的应力是材料发生断裂的应力机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（1） 弹性：指材料弹性变形的大小。弹性：指材料弹性变形的大小。弹性能为应力弹性能为应

25、力-应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。通常用弹性变形时的吸收能通常用弹性变形时的吸收能 u 来表示。来表示。材料的弹性极限越高，弹性模量材料的弹性极限越高，弹性模量E越低，弹性能越大，材越低，弹性能越大，材料的弹性越好。料的弹性越好。弹性指标弹性指标弹性能弹性能机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（2） 塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。、越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。通常用断后伸长率通

26、常用断后伸长率和断面收缩率和断面收缩率来衡量。来衡量。伸长率伸长率塑性指标塑性指标伸长率伸长率和断面收缩率和断面收缩率100100%LLLd010100%AAA断面收缩率断面收缩率机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标国家标准规定金属拉伸试验方法（GB2282002)LL=10d L=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：AL3 .11AL65. 5机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑

27、性指标机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。物理意义由试验方法决定。物理意义由试验方法决定。莫氏硬度莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。表示矿物硬度的一种标准。 应用应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物矿物的表面而发生划痕的表面而发生划痕 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度硬度 机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的

28、失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标莫氏硬度莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。表示矿物硬度的一种标准。机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标肖氏硬度肖氏硬度弹性回跳法硬度值表征材料弹性功的大小。弹性回跳法硬度值表征材料弹性功的大小。 应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而 发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。 机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的

29、失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标压入法硬度值压入法硬度值表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。工业中应用最广泛工业中应用最广泛以硬质合金或金刚石锥体为压头以硬质合金或金刚石锥体为压头布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。布氏硬度布氏硬度H

30、BWP2222()()21(11 sin)22PPHBDFDDdPD压材料为淬火钢和硬质合金机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。洛氏硬度洛氏硬度HRC()1000.002()t mmHRCmm常用洛氏硬度为C级，用150kgf的载荷将一个120圆锥形金刚石压头压入金属表面A级载荷为60kgf, B级为100kgf机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形二二. 静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或

31、器件）的失效分析2. 弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。维氏硬度维氏硬度HV22136sin2PHVd以一定大小的载荷P,将一个金刚石四棱锥压入金属表面，单位压痕面积上的载荷即为金属的维氏硬度，单位kgf/mm机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形三三. 过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1. 过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标镗床镗杆镗床镗杆被加工零被加工零件的精度

32、件的精度较小弹性变形较小弹性变形本身由于本身由于刚度不足刚度不足过量弹性变形过量弹性变形镗出的孔偏小、锥度，影响加工精度、废品镗出的孔偏小、锥度，影响加工精度、废品齿轮轴过量变形齿轮轴过量变形加速齿轮磨损，增加噪声加速齿轮磨损，增加噪声弹簧过量变形弹簧过量变形不能达到承载能力不能达到承载能力机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形三三. 过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1. 过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标刚度：零构件受力时抵抗弹性变

33、形的能力。刚度：零构件受力时抵抗弹性变形的能力。（一）零构件过量弹性变形的条件（一）零构件过量弹性变形的条件拉压条件下：拉压条件下：弯曲条件下：弯曲条件下：FllEA 334l FlEt 扭转条件下：扭转条件下：npMGI许可弹性变形量，扭转角机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形三三. 过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1. 过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标（二）过量弹性变形的原因（二）过量弹性变形的原因零构件的刚度不够零构件的刚度

34、不够（三）抗力指标（三）抗力指标弹性模量弹性模量E 或切变模或切变模G（三）不同材料的弹性模量（三）不同材料的弹性模量机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形三三. 过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1. 过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标弹性模量弹性模量E 或切变模或切变模G,主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点越高，弹性模量也越高，随温度升高而降低。熔点越高，弹性模量也越高，随温度升高而

35、降低。金属材料的金属材料的E取决于基体金属的性质，取决于基体金属的性质，不能不能通过合金化、热处理、冷变通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。形等方法使之改变。机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形三三. 过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效2. 过量塑性变形及其抗力指标过量塑性变形及其抗力指标机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形总总 结结第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械工程材料第一节 零件在常温静载下的过量变形应应 用用第一章

36、机械零件（或器件）的失效分析机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂：断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上的部分现象材料在应力作用下分为两个或两个以上的部分现象机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析宏观变形量宏观变形量的大小的大小韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂断裂前发生明显的宏观塑形变形断裂前发生明显的宏观塑形变形断裂前不发生塑形变形断裂前不发生塑形变形断裂前机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下

37、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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂没有明显征兆，脆性断裂没有明显征兆，危害性极大。危害性极大。断裂前发生明显塑性变形，警告断裂前发生明显塑性变形，警告人们注意，不会造成严重事故人们注意，不会造成严重事故两种断裂的危害性对比两种断裂的危害性对比机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂断裂后断口齐平，由无数断裂后断口齐平，由无数的小平面组成的小平面组成足够的伸长量才断裂，断口为足够

38、的伸长量才断裂，断口为杯形，呈暗灰色纤维状杯形，呈暗灰色纤维状机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹源或微裂纹逐渐扩展裂纹源或微裂纹逐渐扩展到一临界长度的过时，立到一临界长度的过时，立刻发生断裂刻发生断裂1. 1. 材料在外力下的微裂纹材料在外力下的微裂纹2. 2. 原有的内部缺陷（微裂原有的内部缺陷（微裂纹、空孔、杂质等）纹、空孔、杂质等）裂纹源裂纹源机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（

39、或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹亚稳扩展阶段裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢失稳扩展阶段失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段裂纹达到临界长度后的扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧

40、性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹亚稳扩展阶段裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢失稳扩展阶段失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段裂纹达到临界长度后的扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断

41、裂脆性断裂裂纹形成后经历很长的裂纹亚稳扩展阶段，裂纹扩展与塑性变形同时进行，变形停止，裂纹也停止扩展，只有在增加外力使变形继续时，裂纹才相应的扩展。外力不断增加，塑性变形不断进行，裂纹不断扩展，直到达到临界裂纹长度。最后失稳扩展而瞬时断裂裂纹形成后很快达到临界长度，不经历裂纹亚扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度快。韧性断裂前有明显的塑性变形脆性断裂前无明显塑性变形机械工程材料第二节 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第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂韧窝齐整表面机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂

42、一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性：韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是材料轻度和塑性的综合表现。评定材料韧性的力学性能是：评定材料韧性的力学性能是：冲击韧性和断裂韧性机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击载荷与静载荷的主要区别：冲击载荷与静载荷的主要区别：在加载速率不同，前者加载速率高，后者加载速率低。应变速率增加，使材料变脆倾向增大。冲击韧性：冲击韧性：用来评定材料在冲击载荷下的脆断倾向。冲击韧性：冲击韧性：用指材料在冲击载荷作用

43、下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用标准试样的冲击吸收功Ak表示。机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击韧性试验：冲击韧性试验：基本原理：用一定质量的物体以一定的速度冲击一定形状的试样，测量断裂试样需要的能量，以此能量值表示该材料的冲击韧性。势能12kAGHGH摆锤的运动速率为5m/s,试样的应变速率约为310 /s机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击韧度：冲击韧度：衡量材料冲击韧性的力学性能指标|kKAak

44、kkaAF机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析针对防止脆性断裂：针对防止脆性断裂：传统的设计方法要求： sk1.要求零件的工作应力2.要求材料有足够的塑性、和韧性不可能可靠地保证零件不发生低应力脆断。原因：没考虑一般材料中都存在着微小的宏观裂纹。机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂力学的发展：断裂力学的发展：提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标： 断裂韧度ICK度度机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下

45、的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂韧度 ：材料的固有特性，基本力学常数，对成分、组织敏感，可以通过合金化、热处理来改变。ICK机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂力学的发展：断裂力学的发展：提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标： 断裂韧度ICK可控三参数可控三参数换算换算临界条件临界条件工作应力实际裂纹半长度是否安全是否安全安全可靠安全可靠安全可靠IcKcca1 2IcKY a1 2ICcKYa2cICaKYcIIcKKcaa机械工程材料第二

46、节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂一定条件一定条件决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素： 加载方式和材料本质：加载方式和材料本质： 温度和加载速度温度和加载速度 应力集中应力集中 零件尺寸零件尺寸机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：1. 加载方式和材料本质：加载方式和材料本质：xyzxyxzxxyyyzyxzyzzzxxyxyyxyxyx

47、xyxyyxyxyxn 机械工程材料以主平面为单元体的各面则称为主单元体以主平面为单元体的各面则称为主单元体xyxyyx1P2P 从变形体内任意点取出的单元体称为原始单元体从变形体内任意点取出的单元体称为原始单元体主单元体的各表面上只主单元体的各表面上只有正应力，没有切应力有正应力，没有切应力对平面应力状态，对平面应力状态，z平平面也为一个主平面，面也为一个主平面，其上的主应力为零。其上的主应力为零。按代数值大小排列为按代数值大小排列为 分别称为分别称为机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要

48、因素：决定材料断裂类型的主要因素：1. 加载方式和材料本质：加载方式和材料本质：最大切应力：最大切应力：最大正应力：最大正应力：max132max113 机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：2. 温度和加载速度：温度和加载速度：屈服强度：屈服强度：正断强度：正断强度：sk韧脆转变温度韧脆转变温度kT机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂

49、类型的主要因素：3. 应力集中：应力集中：由于构件几何形状突变造成局部应力急剧增高由于构件几何形状突变造成局部应力急剧增高 max应力集中的程度由应力集中因数应力集中的程度由应力集中因数K K 表示表示maxK机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：3. 应力集中：应力集中：机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：平面应力状态

50、，在Z方向可以自由变形。平面应变状态，Z方向弹性约束阻止了该方向的变形。机械工程材料第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂总总 结结第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析skkT机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。参量：参量：最大应力最大应力最小应力：最小应力：maxmin应力幅应力幅2a 平均

51、应力平均应力应力比应力比maxmin2mminmaxr应力变程应力变程maxmin机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。minmax1r maxmin20m火车轴（弯曲）曲轴（扭转）minmax0rmaxmin20m 连杆小拉大压机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷：

52、载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。max00rmaxmax022m齿轮齿根（弯曲）minmax01rmaxmin20m 缸盖螺钉 大拉小压机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。max00rmaxmax022m齿轮齿根（弯曲）minmax01rmaxmin20m 缸盖螺钉 大拉小压机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一. 疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析疲劳

53、断裂之特点疲劳断裂之特点（较之静载和冲击载荷下的断裂）引起疲劳的应力很低，通常低于静载下的屈服强度；引起疲劳的应力很低，通常低于静载下的屈服强度；断裂时无明显的宏观塑性变形；断裂时无明显的宏观塑性变形；即使在静载和冲击载荷下有大量塑性变形的塑性材料，疲劳断裂也表现出脆断的宏观特征，危险性极大疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个阶段阶段机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂二二. 疲劳断口的特征疲劳断口的特征第一章 机械零件（或器件）的失效分析典型的疲劳断口形貌由典型的疲劳断口形貌由疲劳源区疲劳源区、疲劳裂纹扩展区疲劳裂

54、纹扩展区和和最后断裂区最后断裂区三部分组成。三部分组成。机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂二二. 疲劳断口的特征疲劳断口的特征第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.疲劳源区疲劳源区:材料内部缺陷材料内部缺陷零件局部区域造成应力集中零件局部区域造成应力集中该区域产生疲劳裂纹该区域产生疲劳裂纹2.疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区:疲劳裂纹形成后疲劳裂纹形成后继续扩展长大继续扩展长大载荷大小的载荷大小的改变改变裂纹张开和闭合裂纹张开和闭合扩展区留下一条条光扩展区留下一条条光亮的弧线（疲劳裂纹前沿线）亮的弧线（疲劳裂纹前沿线）贝壳状贝壳状海滩状海滩状3.最后断裂区最后断裂区:疲劳裂纹不断扩展

55、疲劳裂纹不断扩展零件有效截面逐渐减小零件有效截面逐渐减小应应力增加力增加超过材料断裂强度时超过材料断裂强度时放射状断裂。放射状断裂。机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析无裂纹零件的疲劳无裂纹零件的疲劳带裂纹零件的疲劳带裂纹零件的疲劳经历扩展和最后断裂两个经历扩展和最后断裂两个阶段阶段经历裂纹形成、扩展和最后断裂经历裂纹形成、扩展和最后断裂三个阶段三个阶段疲疲 劳劳不同的抗力指标不同的抗力指标机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第

56、一章 机械零件（或器件）的失效分析疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度材料承受的交变应力与断裂循环周次之间的关系曲线1.无裂纹零件的疲劳抗力指标无裂纹零件的疲劳抗力指标愈大，循环周次愈小；愈小，断裂循环周次愈大。低周疲劳510N 高周疲劳510N 机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析（1）疲劳极限和过载持久值）疲劳极限和过载持久值1.无裂纹零件的疲劳抗力指标无裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳极限：疲劳极限：当应力低于当应力低于 时，即使循时，即使循环无限多次也不会

57、发生疲劳断裂，曲环无限多次也不会发生疲劳断裂，曲线水平部分对应的应力线水平部分对应的应力 ，就是疲劳，就是疲劳极限。极限。rr3N过载持久值：过载持久值：材料在高于疲劳极限的材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的应力循环应力作用下发生疲劳断裂的应力循环周次。周次。机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析（2）疲劳缺口敏感度）疲劳缺口敏感度1.无裂纹零件的疲劳抗力指标无裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳缺口敏感度：疲劳缺口敏感度：缺口类型：缺口类型： 孔、圆角、槽、台阶等 11ftKqKtKS应力集中

58、系数：应力集中系数：疲劳缺口系数：疲劳缺口系数：fffKSS光滑件疲劳极限：光滑件疲劳极限：缺口件疲劳极限缺口件疲劳极限：机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析（2）疲劳缺口敏感度）疲劳缺口敏感度1.无裂纹零件的疲劳抗力指标无裂纹零件的疲劳抗力指标1fKq=0 时：时：缺口不降低疲劳极限缺口不降低疲劳极限11NftKKq=1 时：时：缺口严重降低疲劳极限缺口严重降低疲劳极限ftfSSK机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机

59、械零件（或器件）的失效分析含有原始裂纹或缺陷的零件，裂纹扩展是决定疲劳寿命的主要因素2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标带裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展曲线：裂纹长度随应力循环周次N的变化。机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标带裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展曲线：裂纹长度随应力循环周次N的变化。dadN疲劳裂纹扩展速率：疲劳裂纹扩展速率：adadN增大到无限大裂纹失稳扩展，试样断裂，断裂循环周次为pN机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力

60、指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标带裂纹零件的疲劳抗力指标与应力幅、裂纹长度a 有关。dadN疲劳裂纹扩展速率：疲劳裂纹扩展速率：裂纹尖端应力场强度因子：裂纹尖端应力场强度因子：1 2KY a疲劳裂纹尖端应力场强度疲劳裂纹尖端应力场强度因子幅因子幅 K：1 21 21 2maxminmaxminKKKYaYaYa控制疲劳裂纹扩展的力学参数控制疲劳裂纹扩展的力学参数做出曲线：做出曲线：lglgdaKdN机械工程材料第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂三三. 疲劳抗力指标及其影响因素疲劳抗力指标及其影响因素第一章 机械零件（或器