材料课件第一章机械零件的失效形式

第一章机械零件的失效分析本章主要内容零件的过量变形以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裂及性能指标零件的磨损失效以及防止零件在高温下的蠕变变形和断裂失效关于失效的基本概念1零件（构件）的功能（1）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；（2）实现规定的机械运动；（3）传递力和能。失效的定义和形式

定义:零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。

常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀第一节零件在常温静载下的过量变形材料的静载性能指标有哪些?什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性变形的原因是什么?设计时应选择什么性能指标?发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指标有哪些?问题一、材料的静载性能指标刚度和强度指标弹性和塑性指标硬度指标韧性指标（放在断裂中讲）1、刚度刚度：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。刚度越大，零构件发生的弹性变形越小。（在同样的载荷下）2、强度、弹性塑性指标试样的静拉伸过程弹性变形、塑性变形弹性变形非线性弹性变形（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力比例极限sp弹性极限se屈服强度ss抗拉强度sb断裂强度sk强度指标单位：MPa（2）弹性和塑性指标

弹性：材料发生弹性变形的大小。

塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。弹性指标：弹性能（弹性比功）m塑性指标：断后伸长率d断面收缩硬度

硬度：表征材料软硬程度的一种性能。

硬度指标：物理意义与试验方法有关滑痕法硬度值（莫氏硬度）弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）压入法硬度值（工业中应用广泛）布氏硬度（HBS)淬火钢球洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体）维氏硬度(HV)（锥面角为136°的金刚石四棱锥体为压头二、过量变形失效过量弹性变形及抗力指标（1）零构件发生过量弹性变形失效：

Dl[Dl](拉压或者弯曲条件下）或者q[q]（扭转条件下）（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够（3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G过量塑塑性变变形及及抗力力指标标（1））发生生条件件：塑塑性变变形量量超过过允许许变形形量（2））原因因：偶偶而过过载或或者零零构件件本身身抵抗抗塑性性变形形的能能力不不够（3））抗力力指标标：比比例极极限、、弹性性极限限和屈屈服极极限总结结零构件件发生生过弹弹性变变形的的原因因：刚度不不足抗力指指标：：弹性模模量E或者切变模模量G强调调！金属和和合金金的弹性模模量不不能通过合合金化化和热热处理理、冷冷变形形等方方法改改变。。本节中中所讲讲的材材料的的力学学性能能指标标及应应用刚度：在设计计中，，考虑虑构件件在受受力时时发生生的弹弹性变变形量量，需需要用用刚度度。主主要力力学性性能是是材料料的弹性模模量。如镗镗床的的镗杆杆、齿齿轮轴轴等弹性指指标：弹性极极限和和弹性性模量量是设设计弹弹性零零件考考虑的的性能能指标标。如如汽汽车车板板簧簧和和各各类类弹弹簧簧等等强度度和和塑塑性性指指标标：：屈屈服服强强度度和和塑塑性性用于于一一般般零零件件的的抗抗断断裂裂设设计计。。硬度度：在耐耐磨磨零零件件中中必必须须考考虑虑的的性性能能指指标标。。如如滚滚珠珠轴轴承承、、活活塞塞环环等等.第二二节节零零件件在在静静载载和和冲冲击击载载荷荷下下的的断断裂裂问题题断裂裂可可分分为为几几类类？？韧韧性性断断裂裂和和脆脆性性断断裂裂如如何何区区分分？？断裂过程分为为几个阶段？？韧性断裂和和脆性断裂的的断裂过程的的区别在哪里里？什么是材料的的韧性？评价价材料韧性的的力学性能指指标有哪些？？材料韧性指标标的含义及应应用？一、基本概念念静载荷和冲击击载荷断裂：材料在外力作作用下分为两两个或者两个个以上部分的的现象。断裂的分类：：韧性断裂和和脆性断裂断裂过程：裂裂纹萌生和裂裂纹扩展韧性：表示材料在塑塑性变形和断断裂过程中吸吸收能量的能能力。韧性断裂和脆脆性断裂的断断口微观形貌貌韧性断口脆性断口二、冲击韧性性及衡量指标标冲击韧性：材材料在冲击载载荷下吸收塑塑性变形功和和断裂功的能能力。是材料料强度和塑性性的综合表现现。衡量指标：冲冲击吸收功Ak冲击韧韧度ak(ak＝Ak/Fk)应用：：评价价材料料韧性性的好好坏，，与屈屈服强强度结结合用用于一一般零零件抗抗断裂裂设计计。低温冲冲击试试验：：(材材料的的韧脆脆转变变温度度TK)材料韧韧脆转转变温温度TK的确定定和应应用三、断断裂韧韧性及及衡量量指标标断裂韧韧度KIC:是是评评定材材料抵抵抗脆脆性断断裂的的力学学性能能指标标，指指的是是材料料抵抗抗裂纹纹失稳稳扩展展的能能力。。单位位：：MPa·m1/2或者者MN·m-3/2应用用（判判断断构构件件是是否否安安全全，，合合理理选选材材））KI<KIC构件安全KI>KIC构件发生脆性性断裂KI＝KIC构件发生低应应力脆性断裂裂的临界条件件3 应用场合合：主要用于于高强度钢制制造的飞机、、导弹和火箭箭的零件，或或者是用中低低强度钢制造造气轮机转子子、大型发电电机转子等。。四、影响脆性性断裂的因素素温度和加载载速度应力集中零件尺寸总结材料的断裂裂分为：韧韧性断裂和和脆性断裂裂材料料的的韧韧性性指指标标：：冲冲击击吸吸收收功功、、冲冲击击韧韧度度、、材材料料韧韧脆脆转转变变温温度度和和断断裂裂韧韧度度，，前前三三个个用用于于评评价价材材料料韧韧性性的的好好坏坏；；断断裂裂韧韧度度可可用用于于材材料料抵抵抗抗低低应应力力脆脆性性断断裂裂的的设设计计。。材料料的的以以上上韧韧性性指指标标均均可可用用合合金金化化和和热热处处理理等等方方法法改改变变。。第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂问题题什么么是是疲疲劳劳断断裂裂？？疲劳劳断断口口由由哪哪几几个个部部分分组组成成？？疲劳劳抗抗力力指指标标有有哪哪些些？？在在设设计计中中如如何何使使用用这这些些指指标标？？一、基本概念念交变载荷：载载荷大小和方方向随时间发发生周期变化化的载荷。疲劳断裂：零零件在交变载载荷下经过长长时间工作而而发生断裂的的现象成为疲疲劳断裂。疲劳断裂过程程：裂纹萌生生、疲劳裂纹纹扩展、最后后断裂。二、疲劳断口口的特点疲劳断口示意图疲劳源区和疲疲劳裂纹扩展展区的微观形形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳裂纹扩展展区疲劳源区三、疲劳抗力力指标无裂纹构件的的疲劳抗力指指标：疲劳极限过载持久值疲劳极限：材材料经过无限限次应力循环环不发生断裂裂的最大应力力。对应于疲疲劳曲线上水水平部分对应应的应力值。。疲劳曲线图1－11两两种类型的的疲劳曲线a)钢铁材料料b)部部分有色金属属（如铝合金金）条件疲劳极限疲劳极限过载持久值：：材料在高于于疲劳极限的的应力作用下下发生疲劳断断裂的循环周周次。高周疲劳：Nf>105低周疲劳:Nf<1052带裂纹构件的的疲劳抗力指指标裂纹扩展速率率（da/dN)疲劳裂纹扩展展门槛值(DKth）四、影响疲劳劳抗力的因素素载荷类型材料本质零件表面状态态工作温度腐蚀介质总结疲劳断裂是零零构件常见的的一种失效形形式，它是一一种脆性断裂裂，危害很大大。无裂纹零构件件设计中常用用的疲劳抗力力指标是疲劳劳极限、过载载持久值和疲疲劳缺口敏感感度。工作应力s<疲劳极极限，构件件不发生疲疲劳断裂。。工作应力s>疲劳极极限，构件件在一定的的周次下断断裂，该周周次称为过过载持久值值。工作应力越越大，过载持久值值越低。3 疲劳断断口上可清清楚显示疲疲劳裂纹源源、疲劳裂裂纹扩展区区和最后断断裂区。所所以，根据据断口就可可判断是否否发生疲劳劳断裂。第四节零零件的磨损损失效本节主要讲讲粘着磨损损、磨粒磨磨损和疲劳劳磨损的发发生过程、、机理以及及防止措施施。一、磨损的基本本概念产生磨损的的条件磨损的定义义：在摩擦擦过程中零零件表面发发生尺寸变变化和物质质耗损的现现象叫做磨磨损。二、磨损的的过程和机机理粘着磨损（1）又称称咬合磨损损，在滑动动摩擦条件件下，摩擦擦幅的接触触面发生金金属粘着，，在随后的的相对滑动动中粘着处处被破坏，，有金属屑屑粒被拉拽拽下来或者者是金属表表面被擦伤伤的一种磨磨损形式。。（2）过程程滑动（3）粘着着磨损的特特点：磨损损速度大；；破坏严重重。（4）防止措措施合理选材，，摩擦幅配配对材料选选用硬度差差较大的异异类材料；提高表面硬硬度；合理设计减减小接触压压应力；减小表面粗粗糙度。局部粘着粘着处被撕掉金属表面被划伤或者金属屑粒脱落磨粒磨损（1）定义：：又称磨料磨磨损，在滑滑动摩擦时时零件表面面存在硬质质磨粒，使使磨面发生生局部塑性性变形，磨磨粒嵌入、、磨粒切割割金属表面面从而导致致零件表面面逐渐损耗耗的一种磨磨损。（2）过程程金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表面被划伤（4）防止止措施提高表面硬硬度（从选选材方面））；减少磨粒数数量（从工工作状况方方面）。接触疲劳（（疲劳磨损损，麻点磨磨损）（1）定义义：零件工作面面作滚动或或滚动加滑滑动摩擦时时，在交变变接触压应应力的长期期作用下引引起的表面面疲劳剥落落破坏的现现象。（2）过程程：类似于于疲劳断裂裂，是裂纹纹萌生和扩扩展过程。。（3）主要防止措措施提高材料硬硬度；提高高材料纯度度；提高零零件心部和和表面强度度；减小表表面粗糙度度。总结磨损是机械械零件常见见的一种失失效形式，，总是从零零件表面开开始发生。。各种磨损损的过程和和机理不同同，因此其其主要的预预防措施也也不同。提高零件表表面硬度，，合理设计计减小压应应力，以及及提高表面面光洁度等等对降低磨磨损都有利利。第五节零零件的腐腐蚀失效问题题1什什么是腐蚀蚀？可分为为几类？高温氧化腐腐蚀常发生生在那些零零件中？耐耐热钢为什什么具有抗抗高温氧化化能力？发生电化学学腐蚀的条条件是什么么？改善零件腐腐蚀抗力的的主要措施施是什么一、腐蚀的的定义和分分类腐蚀：材料料表面和周周围介质发发生化学反反应或者电电化学反应应所引起的的表面损伤伤现象。分类：化学腐蚀电化学腐蚀蚀二、腐蚀过过程及防止止化学腐蚀过过程（以高高温氧化腐腐蚀为主））高温氧化过过程：（1）金属属失去电子子成为金属属离子（2）氧原原子吸收电电子成为氧氧离子（3）金属属离子和氧氧离子结合合为金属氧氧化物基体金属能能否继续氧氧化，取决决于氧化物物薄膜是否否致密。提高钢抗氧氧化能力：：加入Al、Si、、Cr等元元素，与氧氧结合形成成致密的氧氧化物膜，，防止基体体金属进一一步氧化。。电化学腐蚀蚀条件：存在在电极电位位差，并且且相互接触触并处于相相互联通的的电介质溶溶液中形成成微电池。。电化学腐蚀蚀的过程阳极：失去去电子，MMn++ne(被被腐蚀）阴极：发生生析氢反应应或者吸氧氧反应三、零件防防止腐蚀的的措施对于化学腐腐蚀，常采采用以下方方式：选择择抗氧化材材料如耐热热钢、高温温合金、陶陶瓷材料等等；零件表表面涂层。。对于电化学学腐蚀：选选择耐腐蚀蚀材料；表表面涂层；；电化学保保护；加缓缓蚀剂第六节零零件在高高温下的蠕蠕变变形和和

断裂失失效问题题金属材料在在高温下的的力学行为为有哪些特特点？什么是蠕变变？评价金属材材料高温力力学性能指指标有哪些些？高温下零件件的失效方方式有哪些些？如何防防止？一、材料在在高温下的的力学行为为1材料的强度度随温度的的升高而降降抵。2高高温下材料料的强度随随时间的延延长而降抵抵。高温下材料料的变