第一章机械零件的失效

工程材料基础

主讲：于光1．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

绪论

石器时代

陶器时代

铜器时代

铁器时代

钢铁时代

新材料时代2．材料与技术进步能源、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硬铝合金后，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

单晶硅大规模集成电路信息时代

一根细丝能同时传输2000路通话

信号传输速度比铜缆快72000倍光导纤维被誉为是百年不遇的重大发明→→20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排斥力能制造出时速高达500Km的磁悬浮列车3.工程材料及分类按照材料的性能特点和用途分类：按照材料属性分类，工程材料分为：金属材料

高分子材料陶瓷材料

复合材料工程材料结构材料功能材料以力学性能为主要使用性能以物理、化学和生物功能为主要使用性能4.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、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、制造工艺和使用性能5.学习目的①了解材料成分、结构、制备工艺与性能的关系②熟悉各种工程材料的特性③能够做到正确选材和用材工程材料的性能使用性能工艺性能材料的力学性能、物理和化学性能及生物功能材料的切削加工、铸造、压力加工、焊接和热处理性能

第一章机械零件的失效分析一、失效的定义和失效分析的任务1.失效的定义机械产品的主要质量标志:失效的表现：

功能、寿命、重量/容量比、经济型、安全性和外观

失效;指零件失去了设计所要求的功能①

完全丧失功能②

功能衰退③失去可靠性与安全性失效类型过量变形过量弹性变形、过量塑性变形

断裂一次加载断裂、循环加载断裂等

磨损粘着磨损、磨粒磨损等

腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀2.失效分析的任务产品生产过程：失效分析的任务：对零件失效原因进行分析和判断，为积极预防失效找到有效途径二、失效分析的重要性和作用1.失效的危害性美国1983年统计：零件失效造成的经济损失每年可达3400亿美元德国：零件失效造成的损失每年可达700亿马克2.技术革命与失效研究重大技术革命都与失效分析有关3.失效分析的积极作用①

能促进老材料的改进和新材料的开发②能促进产品结构的改进③

能促进生产工艺的改进④

有利于责任事故的仲裁三、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，从中找出主要的失效方式和主要的失效抗力指标

2.运用金属学和材料强度学等知识，分

析主要失效抗力指标与材料成分和组

织结构的关系

3.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，

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

第一节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弹性：材料能够发生弹性变形的能力塑性：材料在断裂前能够发生塑性变形的能力塑性变形：弹塑性变形低碳钢的断裂过程：包括弹性变形、塑性变形和最后的断裂三个阶段

低碳钢拉伸时的应力应变曲线弹性极限（se

）：衡量材料最大弹性变形的抗力指标比例极限（sp）：保证材料的弹性变形能按正比关系变化的最大抗力指标se＝Pe

/Fosp＝PP

/Fo

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

加工硬化的技术意义：

1.能提高机件的安全性

2.能获得截面均匀一致的产品屈服极限（sS＝Ps

/Fo）：材料抵抗起始塑性变形的抗力指标加工硬化：由塑性变形导致的材料强度升高、塑性降低现象3.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，加工硬化是有效的强化手段当应力达到sb，加工硬化导致的强度升高不能补偿试样截面积减小所引起的承载能力降低时，试样便会出现缩颈抗拉强度（sb＝Pb

/Fo

）：材料对最大均匀塑性变形的抗力指标断裂强度(sk＝Pk

/Fo

）：材料对塑性变形的极限抗力伸长率：指试样断裂后的残留变形ΔL与试样原始长度Lo的百分比

断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩量ΔF与试样原始截面积Fo的百分比

强度：材料抵抗变形或断裂的能力

δ=

Lk

－Lo

/Lo

×100%Ψ=Fo

－Fk

/Fo×100%洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料表面，以压入深度的大小来度量材料硬度布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度

纯金属、陶瓷、橡胶等材料的应力应变行为与低碳钢不同硬度:表征材料软硬程度的性能指标条件ss对应的塑性变形量为0.01～0.5%

二、过量变形失效1.过量弹性变形失效及抗力指标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：

EA＝P/ε

刚度：零件抵抗弹性变形的能力

EA：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，弹性就越好，在变形过程中吸收的弹性能就越多2.过量塑性变形失效及抗力指标产生过量塑性变形的原因：偶然过载或零件自身抵抗塑性变形的能力不足

炮筒：s

＜sp/n

n

＞1紧固螺栓：s

＜ss/n弹n

＞1＝se

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要求：进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性变形的能力①掌握加工硬化的定义和技术意义②掌握静拉伸指标的物理意义及用途力学性能指标的应用为防止构件发生过量弹性变形，设计时需使用刚度。如镗床的镗杆等弹性极限是弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧等屈服强度和塑性指标可用于结构零件的抗断裂设计硬度指标是耐磨零件考虑的性能指标。如滚珠轴承等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低碳钢在静拉伸时，断裂过程包括了弹性变形、弹塑性变形和断裂三个阶段

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微裂纹→扩展至临界裂纹→快速扩展至断裂裂纹亚稳扩展阶段裂纹失稳扩展阶段

扩展速度慢

扩展速度快韧性断裂经过以下阶段：①发生塑性变形产生缩颈②在缩颈中心产生显微空洞③空洞聚合形成中心裂纹④裂纹向外扩展导致试样断裂

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1.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，材料的韧性越好，脆断倾向越小工件上任一点处的应力，都能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加载方式不同，最大切应力和最大正应力的比值α不同

单向拉伸：

α

=0.5

扭转载荷：α=0.8正应力只能导致工件断裂切应力能导致塑性变形和断裂α（

=τmax/σmax）：应力状态软性系数α＞1：软性应力状态

α=1：较软性应力状态α＜1：硬性应力状态在α＜0.5的三向不等拉伸状态下：正断式脆断在α=0.5的单向拉伸状态下：正断式韧断在α=0.8的扭转载荷作用下：切断式韧断应力状态图：能判断加载方式对断裂性质的影响

应力状态不同，断裂类型不同。α越小，应力状态越硬，材料脆断倾向越大材料不同，应力状态图不同，断裂方式不同材料的ts越低，sk越高，越容易发生塑性变形，越不容易发生脆断

α越小，材料脆断倾向越大

材料塑性越好，脆断倾向越小材料对断裂性质的影响：2.温度和加载速度的影响材料屈服强度随温度变化图Tk：材料的韧脆转变温度加载速度越高，材料脆断倾向越大工作温度越高，材料脆断倾向越小材料的Tk越低,越不容易发生脆性断裂3.应力集中和零件尺寸的影响应力集中对断裂性质的影响：应力集中：截面发生突变，局部地方出现应力最大值的现象使缺口截面处的材料处于三向不等拉伸应力状态，导致材料脆断倾向增大缺口越尖锐，应力集中越严重，脆断倾向越大零件尺寸大，塑性变形难，脆断倾向越大缺口试样的力线分布缺口试样的应力集中现象小结：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，脆断倾向不同材料不同，脆断倾向不同工作温度越高，脆断倾向越小加载速度越高，脆断倾向越大应力集中越严重，脆断倾向越大零件尺寸越大，脆断倾向越大

冲击韧性Ak（J）：冲断V型缺口试样所消耗的功

冲击韧度ak（J/cm²）：U型缺口试样单位面积所

吸收的功

ak＝Ak/Fk

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Ak和ak：材料在冲击载荷作用下吸怍塑性变形功和断裂功的能力高塑性材料：选用V型缺口试样低塑性材料：选用U型缺口试样冲击试验的应用：1.能显示材料的各种脆性低温脆性：冲击韧性随温度降低而显著降低的现象Tk

：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

材料的Ak越高，Tk越低，脆断倾向越小2.能控制冶炼和热加工的工艺质量

冲击韧性是材料的重要力学性能指标，是选材和用材的重要参考依据

四、断裂韧性传统强度设计方法：某些用高强度钢制作的零件以及用中、低强度钢制造的大型构件，常会发生低应力脆断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，都是由于机件发生了低应力脆断所致

s≤[

s]＝

sS/nn＞1

断裂力学为解决低应力脆断提供了有效判据1.断裂力学与传统强度设计的区别未考虑零件中可能存在有原始缺陷认为零件中存在的宏观裂纹和冶金缺陷是造成其发生低应力脆断的根本原因

传统强度设计：

以屈服强度为设计依据断裂力学特点：

把零件看作是裂纹体

2.K1c判据

单位：MPa·m1/2

K1=Ysa1/2K1＝K1C

是零件发生低应力脆断的临界条件当K1≥K1C

时，零件会发生低应力脆断

当K1

＜K1C

时，零件处于安全状态

K1C对材料的成分和内部组织很敏感，可通过合金化和热处理加以改变

K1C：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标

材料强度越高，K1C

越低材料塑性越好，K1C

越高由K1=Ysa1/2知

：已知零件的工作应力和零件中的最大裂纹长度

K1C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

使K1

＜K1C，能保证零件安全

使s＜sc，

能保证零件安全

使a＜ac，能保证零件安全

已知零件的工作应力和材料的

K1C

已知零件中的最大裂纹长度和材料的

K1C

小结：冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击试验的应用：①能显示材料的各种脆性②能用来控制冶炼和热加工的工艺质量Tk

：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的能力K1＝K1C

是零件发生低应力脆断的临界条件

第三节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，火车轴常在低于材料屈服强度的应力作用下发生断裂疲劳断裂：在交变载荷长期作用下发生的断裂交变载荷：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

原因：由疲劳所引起火车轴承受的交变载荷虽然低于材料的屈服强度，但作用时间长了，火车轴就会产生疲劳而断裂

几种常见的交变应力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F15战斗机在空中解体事故原因：在飞机大梁的冶金缺陷处萌生了疲

劳裂纹美军宣布：

疲劳断裂是机械零件的主要断裂方式

180架F15战斗机报废

一、疲劳断裂的特点1.疲劳断裂没有明显的宏观塑性变形，具

有类似脆断的断裂特征

2.疲劳断裂的应力常低于材料的屈服强度3.疲劳断裂也包含了裂纹的形成、扩展和

断裂三个阶段

疲劳断裂没有明显的预兆，危害很大断口上存在着“疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区

疲劳断口示意图疲劳裂纹的产生地：4.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低应力脆断：当K1≥K1C

时，裂纹就会快速扩展，导致零件断裂

夹杂物：金属中存在的具有非金属性质的组成物铸造、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二、疲劳抗力指标及其影响因素1.疲劳极限与过载持久值疲劳性能通常是在r＝smin/smax＝－1的对称旋转弯曲条件下进行测定疲劳曲线示意图疲劳极限（s-1）：材料经受无限次应力循环而不断裂的最大应力疲劳曲线上的斜线部分能够反映材料对过载的抗力，过载持久值越大，材料的抗过载能力越强疲劳曲线示意图材料的s-1越高，抵抗疲劳断裂的能力越强疲劳曲线示意图过载持久值：材料在过载应力下发生断裂时所对应的应力循环周次通常取应力循环基数No为107～108所对应的应力为条件疲劳极限某些材料的疲劳曲线没有明显的水平部分

钛合金：No=107

铝合金、高强度钢等：No=108不同的材料，s-1可能相同，但过载持久值不一定相同在评定不同材料的疲劳性能时，还应看其疲劳曲线的位置和倾角在实际应用中，必须重视完整的疲劳曲线2.疲劳缺口敏感度

仅与缺口几何形状有关

与缺口几何形状和材料都有关理论应力集中系数：Kt＝σmax

/σm

有效应力集中系数：Kf

＝

s-1/

s-1N

缺口越尖锐，Kt越大缺口越尖锐，Kf越大材料强度越高，Kf越大

疲劳缺口敏感度能反映材料对缺口的敏感程度

疲劳缺口敏感度的变化范围：0﹤q﹤1

q＝0时,材料对缺口最不敏感

q＝1时，材料对缺口最敏感3.影响疲劳抗力的因素①载荷类型不同，应力状态不同，材料的疲劳

极限不同，钢的τ-1=0.55s-1②材料不同，疲劳极限、过载持久值和疲劳缺

口敏感度不同③材料的抗拉强度

越高，疲劳极限越高④材料纯度越高，疲劳极限越高⑤加工缺陷能导致疲劳极限降低⑥零件表面越粗糙，疲劳极限越低

⑦工作温度越高，疲劳极限越低热应力：材料随温度变化发生热胀冷缩时形成的

内应力4.

提高材料疲劳抗力的途径常用的表面强化方法：①表面冷作变形:表面喷丸、表面滚压等 ②化学热处理：表面渗碳、渗氮等③表面镀层:表面镀铬、镀镍等表面强化提高疲劳极限的原因：①能提高零件表层强度，防止疲劳裂纹形成②能在零件表层产生残余压应力，防止疲劳裂纹形成第四节零件的磨损失效零件表面的凹凸不平会对运动造成阻碍磨擦：对运动的阻碍作用摩擦力：阻碍相对运动的作用力滑动摩擦：一个零件在另一个零件上滑动时产生的摩擦如：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如：火车轮在轨道上转动时产生的摩擦

齿轮之间产生的摩擦

滚珠轴承中滚珠与轴承体产生的摩擦滚动摩擦：一个球形或圆柱形零件在另一个零件上滚动，两零件之间只在一个点、或只在一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和物质损耗现象失重法：用零件重量的减少表示磨损量尺寸法：用零件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磨损造成的经济损失美国每年可达1200亿美元

耐磨性：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1.粘着磨损在摩擦过程中，随着粘结点的不断形成和破坏，摩擦副便会产生磨损摩擦面能产生严重擦伤，严重时能造成摩擦副咬死特点：磨损速度高，破坏较严重常见磨损类型：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和麻点磨损粘着磨损：在滑动摩擦条件下，由于粘结点的不断形成和破坏所造成的磨损

提高粘着磨损抗力的途径

:①合理选择配对材料异类材料配对、硬度差大的材料配对，能降低摩擦副的粘着磨损程度②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形成粘结点③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

④进行表面强化提高摩擦件的表层硬度,降低摩擦件的摩擦系数μ＝F/N

2.磨粒磨损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磨粒磨损：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农业机械和矿山机械的齿轮易发生严重磨粒磨损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

通过即时清除磨粒，来降低磨损提高材料硬度

改进润滑油的过滤装置第五节零件的腐蚀失效化学腐蚀：由化学反应引起的腐蚀电化学腐蚀：由电化学反应引起的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：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

应力腐蚀

腐蚀疲劳腐蚀已与断裂、磨损并列，成为导致金属零件失效的三大原因之一美国1975年统计表明：腐蚀造成的经济损失每年约为700亿美元一、高温氧化腐蚀很多金属在空气中都会发生氧化，能在表面形成氧化膜金属发生氧化的原因：

氧化膜脆性较大，力学性能较金属差得多