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机械工程材料,华侨大学机电及自动化学院沈剑云,第一章 机械零件的失效分析,失效分析,失效的基本概念,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）传递力和能量。失效的定义和形式定义:零件失去设计所要求的效能（功能）。应用前、应用中、突发,失效例子,公元2001年9月11日，当美国纽约世贸中心遭遇恐怖袭击，缓慢而沉重地倒下。,失效例子,这艘当时世界最大的船号称“永不沉没的TITANIC”,被称为“世界工业史上的奇迹”,1912年4月15日，泰坦尼克号与冰山相撞后沉没。,失效例子,刀具磨损,失效的本质和形式,失效的原因和本质：外界的载荷、温度、介质等损害超过了材料抵抗损害的能力。常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀,主 要 内 容,过量变形断裂疲劳断裂磨损失效腐蚀失效蠕变变形和断裂失效,第一节 过量变形,变形：材料在外力作用下产生的形状和尺寸变化。弹性变形：能够恢复的变形。塑性变形：不能恢复的变形。,静载荷形式：,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）,一、材料的静载性能指标,材料静拉伸时的应力应变行为,一、材料的静载性能指标,外力增加，试样伸长。得到PL曲线，换算为曲线。材料表现为弹性变形、均匀塑性变形、颈缩、断裂。,拉伸过程:,一、材料的静载性能指标,弹性变形、塑性变形,弹性变形,非线性弹性变形,（一）、刚度和强度指标,1、刚度：定义：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）弹性模量E为表征材料刚度的性能指标。,（一）、刚度和强度指标,2、强度：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,（二）、弹性和塑性指标,1、弹性：材料发生弹性变形的大小。弹性指标：弹性能（弹性比功）m 弹性变形时吸收的弹性能。,（二）、弹性和塑性指标,2、塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标：断后伸长率d和断面收缩率。,原始试样,拉伸后试样,（三）、硬度,硬度是表征材料软硬程度的一种力学性能。硬度指标：物理意义与试验方法有关。划痕法硬度值（莫氏硬度）：表征材料对切断的抗力。,矿物的莫氏硬度表,（三）、硬度,弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）：主要表征材料弹性变形功的大小。,（三）、硬度,压入法硬度值（工业中应用广泛）：表征材料抵抗局部塑性变形及应变硬化能力的性能指标。布氏硬度HB压痕单位表面积上承受的平均压力。用直径D淬火钢球在力P的作用下压在试样上一定时间,压痕直径为d。实用于较软的塑性材料。,HB测量原理图,（三）、硬度,洛氏硬度HRC用120度圆锥金刚石压头，1470N(150kgf)力压入材料，以压入材料表面的深度来度量材料的硬度。用于硬度较高的淬火钢件。,HRC 测量原理图,（三）、硬度,维氏硬度HRC用对面夹角136度四棱锥金刚石压头，在力P作用下压入材料，用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度的度量。力的大小从980N、490N、297N到0.192N不等。压痕小用显微镜来观察，用于测量表层或微区。,二、过量变形失效,（一）、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（4）不同材料的弹性模量：E陶E铁E有色E高分子,二、过量变形失效,（二）、过量塑性变形及抗力指标（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够（3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限（4）抗力指标选择原则：设计应根据零（构）件工作条件所允许的残留变形量加以选择。,总结,零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G零构件发生过塑性变形的原因：过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够 抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限,注 意！金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。而比例极限、弹性极限和屈服极限是可以改变的！,应用,本节中所讲的材料的力学性能指标及应用,刚度：在设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量，需要用刚度。主要力学性能是材料的弹性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴等。,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。如汽车板簧和各类弹簧等,强度和塑性指标：屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计。,硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞环等.,问题,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?,第二节 断裂,断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。,一、基本概念,断裂的分类：韧性断裂：断裂前发生明显的宏观塑性变形，断口杯状；脆性断裂：断裂前几乎不发生塑性变形，断口平齐，无明显征兆。,一、基本概念,断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展的过程。裂纹源：外力作用下产生微裂纹或者内部缺陷（微裂纹、空穴、杂质）,裂纹亚稳扩展阶段：裂纹形成临界裂纹长度失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后迅速扩展。,一、基本概念,韧性断裂过程：亚稳阶段时间长，裂纹扩展与塑性变形同时进行，变形停止，裂纹扩展也停止；脆性断裂过程：裂纹形成后很快到达临界长度，几乎无亚稳扩展就直接进入失稳扩展。韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。,二、冲击韧性及衡量指标,冲击载荷：加载速度应变速率材料脆性倾向冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。衡量指标：冲击吸收功Ak 冲击韧性ak(ak Ak/Fk)应用：评价材料韧性的好坏，也就是在冲击载荷下的脆断倾向，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。,二、冲击韧性及衡量指标,冲击韧性实验：以带缺口标准试样快速冲断时，单位横截面积吸收的功。,冲击试样,二、冲击韧性及衡量指标,温度对冲击韧度的影响 随着温度下降，多数材料会出现脆性增加的现象，当温度下降到某一温度时，其冲击吸收功急剧降低，使试样的断口由韧性断口过渡到脆性断口。,三、断裂韧性及衡量指标,断裂韧性是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的能力。大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用为最危险。,三、断裂韧性及衡量指标,断裂力学：考虑材料内部微观宏观裂纹、缺陷，引起材料低应力脆断裂纹尖端的应力场分析：裂纹尖端应力大小，应力场强度因子：,Y叫做形状系数，它与裂纹形状、加载方式及试样类型有关。,断裂韧性KIC（单位：MPam）,三、断裂韧性及衡量指标,断裂韧性KIC：是材料的因有特性，基本力学常数。应用：（判断构件是否安全，合理选材）KI KIC 构件发生脆性断裂 KI=KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。,四、影响脆性断裂的因素,加载方式和材料本质,应力状态软性系数：,，应力状态软，脆性倾向小；，应力状态硬，易脆断；,材料在本质上无绝对韧性和脆性，加载方式不同，断裂方式也不同。,四、影响脆性断裂的因素,温度和加载速度正断强度k基本不变Tk 为韧脆转变温度降低温度和增加载荷速度都会引起材料脆化。,应力集中：缺口根部应力集中三向应力状态改变（三向不等拉伸）最大切应力max应力状态软性系数应力状态变硬脆性断裂,四、影响脆性断裂的因素,零件尺寸零件截面尺寸越大越容易发生断裂薄件平面应力状态z=0韧性断裂厚件平面应变状态z=0脆性断裂,总 结,材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂；材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧性、材料韧脆转变温度和断裂韧性，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧性可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计；材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。,问 题,断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断裂过程的区别在哪里？什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标有哪些？材料韧性指标的含义及应用？,第三节 交变载荷下的疲劳断裂,金属在循环载荷作用下，即使所受的应力低于屈服强度，也会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂、尤其是高强度材料的疲劳断裂前，一般不发生明显的塑性变形，难以检测和预防，因而机件的疲劳断裂会造成很大的经济以至生命的损失。,一、基本概念,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。,交变应力表示法,应力比：,应力幅：,平均应力：,一、基本概念,疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。,特点：1、最大应力远小于静荷强度2、破坏方式：脆性断裂3、破坏断口：光滑区粗糙区,二、疲劳断口,疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。,疲劳源,二、疲劳断口,疲劳源：内部缺陷、加工缺陷、结构设计不合理应力集中疲劳裂纹扩展区：交变应力作用裂纹扩展最后断裂区：零件有效截面积减少应力增加断裂,疲劳条纹,微裂纹,疲劳源,二、疲劳断口,不同载荷下的疲劳断口,疲劳断裂实例,板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠。折叠造成了表面裂纹。疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况分析，板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。,三、疲劳抗力指标,无裂纹构件的疲劳抗力指标,疲劳极限：表示材料经过无限次应力循环而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。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的应力循环周次。对应于曲线斜线部分。,疲劳曲线,高周疲劳：Nf105低周疲劳:Nf105,三、疲劳抗力指标,疲劳曲线测试 旋转弯曲疲劳实验,两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料 b)部分有色金属（如铝合金）,疲劳极限,条件疲劳极限,三、疲劳抗力指标,疲劳缺口敏感度 零件形状制品应力集中,Kt-理论应力集中系数，与几何形状有关与材料无关；Kf-有效应力集中系数。,a)缺口应力集中 b)光滑与缺口试样的 疲劳极限,三、疲劳抗力指标,带裂纹构件的疲劳抗力指标 只有裂纹扩展和断裂过程，与应力幅和裂纹长度有关。裂纹扩展速率（da/dN)：应力幅增大裂纹扩展速度加快。疲劳裂纹扩展门槛值(Kth）：循环应力幅作用下疲劳裂纹不扩展的最大尖端应力场强度因子幅K。,注意：疲劳裂纹扩展门槛值远小于断裂韧性，设计时若牺牲强度以提高(Kth）将造成构件笨重。,四、影响疲劳抗力的因素,载荷类型 应力状态影响疲劳极限、裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值材料本质 疲劳极限和过载持久值不同 疲劳缺口敏感度不同 断裂韧性不同裂纹扩展速率及疲劳裂纹扩展门槛值不同零件表面状态 加工缺陷：脱碳、裂纹、刀痕、硬伤 强化处理：冷处理喷丸、滚压、抛光 热处理渗碳、渗氮、感应加热表面淬火工作温度 工作温度 屈服强度 疲劳极限、疲劳裂纹扩展门槛值腐蚀介质 腐蚀坑 疲劳裂纹源 裂纹扩展速率、疲劳裂纹扩展门槛值,四、影响疲劳抗力的因素,材料一定时，其纯度和组织状态对疲劳抗力有显著影响。夹杂物可成为疲劳裂纹源，导致疲劳抗力降低。,四、影响疲劳抗力的因素,零件表面状态的影响,总 结,疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大。无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。工作应力疲劳极限：构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持久值越低。疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。,问 题,什么是疲劳断裂？疲劳断口由哪几个部分组成？疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？,第四节 零件的磨损失效,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叫做磨损。,一、磨损类型和机理,粘着磨损 又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。,滑动,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,一、磨损类型和机理,磨粒磨损 又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。,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,一、磨损类型和机理,腐蚀磨损：在摩擦力和环境介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落与金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）相结合的一种磨损。,氧化磨损 微动磨损,一、磨损类型和机理,接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）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劳剥落破坏而使物质耗损的现象。接触疲劳类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。裂纹源于表层的麻点剥落裂纹源于次表层的麻点剥落硬化层剥落,疲劳裂纹,二、提高抗磨损的途径,减少接触压力减小摩擦系数增加材料硬度降低表面粗糙度改善润滑条件,二、提高抗磨损的途径,粘着磨损合理选材，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；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。磨粒磨损提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。,二、提高抗磨损的途径,腐蚀磨损：氧化磨损：提高硬度，形成氧化膜处理；微动磨损：提高硬度，垫衬，减少应力集中。接触疲劳：提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度；改善润滑条件。,总 结,磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其主要的预防措施也不同。提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。,第五节 零件的腐蚀失效,我国重大工程项目、城市基础设施建设等因为金属腐蚀造成的损失每年已达5000亿元。根据各国的统计，腐蚀破坏造成的年度经济损失一般约占当年国家GDP的1.54.2。腐蚀过程和结果实际造成了地球有限资源和能源的极大浪费，对自然环境污染严重。,一、腐蚀过程和机理,腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。分类：化学腐蚀电化学腐蚀应力腐蚀,一、腐蚀过程和机理,高温氧化腐蚀（化学腐蚀）：高温氧化过程：（1）金属失去电子成为金属离子（2）氧原子吸收电子成为氧离子（3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物氧化膜力学性能降低、有效截面积减少腐蚀失效；基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。,一、腐蚀过程和机理,电化学腐蚀：条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。电化学腐蚀的过程 阳极：失去电子，MM n+ne(被腐蚀）阴极：发生析氢反应或者吸氧反应,一、腐蚀过程和机理,应力腐蚀：是指零（构）件在拉应力和特定的化学介质联合作用下所产生的低应力脆性断裂现象。特点：引起应力腐蚀的拉应力很小；引起应力腐蚀的介质腐蚀性较弱；缺少任一条件均无法进行。,二、零件防止腐蚀的措施,高温氧化腐蚀：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等、零件表面涂层；电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料、表面涂层、电化学保护（阳极保护）、加缓蚀剂；应力腐蚀：减少拉应力和应力集中、去应力退火消除残留应力、选择对介质不敏感材料、改善介质条件。,二、零件防止腐蚀的措施,零件表面涂层,二、零件防止腐蚀的措施,耐腐蚀材料,问 题,什么是腐蚀？可分为几类？高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有抗高温氧化能力？发生电化学腐蚀的条件是什么？改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么？,第六节 蠕变变形和断裂失效,有许多机件是在高温下工作的，如高压锅炉，蒸汽轮机、燃气轮机、以及化工厂的反应容器等，对于这些机件的性能要求，就不能以常温下的力学性能来衡量。材料在高温下的力学性能明显地不同于室温。,一、材料在高温下的力学行为,材料的强度随温度的升高而降抵。高温下材料的强度随时间的延长而降抵。高温下材料的变形量随时间的延长而增加。,二、蠕变和蠕变曲线,蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变曲线I 减速蠕变阶段II 恒速蠕变阶段III 加速蠕变阶段,二、蠕变和蠕变曲线,不同材料的蠕变曲线相差很远；同一材料的蠕变曲线在不同应力和温度条件下也不同。,三、评价材料高温力学性能的指标,蠕变极限：是高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标。表示方法:（1）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值，符号为：（2）给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量d的应力值，符号为：持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。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，sTt t-时间；T-温度,四、高温下零件的失效和防止,高温下零件的失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。防止措施：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料）表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）,问 题,金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？什么是材料的蠕变？评价金属材料高温力学性能指标有哪些？高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？,