【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。2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3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1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G2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强调！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。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.第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂问题1断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？2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？3什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标有哪些？4材料韧性指标的含义及应用？一、基本概念•静载荷和冲击载荷•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。•断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂•断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展•韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断口脆性断口二、冲击韧性及衡量指标1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。2衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度ak(ak＝Ak/Fk)3应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。4低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)材料韧脆转变温度TK的确定和应用三、断裂韧性及衡量指标1断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/22应用（判断构件是否安全，合理选材）KIKIC构件安全KIKIC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3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•温度和加载速度•应力集中•零件尺寸总结•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、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度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。第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂问题1什么是疲劳断裂？2疲劳断口由哪几个部分组成？3疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？一、基本概念1交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。2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成为疲劳断裂。3疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。二、疲劳断口的特点疲劳断口示意图疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观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区疲劳源区三、疲劳抗力指标1无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限过载持久值疲劳极限：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。疲劳曲线图1－11两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料b)部分有色金属（如铝合金）条件疲劳极限疲劳极限过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。高周疲劳：Nf105低周疲劳:Nf1052带裂纹构件的疲劳抗力指标裂纹扩展速率（da/dN)疲劳裂纹扩展门槛值(DKth）四、影响疲劳抗力的因素1载荷类型2材料本质3零件表面状态4工作温度5腐蚀介质总结1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。2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s疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。工作应力s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。3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。第四节零件的磨损失效本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。一、磨损的基本概念1产生磨损的条件2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。二、磨损的过程和机理1粘着磨损（1）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。（2）过程滑动（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）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；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。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2磨粒磨损（1）定义：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。（2）过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）防止措施提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。3接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）（1）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劳剥落破坏的现象。（2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。（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强度；减小表面粗糙度。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问题1什么是腐蚀？可分为几类？2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？3发生电化学腐蚀的条件是什么？4改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么一、腐蚀的定义和分类1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。2分类：化学腐蚀电化学腐蚀二、腐蚀过程及防止1化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主）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基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr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。2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，MMn++ne(被腐蚀）•阴极：发生析氢反应或者吸氧反应三、零件防止腐蚀的措施•对于化学腐蚀，常采用以下方式：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。•对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂第六节零件在高温下的蠕变变形和断裂失效问题•金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？•什么是蠕变？•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？一、材料在高温下的力学行为1材料的强度随温度的升高而降抵。2高温下材料的强度随时间的延长而降抵。3高温下材料的变形量随时间的延长而增加。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。二、评价材料高温力学性能指标1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。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Ts（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：Tt/ds2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，sTtt---时间；T----温度；三、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）