机械工程材料沈莲01章机械零件的失效分析

SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一章机械零件的失效分析FAILUREANALYSISOFMACHINEELEMENTS1.零件的失效：任何机械零件或结构件都具有一定的功能，如在载荷、温度、介质等作用下保持一定的几何形状和尺寸，实现规定的机械运动，传递力和功。零件若失去设计要求的效能即为失效。2.零件失效的原因：造成零件失效的原因是多方面的，它涉及到机构设计、材料选择、加工制造、装配调整及使用与保养等因素，但从本质上看，零件失效都是由于外界载荷、温度、介质等的损害作用超过了材料抵抗损害的能力造成的。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一章机械零件的失效分析FAILUREANALYSISOFMACHINEELEMENTS2.零件失效的原因：为了预防零件失效，必须做到设计正确，选材恰当和工艺合理。为此，我们不仅要熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力和运动规律，还要把它们和材料的性能结合起来，即从零件的工作条件中找出其对材料的性能要求，然后才能做到正确选择材料和合理制定冷、热加工的技术条件及工艺路线。而研究零件各种形式的失效是深刻了解零件工作条件的基础。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一章机械零件的失效分析FAILUREANALYSISOFMACHINEELEMENTS2.零件失效的原因：通过观察零件的失效特征，找出造成失效的原因，从而确定相应的失效抗力指标，为制定技术条件、正确选材和制订合理工艺提供依据。因此，研究零件的失效具有重要的意义。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一章机械零件的失效分析FAILUREANALYSISOFMACHINEELEMENTS3.常见的失效方式过量变形Excessivedeformation断裂Fracture疲劳Fatigue磨损Wear高温蠕变Hightemperaturecreep腐蚀CorrosionSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料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1.低碳钢的应力－应变行为OA:弹性变形ABC:屈服CDE:塑性变形E:断裂SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料退火态低碳钢的应力－应变曲线比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度:p:e:s:b:kSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.其他类型材料的应力应变行为其他材料的应力－应变曲线1–纯金属,2–脆性材料,3–高弹性材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料—零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力，它等于材料弹性模量与零（构）件横截面积的乘积。1.刚度二、静载性能指标单向拉伸(或压缩):纯剪切:FAEFEA:E弹性模量FAGFGA:G切变模量SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料强度是指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。2.强度比例极限弹性极限屈服强度抗拉强度断裂强度:p:e:s:b:kSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料是指材料弹性变形的大小。常用弹性变形时吸收的弹性能u来表示。3.弹性弹性模量最大弹性应变弹性能:E:e:u212eEE12eeuSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料是指材料断裂前发生塑性变形的能力。常用断后伸长率和断面收缩率来衡量材料的塑性。4.塑性断后伸长率00100%LLL断面收缩率00100%AAA显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的塑性越好。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材料抵抗压入和刻画的能力。5.硬度SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料在刚度设计时，常规定零件的最大弹性变形或（扭转角）必须小于许可的弹性变形量或。有些零件在一定载荷下只允许一定的弹性变形，若发生过量变形就会造成失效。例如镗床镗杆若发生较大弹性变形，其镗出的孔径就会偏小或有锥度。三、过量弹性变形失效1.现象又如齿轮轴，若其刚度不足，产生过量弹性变形，则会影响齿轮的正常啮合，加速齿轮磨损，增加噪音。llll2.刚度条件SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料抗拉条件下FlllEA扭转条件下npMGI当零件尺寸和外加载荷一定时，材料的弹性模量E（或切变模量G）越高，零件的弹性变形愈小，则刚度愈好。选用弹性模量E高的材料。增大零件的横截面积A。3.防止措施SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料4.各种材料的弹性模量弹性模量以陶瓷材料最高，钢铁材料次之，有色金属材料再次之，高分子材料最低。弹性模量E（或切变模量G）主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点高低可以反映原子间结合力强弱，通常材料的熔点越高，其弹性模量也越高。另外，弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低。应该指出，金属材料的弹性模量主要取决于基体金属的性质，当基体金属一定时，不能通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料四、过量塑性变形失效绝大多数机器零件在使用过程中都处于弹性变形状态，不允许产生塑性变形。实际使用的工程材料大多数是弹塑性材料、弹性极限和塑性变形并无明显的分界点，很难测出它们的准确数值。因此采取人为规定的方法，把产生规定的微量塑性伸长率所对应的应力作为“条件比例/弹性极限”、“条件屈服强度”，它们之间并无本质区别。顺便指出，比例极限、弹性极限、屈服极限是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院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所谓断裂是材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。根据材料断裂前所产生的宏观变形量大小，将断裂分为韧性断裂和脆性断裂。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料断裂前发生明显宏观塑性变形的断裂。断裂前未发生明显宏观塑性变形的断裂。1.韧性断裂2.脆性断裂断口特征：杯锥状，暗灰色。断口特征：断口平齐，颜色光亮。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料由于韧性断裂前发生明显塑性变形，这就等于预先警告人们注意，因此不会造成严重事故。而脆性断裂没有明显征兆，因而危害性极大，研究表明，无论是韧性断裂还是脆性断裂，其断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段。材料在外力作用下形成微裂纹或者以原有的内部缺陷（如微裂纹、空孔、杂质等）作为裂纹源，当裂纹源逐渐扩展到一个临界裂纹长度时，立刻发生断裂。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料断裂的整个过程可分为裂纹亚稳扩展阶段和失稳扩展阶段。裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界裂纹长度的过程。在这一阶段裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢。对于脆性断裂，裂纹形成后很快达到临界长度，几乎不经历裂纹亚稳扩展阶段就进入裂纹失稳扩展阶段，裂纹扩展速度极快，所以脆性断裂前无明显塑性变形。裂纹失稳扩展阶段：裂纹达到临界裂纹长度后的扩展阶段。在这一阶段裂纹扩展阻力小，扩展速度很快。韧性是表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是材料强度和塑性的综合表现。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料所谓冲击韧性，是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功表示。二、冲击韧性及其度量指标KA1.冲击韧性2.冲击实验SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料冲击吸收功或冲击韧度是衡量材料冲击韧性的力学性能指标。3.冲击韧度冲击吸收功与试样断面面积的比值，用表示。KKKKAF2JcmgKAKF冲击功试样断面面积KKA冲击吸收功或冲击韧度是对材料成分、组织敏感的力学性能指标，可以通过合金化、热处理等方法改变。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料4.冲击韧度与温度的关系三种钢的冲击韧度随温度变化曲线示意图冲击韧度随温度降低而减小存在韧脆转变温度TKSCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料三、影响脆断的因素1.材料本性和加载方式2.温度和加载速度在拉伸载荷下，屈服强度随温度降低而升高，但正断强度基本不变，为韧脆转变温度。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料3.应力集中当材料有缺口时，缺口根部有应力集中，改变了该处三向应力分布，使缺口前沿切应力减小，导致应力状态变硬，容易引起材料脆化。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料4.零件尺寸零件截面尺寸愈大,愈易脆断。因为薄件处于平面应力状态，而厚件中心受三向拉应力，处于平面应变状态而易造成脆断。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料为了防止脆性断裂，过去传统的设计方法是，一方面要求零件的工作应力，为安全系数；另一方面要求材料有足够的塑性、和韧性和。四、断裂韧性及其衡量指标skkKAK即使这样，也不可能保证零件不发生低应力脆断。因为这种设计思想没有考虑到一般材料中都存在着微小的宏观裂纹（原材料中的冶金缺陷、热处理裂纹、焊接裂纹、锻造裂纹、疲劳裂纹等）。正是这种宏观裂纹的存在，引起材料的低应力脆性断裂，断裂力学就是在这样的背景下产生的。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料断裂力学提出了材料抵抗脆性断裂的力学性能指标——断裂韧度，它是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力，其单位是或。12MPamICK断裂韧度32M