第一章机械零件(金属材料)的性能指标与失效分析

第一章机械零件(金属材料）的性能指标与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、工程材料在静拉伸时的应力—应变行为低碳钢的应力-应变行为拉伸试验及应力应变曲线将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验机上拉伸机图2-2拉伸试验设备图2-3圆柱形拉伸试样比例极限sp弹性极限se屈服强度ss抗拉强度sb断裂强度sk材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以σ表示。二、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。E=σ/εE=(P/A)/εEA=P/ε（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力弹性极限se屈服强度ss抗拉强度sb断裂强度sk2、强度、弹性塑性指标2020年2月20日3时53分材料与成形技术1.1概述10①比例极限σp与弹性极限σeσp---在σ-ε曲线上开始偏离直线时的应力。σe---由弹性变形过渡到弹-塑性变形时的应力。11②屈服现象与屈服强度屈服现象：在试验外力不增加或上下波动的情况下，试件应变明显增加的现象。不同材料或在不同试验条件下得到的σ-ε曲线类型如图所示。2020年2月20日3时53分12•屈服强度（屈服极限)σsa)如屈服时σ-ε有齿状曲折线段，则下屈服点对应的应力确定为屈服强度σs。b)若屈服时σ-ε曲线上有平坦水平线段，则该水平线所对应的应力为σs；13c)若无明显水平线段，则取产生规定微量塑性变形所对应的应力作为条件屈服强度；根据需要，微量塑性变形可取0.05%、0.1%、0.2%等,对应的条件屈服强度分别记作σ0.05、σ0.1、σ0.2等。14•条件屈服强度σ0.2（脆性材料屈服极限）根据GB228-87要求，对没有明显屈服现象的材料，规定取非比例伸长与原标距长度之比为0.2%时的应力，作为屈服强度指标。称为条件屈服强度，用σ0.2表示。15③抗拉强度（抗拉极限）σb指拉伸过程试件所能承受的最大应力。在拉伸过程中，当载荷继续增加到b点时，试件横截面出现局部变细的颈缩现象。这时的应力称为抗拉强度（抗拉极限）σb。16（2）塑性指标塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力塑性指标：断后伸长率d断面收缩δ=[(L1-L0)/L0]×100%ψ=[(A0-A1)/A0]×100%δ和Ψ值愈大愈好。金属材料有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件，也是提高零件工作可靠性的重要前提。δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。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）常见的硬度表示方法有：1、布氏硬度2、洛氏硬度3、维氏硬度(1).布氏硬度（HB)(物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力）在力P的作用下把直径为D的钢球压入被测材料，布氏硬度值是载荷P除以压痕(球冠)的面积F，用HB表示。即:B=P/F=2P/π[D-(D2-d2)1/2]这种方法只适合于测量HBS450的材料。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬实验示意图用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.。优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。(2).洛氏硬度所用压头和载荷不同又分为：HRC、HRB和HRA三种洛氏硬度主要测较硬的材料，单不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件常用维氏硬度衡量。△h越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。优点：测量迅速简便，压痕小，可在成品零件上检测。缺点：测量结果分散度大(3).维氏硬度(物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力）压头是136°金刚石四棱锥体，测量出压痕对角线，用此值查表得硬度值，用HV表示。它可以对由高到低的较宽的硬度范围进行测量。维氏硬度实验示意图二、过量变形失效(一)过量弹性变形及抗力指标1、定义：零件的弹性变形超过了允许的弹性变形量，发生过量弹性变形失效。Δl[Δl](拉压条件下）E=σ/εΔl/l=F/AEEA：零件的刚度，指零件受力时抵抗弹性变形的能力。2、过量弹性变形的抗力指标弹性模量（E,G）E:拉伸杨氏模量拉伸、压缩G:切变弹性模量纯剪切性能指标应去除与零件形状大小尺寸等因素的影响，因此，过量弹性变形的抗力指标是弹性模量。当零件的横截面A一定时，弹性模量（E,G）就代表了零件的刚度。3、弹性模量的变化（1）温度：T↑,E↓弹性模量只对温度敏感。（2）材料熔点高Tm↑,E↑（3）弹性模量(E)不能通过合金化、热处理、冷变形的方法改变。弹性模量只取决于材料原子本性和原子间的结合力。材料确定，弹性模量也定了。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。（二）过量塑性变形及抗力指标：1、定义：零件的塑性变形量超过允许的塑性变形时，就会产生失效。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、抗力指标实际应用中不同的零件对发生塑性变形的允许量不同，所以应选择不同的抗力指标。比例极限、弹性极限和屈服极限根据零件的工作条件决定。举例要求指标炮筒或弹簧严格服从虎克定律σp汽车板簧只弹性变形σp精密机床丝杠不允许出现塑性变形σe机座、机架等不产生明显的塑性变形σs桥梁、容器--------------σs本节中所讲的材料的力学性能指标及应用刚度：刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。主要力学性能是材料的弹性模量。如精密机床主轴等零构件弹性指标：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屈服强度和塑性：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1、静载荷和冲击载荷静载荷：加载速率较低（起重机吊重物，静拉伸试验）冲击载荷：加在速率高.10米每秒(飞机起飞和降落，锻压及锻造等)2、断裂：（1）定义：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。（2）分类;根据断裂前产生的宏观变形量的大小，可以把断裂分为：韧性断裂、脆性断裂变形量大没有端口形貌粗糙、灰暗杯形光滑、发亮平齐有征兆无征兆韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断口脆性断口（3）断裂过程无论是韧性断裂还是脆性断裂，断裂过程都包括两个阶段：一是裂纹形成；二是裂纹扩展。a.裂纹形成阶段：（相同）外力作用下形成微裂纹a0材料原有的缺陷（微裂纹、孔洞、杂质）裂纹源b.裂纹扩展阶段：临界裂纹ac韧性断裂：微裂纹裂纹亚稳扩展阶段失稳扩展阶段a0a0aca0≥ac扩展速度慢扩展速度快有外力作用无需外力脆性断裂形成微裂纹失稳扩展阶段a0a0≥ac危害大扩展速度极快提问：为什么韧性断裂有裂纹的亚稳扩展阶段，脆性断裂没有呢？讨论：关键在于两种材料临界裂纹ac不同,韧性好的材料ac值比较大,a0往往小于ac，所以有裂纹亚稳扩展阶段直到a=ac,然后再发生失稳扩展。韧性差的材料其ac值很小，裂纹形成后的长度a0等于ac甚至大于ac,所以裂纹—形成就发生失稳扩展。韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。屈服强度和塑性：一般零件的抗断裂设计。静载荷下抗断裂设计指标：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)将试样放在试验机的支座上，将具有一定质量的摆锤举至一定高度，再将其释放，冲断试样。冲击试验示意图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)确定了材料的Tk,则TTk,韧性断裂；TTk时，发生脆性断裂。把这种现象称为低温脆变。不希望材料（零件）在工作温度下发生脆性断裂，选材时材料的韧脆转变温度Tk必须低于工作时的最低温度材料韧脆转变温度TK的确定和应用图2-14不同材料冲击韧性与温度的关系选材举例：由以构件工作中的最低温度-20℃,现有两种材料：A:Tk=-50℃B:Tk=-10℃选那种材料更安全？44①ak没有确切的力学意义，它表明在高应变速率时，材料的脆性发展趋势。②一次冲击试验能灵敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和产生的脆性。③不同温度下的系列冲击试验，可揭示材料的低温脆化倾向（冷脆转变）。④材料碳含量愈高脆性愈大。⑤冲击试验得到广泛应用，但Ak、ak不能直接用于计算。冲击韧度小结：一般机械零件的抗断裂设计方法：零件工作应力材料屈服强度σs要求：（1）σ[σ]=σs/kk:安全系数，k1（2）足够的塑性、冲击韧性1943年美国T-2油轮发生断裂1、传统的设计方法：零件工作应力材料屈服强度σs要求：（1）σ[σ]=σs/kk:安全系数，k1（2）足够的塑性、冲击韧性但发生断裂的应力远远小于材料的屈服强度因为:在传统的设计思想中认为材料是完整的、连续的；而实际上的材料存在一些微小的裂纹，正是这些裂纹引起了低应力脆性断裂三、断裂韧性及衡量指标2、断裂韧度KIC（1）定义：是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，KIC↑,抵抗裂纹失稳扩展的能力↑单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/2可通过试验测定。对于一定成分和组织状态的材料，K1c是一个定值，不随外加拉应力、裂纹长度、试样尺寸的大小而变化。（2）脆性断裂的判据1）裂纹尖端应力场强度因子KI描述裂纹尖端场强弱的量KI=Yσa1/2Y:裂纹几何形状因子。σ：零件的工作应力a：裂纹的半长度；（裂纹长度的一半）2）判据：KIKIC发生脆断；KI=KIC临界状态；KIKIC安全；KIC:断裂韧度，材料性能指标只与材料有关。（可以通过合金化、热处理等改变）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、基本概念描述交变载荷特征参数：最大应力σmax最小应力σmin应力幅：σa=(σmax-σmin)/2平均应力：σm=(σmax+σmin)/2应力比r=σmin/σmax不同种类的交变载荷，上述几种参量是不一样的。1、交变载荷：指的是载荷大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交变载荷变化一个周期-----称为一个循环周次。2、疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间的工作而发生的断裂的现象称为疲劳断裂。3、疲劳断裂过程：（1）引起疲劳断裂的应力很低，一般低于σs（2）无明显的塑性变形、无预兆、突然发生；(3)断口上显示疲