《機(jī)械工程材料》PPT課件.ppt

《《機(jī)械工程材料》PPT課件.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《《機(jī)械工程材料》PPT課件.ppt（147頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

緒論,材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展工程材料及其類別機(jī)械工程材料本課程的目的本課程的主要內(nèi)容,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,材料與人類生活人類社會(huì)依據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料來(lái)進(jìn)行歷史劃分,舊石器時(shí)代新石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,舊石器時(shí)代（250萬(wàn)年前）人類在地球上出現(xiàn)之后，最早使用的工具是石頭。,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,新石器時(shí)代（1萬(wàn)年前）原始社會(huì)末期，開始用火燒制陶器，發(fā)展成陶瓷。,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,青銅器時(shí)代（4000年前）奴隸社會(huì)，青銅冶煉技術(shù)得到很大發(fā)展。我國(guó)青銅冶煉始于夏代，商周時(shí)代，達(dá)到較高水平青銅（銅錫合金）人類發(fā)明的第一種合金,,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,鐵器時(shí)代（1400年前，春秋戰(zhàn)國(guó)）,生產(chǎn)工具由青銅器過(guò)渡到鐵器，其重大發(fā)展對(duì)社會(huì)進(jìn)步起了巨大的推動(dòng)作用。漢代“先煉鐵后煉鋼”技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,其他材料,與陶瓷材料和金屬材料發(fā)展的同時(shí),天然高分子材料棉、麻、絲綢材料功能材料磁鐵—指南針,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,2.材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系,18世紀(jì)世界工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)材料提出了更高要求。1863年光學(xué)顯微鏡，1912年X射線衍射技術(shù)和1932年電子顯微鏡等儀器出現(xiàn)金屬學(xué)日趨完善，大大推動(dòng)了金屬材料的發(fā)展,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,2.材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系,現(xiàn)代社會(huì)文明的三大支柱：能源、信息和材料信息時(shí)代是建立在材料的基礎(chǔ)上硅半導(dǎo)體→晶體管→集成電路→計(jì)算機(jī)磁性材料→信息貯存激光材料+光導(dǎo)纖維→信息傳輸→信息網(wǎng)絡(luò)能源技術(shù)以材料為支撐再生能源、核能、燃料電池等,,信息時(shí)代,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,3.現(xiàn)代材料學(xué),現(xiàn)代材料學(xué)是以金屬學(xué)、高分子材料、陶瓷材料為基礎(chǔ)，研究所有固體材料的成分、組織和性能之間關(guān)系的的一門科學(xué)。現(xiàn)代社會(huì)對(duì)材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金屬、非金屬及復(fù)合材料。,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,信息社會(huì)的材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及材料發(fā)展趨勢(shì)：從工業(yè)社會(huì)向信息社會(huì)過(guò)渡中,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從勞動(dòng)密集型、資金密集型向技術(shù)密集型和知識(shí)密集型發(fā)展勞動(dòng)對(duì)象的結(jié)構(gòu)中金屬材料比重下降、而無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)合成材料的比重越來(lái)越大。,一、材料科學(xué)與社會(huì)發(fā)展,新材料新技術(shù)的應(yīng)用的程度決定一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。,硅片的發(fā)展及現(xiàn)狀集成度越來(lái)越高直徑越來(lái)越大國(guó)外：16英寸以上中國(guó)：6-8英寸為主流,二、工程材料及其類別,工程材料的含義：,工程材料是以用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件及元器件的材料為研究對(duì)象。主要包括：機(jī)械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。,二、工程材料及其類別,2.工程材料的類別：,工程材料是以用于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件及元器件的材料為研究對(duì)象。主要包括：機(jī)械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件的材料。,二、工程材料及其類別,2.工程材料的類別：,二、工程材料及其類別,2.工程材料的性能：,使用性能：材料在使用條件下具有的性能,（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及生物功能）,工藝性能：材料在加工過(guò)程中下具有的性能,（且削加工性能、鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能和熱處理性能等）,三、機(jī)械工程材料,1.機(jī)械工程材料含義：,機(jī)械工程材料顧名思義就機(jī)械工程中應(yīng)用的材料問(wèn)題，應(yīng)該是跨越機(jī)械和材料兩個(gè)學(xué)科，以機(jī)械工業(yè)的需求出發(fā)，推動(dòng)材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)材料科學(xué)的新進(jìn)展又推動(dòng)了機(jī)械工程技術(shù)的革新和發(fā)展。,三、機(jī)械工程材料,2.材料技術(shù)對(duì)機(jī)械工程發(fā)展的促進(jìn)：,四、課程的目的,隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品要求越來(lái)越高，無(wú)論是制造機(jī)床還是建造輪船、石油化工設(shè)備、都要求產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量高、壽命長(zhǎng)、造價(jià)低。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，會(huì)遇到越來(lái)越多的材料和材料加工方面的問(wèn)題。這就要求機(jī)械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)和材料工程知識(shí)，具備準(zhǔn)確的選擇材料和加工方法，合理安排加工工藝路線。,四、課程的目的,機(jī)械制造與材料：結(jié)構(gòu)—性能—加工工藝,內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能：材料的性能來(lái)源于該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這是對(duì)工程師和學(xué)者最具有重要價(jià)值的一個(gè)原則。加工工藝與性能：材料必須進(jìn)行加工，以滿足工程師對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的要求，目的是要了解結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)，以便于制定適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒獭Ｊ褂眯袨椋涸诓牧系倪x用中，不僅要考慮初始要求，而且要考慮使那些材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化的使用條件。,四、課程的目的,課程的目的：,獲得有關(guān)工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件常用的金屬材料，非金屬材料的基本理論知識(shí)和性能特點(diǎn)，并初步具備根據(jù)零件工作條件和失效方式，合理選材與使用材料，正確制定零件的冷、熱加工工藝路線的能力。,了解材料的性能與設(shè)計(jì)的關(guān)系了解各種材料的基本特性和應(yīng)用范圍,四、課程的目的,五、課程的主要內(nèi)容,機(jī)械零件的失效形式；金屬材料的基本知識(shí)、熱處理基本原理、常用金屬材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用；非金屬材料（高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料）和功能材料的基本知識(shí)和性能特點(diǎn)及引用；材料改性新技術(shù)；機(jī)械零（構(gòu)）件設(shè)計(jì)、選材的基本方法及工程材料在典型機(jī)械上的應(yīng)用。,主要參考文獻(xiàn),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的基本概念,1.零件（構(gòu)件）的功能：,（1）在一定的載荷、介質(zhì)、溫度作用下保持一定幾何形狀和尺寸；（2）實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)；（3）傳遞力和能量。,2.失效的定義和形式：,定義：零件失去設(shè)計(jì)所要求的效能即為失效。,應(yīng)用前、應(yīng)用中、突發(fā),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,學(xué)習(xí)失效的目的,機(jī)械設(shè)計(jì)者→→為了防止零件失效↓↓,設(shè)計(jì)正確,選材恰當(dāng),工藝合理,,工作條件-對(duì)材料的性能要求→→正確選材→→制定工藝路線→→確定失效的抗力指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,斷裂的大橋,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的原因,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),多方面因素,材料選擇,加工制造,裝配調(diào)整,使用與保養(yǎng),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,失效的本質(zhì),1.失效的本質(zhì)：,外界載荷、溫度、介質(zhì)等損害作用超過(guò)了材料抵抗損害的能力。,2.常見的失效形式：,過(guò)量變形、斷裂、磨損和腐蝕,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,本章主要內(nèi)容,過(guò)量變形斷裂疲勞斷裂磨損失效腐蝕失效蠕變變形和斷裂失效,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,變形：材料在外力作用下產(chǎn)生的形狀或尺寸的變化,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,外力去除,變形恢復(fù),？,,彈性變形：變形能夠恢復(fù)塑性變形：變形不能夠恢復(fù),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,由,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,低碳鋼拉伸試驗(yàn),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,低碳鋼拉伸試驗(yàn),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,低碳鋼拉伸時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,oa段比例極限,ab段彈性極限,（一）四個(gè)階段,1、彈性階段ab,cc’應(yīng)力不增加變形不斷增加稱為屈服，該段的最低應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力，在材料屈服后若卸載出現(xiàn)不能恢復(fù)的變形成為塑性變形。,2、屈服階段cc’,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,（一）四個(gè)階段,3、強(qiáng)化階段ce,4、局部變形階段ef,材料恢復(fù)抵抗變形的能力稱為強(qiáng)化強(qiáng)度極限,變形集中于某一局部范圍頸縮斷裂,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為,（一）四個(gè)階段,低碳鋼在拉伸應(yīng)力作用下的變形過(guò)程分為：彈性變形、屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形四個(gè)階段。,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,,低碳鋼拉伸曲線的4個(gè)階段、3個(gè)特征點(diǎn),?OB：彈性階段（卸載可逆）,A：比例極限?PB：彈性極限?e,?BC’：屈服階段（出現(xiàn)塑性變形）,（兩者很接近）,,?=E?,C：屈服極限?s,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,,?C’D:強(qiáng)化階段,D：強(qiáng)度極限?b,?DE：縮頸階段（局部收縮階段）,?e:彈性應(yīng)變，?p:塑性應(yīng)變（不可逆的殘余應(yīng)變）,卸載曲線,卸載后再加載曲線,屈服極限提高：冷作硬化,，在C’D段內(nèi)卸載曲線為彈性直線,E：斷裂點(diǎn),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,一.工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.其他類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為,彈性變形、塑性變形,彈性變形,非線性彈性變形,1—純金屬（Al、Cu、Ag等）2—脆性材料（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）3—高彈性材料（橡膠）,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.其他類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為,1、錳鋼2、硬鋁3、退火球墨鑄鐵4、低碳鋼,特點(diǎn)：d較大，為塑性材料。,無(wú)明顯屈服階段。,,無(wú)明顯屈服階段的，規(guī)定以塑性應(yīng)變=0.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服極限，記作,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,剛度和強(qiáng)度指標(biāo)彈性和塑性指標(biāo)硬度指標(biāo),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.剛度和強(qiáng)度指標(biāo),（1）剛度定義：剛度是指零（構(gòu)）件在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力等于材料彈性模量與零（構(gòu)）件截面積的乘積。,單向拉伸時(shí)：,即,純剪切時(shí)：,即,EA（或GA）為零件的剛度，代表產(chǎn)生單位彈性變形所需載荷的大小。彈性模量E(或切變模量G)是表征材料剛度的性能指標(biāo)(why),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.剛度和強(qiáng)度指標(biāo),（2）強(qiáng)度定義：強(qiáng)度是指材料抵抗變形或斷裂的能力,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.剛度和強(qiáng)度指標(biāo),（2）強(qiáng)度,是材料應(yīng)力和應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力,是不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力,是材料開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力,是材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力,是材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（1）彈性：指材料彈性變形的大小。,彈性能為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下面彈性變形部分所包圍的面積。,通常用彈性變形時(shí)的吸收能u來(lái)表示。,材料的彈性極限越高，彈性模量E越低，彈性能越大，材料的彈性越好。,彈性指標(biāo)→彈性能,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（2）塑性：指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。,δ、ψ越大，材料的塑性越好。,通常用斷后伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ來(lái)衡量。,伸長(zhǎng)率,塑性指標(biāo)→伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ,斷面收縮率,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定《金屬拉伸試驗(yàn)方法》,（GB228—2002),L=10dL=5d,對(duì)圓截面試樣：,對(duì)矩形截面試樣：,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（3）硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。,物理意義由試驗(yàn)方法決定。,莫氏硬度—表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕用測(cè)得的劃痕的深度分十級(jí)來(lái)表示硬度,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),莫氏硬度—表示礦物硬度的一種標(biāo)準(zhǔn)。,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),肖氏硬度—彈性回跳法硬度值表征材料彈性功的大小。應(yīng)用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而發(fā)生回跳。撞銷是一只具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛鉆。用測(cè)得的撞銷回跳的高度來(lái)表示硬度。,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),壓入法硬度值—表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力,（3）硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。,工業(yè)中應(yīng)用最廣泛,,以硬質(zhì)合金或金剛石錐體為壓頭,布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（3）硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。,布氏硬度—HBW,,P,材料為淬火鋼和硬質(zhì)合金,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（3）硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。,洛氏硬度—HRC,常用洛氏硬度為C級(jí)，用150kgf的載荷將一個(gè)120圓錐形金剛石壓頭壓入金屬表面,A級(jí)載荷為60kgf,B級(jí)為100kgf,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,二.靜載性能指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.彈性和塑性指標(biāo),（3）硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。,維氏硬度—HV,以一定大小的載荷P,將一個(gè)金剛石四棱錐壓入金屬表面，單位壓痕面積上的載荷即為金屬的維氏硬度，單位kgf/mm,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,三.過(guò)量變形失效,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,概念：由于彈性或塑性變形超過(guò)了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效,1.過(guò)量彈性變形及其抗力指標(biāo),鏜床鏜桿,,被加工零件的精度,較小彈性變形,,本身由于剛度不足,過(guò)量彈性變形,,鏜出的孔偏小、錐度，影響加工精度、廢品,齒輪軸過(guò)量變形,,加速齒輪磨損，增加噪聲,彈簧過(guò)量變形,,不能達(dá)到承載能力,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,三.過(guò)量變形失效,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,概念：由于彈性或塑性變形超過(guò)了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效,1.過(guò)量彈性變形及其抗力指標(biāo),剛度：零構(gòu)件受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。,（一）零構(gòu)件過(guò)量彈性變形的條件,拉壓條件下：,彎曲條件下：,扭轉(zhuǎn)條件下：,[許可彈性變形量，扭轉(zhuǎn)角],第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,三.過(guò)量變形失效,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,概念：由于彈性或塑性變形超過(guò)了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效,1.過(guò)量彈性變形及其抗力指標(biāo),（二）過(guò)量彈性變形的原因,零構(gòu)件的剛度不夠,（三）抗力指標(biāo),彈性模量E或切變模G,（三）不同材料的彈性模量,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,三.過(guò)量變形失效,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,概念：由于彈性或塑性變形超過(guò)了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效,1.過(guò)量彈性變形及其抗力指標(biāo),彈性模量E或切變模G,主要取決于材料中原子本性和原子間結(jié)合力。熔點(diǎn)越高，彈性模量也越高，隨溫度升高而降低。金屬材料的E取決于基體金屬的性質(zhì)，不能通過(guò)合金化、熱處理、冷變形等方法使之改變。,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,三.過(guò)量變形失效,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,概念：由于彈性或塑性變形超過(guò)了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效,2.過(guò)量塑性變形及其抗力指標(biāo),第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,總結(jié),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,應(yīng)用,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,斷裂：材料在應(yīng)力作用下分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的部分現(xiàn)象,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,宏觀變形量的大小,,,,,韌性斷裂,脆性斷裂,斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑形變形,斷裂前不發(fā)生塑形變形,斷裂前,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性斷裂,脆性斷裂,脆性斷裂沒有明顯征兆，危害性極大。,斷裂前發(fā)生明顯塑性變形，警告人們注意，不會(huì)造成嚴(yán)重事故,兩種斷裂的危害性對(duì)比,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性斷裂,脆性斷裂,斷裂后斷口齊平，由無(wú)數(shù)的小平面組成,足夠的伸長(zhǎng)量才斷裂，斷口為杯形，呈暗灰色纖維狀,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性斷裂,脆性斷裂,裂紋源或微裂紋逐漸擴(kuò)展到一臨界長(zhǎng)度的過(guò)時(shí)，立刻發(fā)生斷裂,1.材料在外力下的微裂紋2.原有的內(nèi)部缺陷（微裂紋、空孔、雜質(zhì)等）,,裂紋源,,,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性斷裂,脆性斷裂,裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的過(guò)程,,裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋自形成到擴(kuò)展至臨界擴(kuò)展階段特點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展阻力大，擴(kuò)展速度較慢失穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋達(dá)到臨界長(zhǎng)度后的擴(kuò)展階段特點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展阻力小，擴(kuò)展速度快，可達(dá)聲音在該材料中的傳播速度,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性斷裂,脆性斷裂,裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的過(guò)程,,裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋自形成到擴(kuò)展至臨界擴(kuò)展階段特點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展阻力大，擴(kuò)展速度較慢失穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋達(dá)到臨界長(zhǎng)度后的擴(kuò)展階段特點(diǎn)：裂紋擴(kuò)展阻力小，擴(kuò)展速度快，可達(dá)聲音在該材料中的傳播速度,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,一、韌斷和脆斷的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,韌性：材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，是材料輕度和塑性的綜合表現(xiàn)。,評(píng)定材料韌性的力學(xué)性能是：沖擊韌性和斷裂韌性,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別：在加載速率不同，前者加載速率高，后者加載速率低。應(yīng)變速率增加，使材料變脆傾向增大。,沖擊韌性：用來(lái)評(píng)定材料在沖擊載荷下的脆斷傾向。,沖擊韌性：用指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功Ak表示。,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,沖擊韌性試驗(yàn)：,基本原理：用一定質(zhì)量的物體以一定的速度沖擊一定形狀的試樣，測(cè)量斷裂試樣需要的能量，以此能量值表示該材料的沖擊韌性。,勢(shì)能,擺錘的運(yùn)動(dòng)速率為5m/s,試樣的應(yīng)變速率約為,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,沖擊韌度：,→衡量材料沖擊韌性的力學(xué)性能指標(biāo),第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,針對(duì)防止脆性斷裂：,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法要求：,,1.要求零件的工作應(yīng)力,2.要求材料有足夠的塑性δ、ψ和韌性,,不可能可靠地保證零件不發(fā)生低應(yīng)力脆斷。原因：沒考慮一般材料中都存在著微小的宏觀裂紋。,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,斷裂力學(xué)的發(fā)展：,提出評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)：—斷裂韌度,度,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,斷裂韌度：材料的固有特性，基本力學(xué)常數(shù)，對(duì)成分、組織敏感，可以通過(guò)合金化、熱處理來(lái)改變。,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,斷裂力學(xué)的發(fā)展：,提出評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)：—斷裂韌度,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,,,一定條件,決定材料斷裂類型的主要因素：,加載方式和材料本質(zhì)：溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸,,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,1.加載方式和材料本質(zhì)：,,以主平面為單元體的各面則稱為主單元體,從變形體內(nèi)任意點(diǎn)取出的單元體稱為原始單元體,主單元體的各表面上只有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力,對(duì)平面應(yīng)力狀態(tài)，z平面也為一個(gè)主平面，其上的主應(yīng)力為零。,故平面應(yīng)力狀態(tài)有三個(gè)主應(yīng)力：???????,按代數(shù)值大小排列為?1??2??3,分別稱為第一主應(yīng)力，第二主應(yīng)力，第三主應(yīng)力，,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,1.加載方式和材料本質(zhì)：,最大切應(yīng)力：,最大正應(yīng)力：,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,2.溫度和加載速度：,屈服強(qiáng)度：,正斷強(qiáng)度：,韌脆轉(zhuǎn)變溫度,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,3.應(yīng)力集中：,由于構(gòu)件幾何形狀突變?cè)斐删植繎?yīng)力急劇增高,,應(yīng)力集中的程度由應(yīng)力集中因數(shù)K表示,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,3.應(yīng)力集中：,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,四、影響脆斷的因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,決定材料斷裂類型的主要因素：,平面應(yīng)力狀態(tài)，在Z方向可以自由變形。平面應(yīng)變狀態(tài)，Z方向彈性約束阻止了該方向的變形。,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,總結(jié),第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,交變載荷：載荷的大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。,參量：,最大應(yīng)力,最小應(yīng)力：,應(yīng)力幅,平均應(yīng)力,應(yīng)力比,應(yīng)力變程,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,交變載荷：載荷的大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。,火車軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）,連桿小拉大壓,,,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,交變載荷：載荷的大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。,,齒輪齒根（彎曲）,缸蓋螺釘大拉小壓,,,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,交變載荷：載荷的大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。,,齒輪齒根（彎曲）,缸蓋螺釘大拉小壓,,,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,一.疲勞的基本概念,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,疲勞斷裂之特點(diǎn)（較之靜載和沖擊載荷下的斷裂）,①引起疲勞的應(yīng)力很低，通常低于靜載下的屈服強(qiáng)度；②斷裂時(shí)無(wú)明顯的宏觀塑性變形；即使在靜載和沖擊載荷下有大量塑性變形的塑性材料，疲勞斷裂也表現(xiàn)出脆斷的宏觀特征，危險(xiǎn)性極大③疲勞斷口能清楚地顯示出裂紋的形成、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,二.疲勞斷口的特征,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,典型的疲勞斷口形貌由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)三部分組成。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,二.疲勞斷口的特征,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,1.疲勞源區(qū):材料內(nèi)部缺陷→零件局部區(qū)域造成應(yīng)力集中→該區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋,2.疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū):疲勞裂紋形成后→繼續(xù)擴(kuò)展長(zhǎng)大→載荷大小的改變→裂紋張開和閉合→擴(kuò)展區(qū)留下一條條光亮的弧線（疲勞裂紋前沿線）貝殼狀—海灘狀,3.最后斷裂區(qū):疲勞裂紋不斷擴(kuò)展→零件有效截面逐漸減小→應(yīng)力增加→超過(guò)材料斷裂強(qiáng)度時(shí)→放射狀斷裂。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,無(wú)裂紋零件的疲勞,帶裂紋零件的疲勞,經(jīng)歷擴(kuò)展和最后斷裂兩個(gè)階段,經(jīng)歷裂紋形成、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段,疲勞,不同的抗力指標(biāo),第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,疲勞極限、過(guò)載持久值、疲勞缺口敏感度,材料承受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系曲線,1.無(wú)裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),σ愈大，循環(huán)周次愈小；σ愈小，斷裂循環(huán)周次愈大。,低周疲勞,高周疲勞,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,（1）疲勞極限和過(guò)載持久值,1.無(wú)裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),疲勞極限：當(dāng)應(yīng)力低于時(shí)，即使循環(huán)無(wú)限多次也不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，曲線水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，就是疲勞極限。,,,,過(guò)載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,（2）疲勞缺口敏感度,1.無(wú)裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),疲勞缺口敏感度：,缺口類型：,孔、圓角、槽、臺(tái)階等,,應(yīng)力集中系數(shù)：,疲勞缺口系數(shù)：,光滑件疲勞極限：缺口件疲勞極限：,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,（2）疲勞缺口敏感度,1.無(wú)裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),,q=0時(shí)：,缺口不降低疲勞極限,q=1時(shí)：,缺口嚴(yán)重降低疲勞極限,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,含有原始裂紋或缺陷的零件，裂紋擴(kuò)展是決定疲勞壽命的主要因素,2.帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),疲勞裂紋擴(kuò)展曲線：裂紋長(zhǎng)度隨應(yīng)力循環(huán)周次N的變化。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),疲勞裂紋擴(kuò)展曲線：裂紋長(zhǎng)度隨應(yīng)力循環(huán)周次N的變化。,疲勞裂紋擴(kuò)展速率：,,,增大到無(wú)限大,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，試樣斷裂，斷裂循環(huán)周次為,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),與應(yīng)力幅Δσ、裂紋長(zhǎng)度a有關(guān)。,疲勞裂紋擴(kuò)展速率：,,裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：,疲勞裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅ΔK：,控制疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)參數(shù),做出曲線：,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),曲線分為三個(gè)階段：,1.裂紋初始擴(kuò)展階段,為交變應(yīng)力作用下裂紋不擴(kuò)展的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子幅值,稱為疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,2.帶裂紋零件的疲勞抗力指標(biāo),曲線分為三個(gè)階段：,2.疲勞裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段,兩條直線,3.疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,3.影響疲勞抗力的因素,（1）.載荷類型,同種材料，載荷類型不一樣，其應(yīng)力狀態(tài)不一樣，疲勞極限也不同。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,3.影響疲勞抗力的因素,（2）.材料本質(zhì),材料不同，其疲勞曲線不同，則疲勞極限和過(guò)載持久值不同。材料的疲勞極限主要取決于材料的抗拉強(qiáng)度。,材料一定時(shí)，其純度和組織狀態(tài)對(duì)疲勞抗力有顯著影響。夾雜物成為疲勞裂紋源，導(dǎo)致疲勞抗力下降。組織狀態(tài)不同，強(qiáng)度高者，疲勞極限高。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,3.影響疲勞抗力的因素,（3）.零件表面狀態(tài),零件在冷、熱加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷：脫碳、裂紋、刀痕、碰傷等，使疲勞極限降低。,零件表面粗糙，還使疲勞曲線左移，即縮短了過(guò)載下的疲勞壽命。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,三.疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素,第一章機(jī)械零件（或器件）的失效分析,3.影響疲勞抗力的因素,（4）.工作溫度,高溫使材料的屈服強(qiáng)度降低，疲勞裂紋易形成和擴(kuò)展，顧降低了疲勞極限和疲勞裂紋擴(kuò)展值，增加了疲勞裂紋擴(kuò)展速率。,（5）.腐蝕介質(zhì),零件在腐蝕介質(zhì)（酸、堿、鹽水、海水等）中工作時(shí)，表面的腐蝕坑成為疲勞裂紋源，使疲勞極限和門檻值，裂紋擴(kuò)展率提高。使鋼鐵材料疲勞曲線上的水平部分消失。,第四節(jié)零件的磨損失效,磨損：零件在摩擦過(guò)程中其表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)損耗的表現(xiàn),磨損是零件失效的一種形式，也是決定機(jī)械壽命的重要因素。,發(fā)動(dòng)機(jī)中氣缸套的磨損量超過(guò)允許值或活塞環(huán)受磨損后其開口間隙明顯增大，都引起發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足，耗油量增加，產(chǎn)生噪音和故障等，此時(shí)必須更換氣缸套和活塞環(huán)。汽缸套筒磨損量大小決定發(fā)動(dòng)機(jī)的大修期。,第四節(jié)零件的磨損失效,磨損的基本類型：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點(diǎn)磨損（接觸疲勞）,1.粘著磨損：滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來(lái)或零件表面被擦傷的一種磨損形式。,一.磨損的基本類型,第四節(jié)零件的磨損失效,磨損的基本類型：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、麻點(diǎn)磨損（接觸疲勞）,粘著磨損是在滑動(dòng)摩擦條件下，力學(xué)性能相差不大的兩種金屬之間發(fā)生的最常見的磨損形式。如圖,一.磨損的基本類型,第四節(jié)零件的磨損失效,2.磨粒磨損：也叫磨料磨損，是指滑動(dòng)摩擦?xí)r，在零件表面摩擦區(qū)存在硬質(zhì)磨粒（外界進(jìn)入的磨料或表面剝落的碎屑）使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨粒嵌入和被磨粒切割等過(guò)程，以致磨面材料逐漸損耗的一種磨損，如圖,第四節(jié)零件的磨損失效,2.磨粒磨損：,磨粒磨損是機(jī)械零件中普遍存在的一種磨損形式，磨損速度較大，可達(dá),例子：,1.農(nóng)業(yè)機(jī)械和礦山機(jī)械的齒輪常發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損；2.汽車、拖拉機(jī)氣缸進(jìn)入灰塵，潤(rùn)滑油帶入污物發(fā)生磨粒磨損。,第四節(jié)零件的磨損失效,3.腐蝕磨損：腐蝕磨損是在摩擦力和環(huán)境介質(zhì)聯(lián)合作用下，金屬表層的腐蝕產(chǎn)物剝落和金屬磨面間的機(jī)械磨損（粘著磨損和磨粒磨損）相結(jié)合的一種磨損。,腐蝕氣氛的腐蝕磨損,氧化磨損,機(jī)件嵌合部位的微動(dòng)磨損,水利機(jī)中的沖蝕磨損,包括：,,第四節(jié)零件的磨損失效,氧化磨損：當(dāng)摩擦副表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在發(fā)生塑性變形的同時(shí)，零件表面已形成的氧化膜在摩擦接觸點(diǎn)處遭到破壞，緊接著又在該處立即形成新的氧化膜，這種氧化膜不斷從金屬表面脫離又反復(fù)形成，造成金屬表面物質(zhì)不斷損耗的過(guò)程。,普遍性：1.不論任何摩擦過(guò)程；任何摩擦速度；2.接觸壓力大?。?.是否存在潤(rùn)滑油,都會(huì)發(fā)生,,第四節(jié)零件的磨損失效,2).微動(dòng)磨損：在機(jī)械的嵌合部位，如嵌合連接的汽輪機(jī)葉片的葉根部位，以及緊配合處，如軸套與軸的配合處（圖）雖然配合面之間沒有明顯的相對(duì)位移，但在外部交變載荷作用和震動(dòng)的影響下卻產(chǎn)生微小的相對(duì)滑動(dòng)dl(2-20μm),此時(shí)配合表面上產(chǎn)生大量褐色（鋼質(zhì)機(jī)件表面）或黑色（鋁或鎂合金機(jī)件表面）的粉末狀磨損產(chǎn)物。,特點(diǎn)：微動(dòng)磨損集中在局部區(qū)域，兩摩擦表面不脫離，磨損物不容易排除，兼有氧化磨損、磨粒磨損和黏著磨損的作用。,危害:在微動(dòng)磨損區(qū)形成一定深度的磨痕蝕坑，叫咬蝕。精度、性能下降、引起應(yīng)力集中，促使疲勞。,第四節(jié)零件的磨損失效,4.接觸疲勞：零件（如齒輪、滾動(dòng)軸承、鋼軌和輪箍等）兩接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，引起的一種表面疲勞剝落破壞而使物質(zhì)損耗的現(xiàn)象，表現(xiàn)為接觸表面上出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻點(diǎn)也叫麻點(diǎn)磨損或疲勞磨損。,少數(shù)麻點(diǎn)時(shí)，仍能工作，麻點(diǎn)剝落嚴(yán)重時(shí)，零件失效。后果：齒輪有大量麻點(diǎn)后，嚙合惡化，噪聲增大，振動(dòng)增加，附加沖擊力，磨損加劇，齒根折斷,第四節(jié)零件的磨損失效,接觸疲勞也是裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程，其破壞的三種形式：1、裂紋源于表層的麻點(diǎn)剝落：它是零件在有滾動(dòng)并滑動(dòng)，其表面有沿滾動(dòng)方向的摩擦力時(shí)，并有潤(rùn)滑油存在的情況下產(chǎn)生的。零件表面切應(yīng)力大，裂紋首先在表面形成，潤(rùn)滑油進(jìn)入裂紋被封閉時(shí)，裂紋內(nèi)壁產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力，加速裂紋擴(kuò)展引起麻點(diǎn)剝落。2、裂紋源于次層的麻點(diǎn)剝落：它是裂紋在純滾動(dòng)或光潔、摩擦力很小、接近于純滾動(dòng)的情況下產(chǎn)生的。零件次表面處的切應(yīng)力最大，發(fā)生塑性變形而形成，在交變切應(yīng)力作用下裂紋不斷向表面擴(kuò)展而造成剝落，留下一個(gè)比較平直的坑。,第四節(jié)零件的磨損失效,接觸疲勞也是裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程，其破壞的三種形式：3、硬化層剝落：這種剝落只發(fā)生在經(jīng)過(guò)表面硬化處理如表面淬火表面化學(xué)熱處理的零件上。零件經(jīng)表面硬化后，硬化層中形成殘留壓應(yīng)力，和心部和交界處發(fā)生殘留壓應(yīng)力向殘留拉應(yīng)力的轉(zhuǎn)移，當(dāng)殘留應(yīng)力與接觸應(yīng)力引起的綜合切應(yīng)力大于材料的屈服極限時(shí)，該處產(chǎn)生塑性變形形成裂紋，向表面而造成大塊剝落。,第四節(jié)零件的磨損失效,1、粘著磨損（1）合理選擇摩擦副配對(duì)材料異類材料比同類材料配對(duì)磨損量??；多相合金比單相合金配對(duì)磨損量小。硬度差大的比硬度差小的配對(duì)磨損量??；金屬與非金屬配對(duì)磨損量小。,減小接觸壓力和摩擦系數(shù)、增加材料硬度、改善潤(rùn)滑條件都有利于提高零件零件的抗磨損能力,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第四節(jié)零件的磨損失效,（2）采用表面處理減小摩擦因數(shù)或提高表面硬度磷化、滲碳、滲氮、滲硅、滲流、表面淬火，熱噴涂等方法提高黏著磨損抗力。（3）減小接觸壓應(yīng)力粘著磨損量隨接觸壓應(yīng)力增大而增加，接觸壓力超過(guò)材料硬度值的1/3時(shí)，黏著磨損加劇。（4）減小表面粗糙度值零件表面粗糙度減小可增加接觸面積，從而減小接觸壓應(yīng)力,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第四節(jié)零件的磨損失效,2、磨粒磨損1）設(shè)計(jì)時(shí)，減小接觸壓力和滑動(dòng)摩擦距離及改善潤(rùn)滑2）合理選用高硬度材料圖高碳鋼、高碳合金鋼、耐磨鑄鐵、陶瓷等3）采用表面處理（如表面淬火、滲碳、滲氮、熱噴涂陶瓷和堆焊耐磨合金等）和表面加工硬化等方法提高摩擦副材料表面硬度，可有效提高耐磨性,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第四節(jié)零件的磨損失效,3、氧化磨損氧化磨損速度取決于氧化膜性質(zhì)及氧化物與基體金屬的結(jié)合力。凡提高基體金屬表面硬度或形成與基體金屬牢固結(jié)合的致密氧化膜的一切表面處理方法，如滲碳、滲氮蒸汽處理等,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第四節(jié)零件的磨損失效,4、微動(dòng)磨損（圖1-22）1）表面處理提高零件表面硬度；2）采用襯墊—加橡膠、塑料等減小振動(dòng)和滑動(dòng)距離3）減小應(yīng)力集中—對(duì)壓配合處采取卸載槽。,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第四節(jié)零件的磨損失效,5、接觸疲勞1）提高材料的硬度，以增加塑性變形抗力，延緩裂紋形成和擴(kuò)展，如采用整體淬火、表面淬火、表面化學(xué)熱處理（如滲碳、滲氮等）2）提高材料的純度，減小夾雜物，從而減少裂紋源3）提高零件的心部強(qiáng)度和硬度，增加硬化層深度，細(xì)化硬化層組織4）減小零件表面粗糙度值，以減小摩擦力5）提高潤(rùn)滑油的粘度以降低油楔作用,三。提高零件磨損抗力的途徑：,第五節(jié)零件的腐蝕失效,腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)引起的表面損傷現(xiàn)象，分別稱之為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。,高溫氧化腐蝕電化學(xué)腐蝕應(yīng)力腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,高溫化學(xué)腐蝕：除少數(shù)金屬如金、鉑外，大多數(shù)金屬在空氣中都會(huì)發(fā)生氧化，形成氧化膜。在室溫或者溫度不高時(shí)，氧化過(guò)程進(jìn)行很慢，然而在較高溫度下，氧化過(guò)程明顯加快。由于氧化膜教脆，其力學(xué)性能明顯低于基體金屬，而且氧化也造成零（構(gòu)）件有效截面減小，從而降低了零（構(gòu)）件的承載能力。,高溫氧化腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,金屬的氧化過(guò)程（以+2價(jià)金屬為例）：1、金屬原子失去電子成為離子；2、氧原子吸收電子成為氧離子；3、金屬離子和氧離子結(jié)合形成氧化物；,高溫氧化腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,電化學(xué)腐蝕：金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是不同金屬或同一金屬的不同組成部分之間存在著電極電位差，而它們是相互接觸并處于互相聯(lián)通的電解質(zhì)溶液中構(gòu)成微電池。,二.電化學(xué)腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,電化學(xué)腐蝕：在機(jī)器或金屬結(jié)構(gòu)中,兩種金屬相互接觸的情況經(jīng)常發(fā)生,它們接觸潮濕空氣,或電解質(zhì)就會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕.,二.電化學(xué)腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,例、鋼中珠光體在硝酸酒精中的腐蝕鋼中珠光體是由鐵素體（α）和滲碳體（Fe3C）層片相間組成，在硝酸酒精溶液中就構(gòu)成了無(wú)數(shù)個(gè)微電池，有（圖1-23a）所示，鐵素體（α）的電極電位較低，成為陽(yáng)極，α中的鐵原子變成離子進(jìn)入溶液（α）被腐蝕；滲碳體（Fe3C）電極電位較高，成為陰極，它將電子傳導(dǎo)給算中的氫離子（H+），變成氫氣逸出，即發(fā)生氫反應(yīng)公式上述電化學(xué)腐蝕結(jié)果，使α片不斷被腐蝕而凹陷,(Fe3C)片不斷受腐蝕而凸起，從而使原來(lái)平滑表面變得凸凹不平（圖1-23b），顯示出珠光體層片狀形貌。這是觀察金屬顯微組織之前必須進(jìn)行腐蝕的原因。,,,第五節(jié)零件的腐蝕失效,2.局部腐蝕：1）電偶腐蝕：異類材料連接在一起，由于電極電位不同而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。2）小孔腐蝕：金屬表面微小區(qū)域因氧化膜破損或析出相和夾雜物剝落，引起該處電極電位降低而出現(xiàn)小孔并向深度發(fā)展的現(xiàn)象，又稱點(diǎn)蝕。3）縫隙腐蝕：指電解質(zhì)進(jìn)入零件的縫隙中出現(xiàn)縫內(nèi)金屬加速腐蝕的現(xiàn)象。,二.電化學(xué)腐蝕,第五節(jié)零件的腐蝕失效,1.應(yīng)力腐蝕：零件在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)聯(lián)合作用下作用所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象。,三.應(yīng)力腐蝕,1）引起應(yīng)力腐蝕的拉應(yīng)力很小，如果沒有腐蝕介質(zhì)存在，零件在該應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作不發(fā)生斷裂；2）引起應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)的腐蝕性較弱，如果沒有拉應(yīng)力，零件在該介質(zhì)中耐腐蝕；,第五節(jié)零件的腐蝕失效,2.應(yīng)力腐蝕斷裂過(guò)程：,三.應(yīng)力腐蝕,裂紋形成和擴(kuò)展過(guò)程：,1）在拉應(yīng)力作用下，零件表面鈍化膜在應(yīng)力集中點(diǎn)被破壞，該處稱為陽(yáng)極，鈍化膜為陰極，構(gòu)成微電池形成腐蝕坑，裂紋萌生2）在拉應(yīng)力和介質(zhì)的聯(lián)合作用下裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。,第五節(jié)零件的腐蝕失效,3.材料抵抗應(yīng)力腐蝕的力學(xué)性能指標(biāo)：KISCC,三.應(yīng)力腐蝕,應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，物理意義：表示拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力,第五節(jié)零件的腐蝕失效,1.抗氧化腐蝕措施：,四.改善零件腐蝕抗力的措施,1）選擇抗氧化材料，如耐熱鋼、高溫合金、耐熱鑄鐵、陶瓷材料。2）表面涂層如噴涂鋁、陶瓷。,2.抗電化學(xué)腐蝕措施：,1）選擇耐腐蝕材料，如不銹鋼、耐蝕合金、陶瓷材料、高分子材料。2）表面涂層如電鍍Ni、Cr，熱噴涂陶瓷。3）電化學(xué)保護(hù)，如犧牲陽(yáng)極保護(hù)、外加電位陰極保護(hù)4）加緩蝕劑降低電解質(zhì)腐蝕性。,第五節(jié)零件的腐蝕失效,3.抗應(yīng)力腐蝕措施：,四.改善零件腐蝕抗力的措施,1）設(shè)計(jì)時(shí)，減小拉應(yīng)力和應(yīng)力集中；2）進(jìn)行去應(yīng)力退貨消除殘余拉應(yīng)力；3）根據(jù)工作介質(zhì)選擇在該介質(zhì)中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感材料；4）改變介質(zhì)條件，清除有害化學(xué)離子。,第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn),一.高溫對(duì)金屬力學(xué)性能的影響,高壓蒸汽鍋爐，汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、柴油機(jī)等,,材料,,材料既要考慮室溫力學(xué)性能也要考慮高溫性能,1)高溫下材料的強(qiáng)度隨溫度升高而降低2）高溫下材料強(qiáng)度隨加載時(shí)間延長(zhǎng)而降低,,第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,二.蠕變極限和持久強(qiáng)度,1)高溫下材料的強(qiáng)度隨溫度升高而降低2）高溫下材料強(qiáng)度隨加載時(shí)間延長(zhǎng)而降低,建立評(píng)定材料高溫性能的指標(biāo)：蠕變極限和持久強(qiáng)度,