機(jī)械工程材料_沈蓮_01章_ 機(jī)械零件的失效分析

1、 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第一章機(jī)械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTSFAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS1. 零件的失效：零件的失效：任何機(jī)械零件或結(jié)構(gòu)件都具有一定的功能，如在載荷、溫度、介質(zhì)等作用下保持一定的幾何形狀和尺寸，實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動，傳遞力和功。零件若失去設(shè)計(jì)要求的效能即為失效。2. 零件失效的原因：零件失效的原因：造成零件失效的原因是多方面的，它涉及到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、加工制造、裝配調(diào)整

2、及使用與保養(yǎng)等因素，但從本質(zhì)上看，零件失效都是由于外界載荷、溫度、介質(zhì)等的損害作用超過了材料抵抗損害的能力造成的。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第一章機(jī)械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTSFAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS2. 零件失效的原因：零件失效的原因：為了預(yù)防零件失效，必須做到設(shè)計(jì)正確，選材恰當(dāng)和工藝合理。為此，我們不僅要熟悉零件的工作條件，掌握零件的受力和運(yùn)動規(guī)律，還要把它們和材料的性能結(jié)合起來，

3、即從零件的工作條件中找出其對材料的性能要求，然后才能做到正確選擇材料和合理制定冷、熱加工的技術(shù)條件及工藝路線。而研究零件各種形式的失效是深刻了解零件工作條件的基礎(chǔ)。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第一章機(jī)械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTSFAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS2. 零件失效的原因：零件失效的原因：通過觀察零件的失效特征，找出造成失效的原因，從而確定相應(yīng)的失效抗力指標(biāo)，為制定技術(shù)條件、正確選材和制

4、訂合理工藝提供依據(jù)。因此，研究零件的失效具有重要的意義。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第一章機(jī)械零件的失效分析FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTSFAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS3. 常見的失效方式常見的失效方式過量變形過量變形 Excessive deformation斷裂斷裂 Fracture疲勞疲勞 Fatigue磨損磨損 Wear高溫蠕變高溫蠕變 High temperature creep腐蝕腐蝕 Corros

5、ion SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一、工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變行為一、工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變行為1. 1. 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變行為低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變行為OA: : 彈性變形彈性變形ABC: 屈服屈服CDE: 塑性變形塑性變形E: 斷裂斷裂 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線比例極限彈性極限屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)

6、度:p:e:s:b:k SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2. 其他類型材料的應(yīng)力應(yīng)變行為其他類型材料的應(yīng)力應(yīng)變行為其他材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線其他材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線11純金屬純金屬, 2, 2脆性材料脆性材料, 3, 3高彈性材料高彈性材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料零（構(gòu)）件受力時抵抗彈性變形的能力，它等于材料彈性模量與零（構(gòu)）件橫截面積的乘積。1. 剛度剛度二、靜載性能指標(biāo)二、靜載性能指標(biāo)單向拉伸單向

7、拉伸( (或壓縮或壓縮):): 純剪切純剪切: :F AEFEA:E彈性模量FAGFGA:G切變模量 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料強(qiáng)度是指材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。2. 強(qiáng)度強(qiáng)度比例極限彈性極限屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度:p:e:s:b:k SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料是指材料彈性變形的大小。常用彈性變形時吸收的彈性能u來表示。3. 彈性彈性彈性模量最大彈性應(yīng)變彈性能:E:e:u212eEE 1

8、2eeu SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料是指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。常用斷后伸長率和斷面收縮率來衡量材料的塑性。4. 塑性塑性斷后伸長率00100%LLL斷面收縮率00100%AAA顯然，斷后伸長率和斷面收縮率越大，材料的塑性越好。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料表征材料軟硬程度的性能，具體來說是指材料抵抗壓入和刻畫的能力。5. 硬度硬度 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND I

9、NFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料在剛度設(shè)計(jì)時，常規(guī)定零件的最大彈性變形 或 （扭轉(zhuǎn)角）必須小于許可的彈性變形量 或 。有些零件在一定載荷下只允許一定的彈性變形，若發(fā)生過量變形就會造成失效。例如鏜床鏜桿若發(fā)生較大彈性變形，其鏜出的孔徑就會偏小或有錐度。三、過量彈性變形失效三、過量彈性變形失效1. 現(xiàn)象現(xiàn)象又如齒輪軸，若其剛度不足，產(chǎn)生過量彈性變形，則會影響齒輪的正常嚙合，加速齒輪磨損，增加噪音。ll ll2. 剛度條件剛度條件 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料抗

10、拉條件下FlllEA 扭轉(zhuǎn)條件下 npMGI當(dāng)零件尺寸和外加載荷一定時，材料的彈性模量E（或切變模量G）越高，零件的彈性變形愈小，則剛度愈好。選用彈性模量E高的材料。增大零件的橫截面積A。3. 防止措施防止措施 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料4. 各種材料的彈性模量各種材料的彈性模量彈性模量以陶瓷材料最高，鋼鐵材料次之，有色金屬材料再次之，高分子材料最低。彈性模量E（或切變模量G）主要取決于材料中原子本性和原子間結(jié)合力。熔點(diǎn)高低可以反映原子間結(jié)合力強(qiáng)弱，通常材料的熔點(diǎn)越高，其彈性模量也越高。另外，

11、彈性模量對溫度很敏感，隨溫度升高而降低。應(yīng)該指出，金屬材料的彈性模量主要取決于基體金屬的性質(zhì)，當(dāng)基體金屬一定時，不能通過合金化、熱處理、冷變形等方法使之改變。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料四、過量塑性變形失效四、過量塑性變形失效絕大多數(shù)機(jī)器零件在使用過程中都處于彈性變形狀態(tài)，不允許產(chǎn)生塑性變形。實(shí)際使用的工程材料大多數(shù)是彈塑性材料、彈性極限和塑性變形并無明顯的分界點(diǎn)，

12、很難測出它們的準(zhǔn)確數(shù)值。因此采取人為規(guī)定的方法，把產(chǎn)生規(guī)定的微量塑性伸長率所對應(yīng)的應(yīng)力作為“條件比例/彈性極限”、“條件屈服強(qiáng)度”，它們之間并無本質(zhì)區(qū)別。順便指出，比例極限、彈性極限、屈服極限是對材料成分、組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，可以通過合金化、熱處理、冷變形等方法使之改變。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念所謂斷裂是材料在應(yīng)力作用下分為兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象。根據(jù)材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀變形量大小，將斷裂分為韌性斷

13、裂和脆性斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。斷裂前未發(fā)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。1. 1. 韌性斷裂韌性斷裂2. 2. 脆性斷裂脆性斷裂斷口特征：杯錐狀，暗灰色。斷口特征：斷口平齊，顏色光亮。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料由于韌性斷裂前發(fā)生明顯塑性變形，這就等于預(yù)先警告人們注意，因此不會造成嚴(yán)重事故。而脆性斷裂沒有明顯征兆，因而危害性極大，研究表明，無論是韌性斷裂

14、還是脆性斷裂，其斷裂過程均包含裂紋形成和擴(kuò)展兩個階段。材料在外力作用下形成微裂紋或者以原有的內(nèi)部缺陷（如微裂紋、空孔、雜質(zhì)等）作為裂紋源，當(dāng)裂紋源逐漸擴(kuò)展到一個臨界裂紋長度時，立刻發(fā)生斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料斷裂的整個過程可分為裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段和失穩(wěn)擴(kuò)展階段。裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋自形成到擴(kuò)展至臨界裂紋長度的過程。在這一階段裂紋擴(kuò)展阻力大，擴(kuò)展速度較慢。對于脆性斷裂，裂紋形成后很快達(dá)到臨界長度，幾乎不經(jīng)歷裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段就進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展速度極快，所以脆性斷裂前無明顯塑

15、性變形。裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋達(dá)到臨界裂紋長度后的擴(kuò)展階段。在這一階段裂紋擴(kuò)展阻力小，擴(kuò)展速度很快。韌性是表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，它是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料所謂沖擊韌性，是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，常用標(biāo)準(zhǔn)試樣的沖擊吸收功 表示。二、沖擊韌性及其度量指標(biāo)二、沖擊韌性及其度量指標(biāo)KA1. 1. 沖擊韌性沖擊韌性2. 2. 沖擊實(shí)驗(yàn)沖擊實(shí)驗(yàn) SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION

16、ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料沖擊吸收功 或沖擊韌度 是衡量材料沖擊韌性的力學(xué)性能指標(biāo)。3. 3. 沖擊韌度沖擊韌度沖擊吸收功與試樣斷面面積的比值，用 表示。KKKKAF2J cmgKA KF 沖擊功試樣斷面面積KKA沖擊吸收功或沖擊韌度是對材料成分、組織敏感的力學(xué)性能指標(biāo)，可以通過合金化、熱處理等方法改變。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料4. 4. 沖擊韌度與溫度的關(guān)系沖擊韌度與溫度的關(guān)系三種鋼的沖擊韌度隨溫度變化曲線示意圖三種鋼的沖擊韌度隨溫度變化曲線示意圖沖擊韌度隨溫沖擊

17、韌度隨溫度降低而減小度降低而減小存在韌脆轉(zhuǎn)變存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度溫度TK SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料三、影響脆斷的因素三、影響脆斷的因素1. 1. 材料本性和加載方式材料本性和加載方式2. 2. 溫度和加載速度溫度和加載速度在拉伸載荷下，屈服強(qiáng)度隨溫度降低而升高，但正斷強(qiáng)度基本不變， 為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料3. 3. 應(yīng)力集中應(yīng)力集中當(dāng)材料有缺口時，缺口根部有應(yīng)力集中，改變了

18、該處三向應(yīng)力分布，使缺口前沿切應(yīng)力減小，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)變硬，容易引起材料脆化。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料4. 4. 零件尺寸零件尺寸零件截面尺寸愈大,愈易脆斷。因?yàn)楸〖幱谄矫鎽?yīng)力狀態(tài)，而厚件中心受三向拉應(yīng)力，處于平面應(yīng)變狀態(tài)而易造成脆斷。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料為了防止脆性斷裂，過去傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是，一方面要求零件的工作應(yīng)力 ， 為安全系數(shù)；另一方面要求材料有足夠的塑性 、 和 韌性 和

19、 。四、斷裂韌性及其衡量指標(biāo)四、斷裂韌性及其衡量指標(biāo) skkKAK即使這樣，也不可能保證零件不發(fā)生低應(yīng)力脆斷。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)思想沒有考慮到一般材料中都存在著微小的宏觀裂紋（原材料中的冶金缺陷、熱處理裂紋、焊接裂紋、鍛造裂紋、疲勞裂紋等）。正是這種宏觀裂紋的存在，引起材料的低應(yīng)力脆性斷裂，斷裂力學(xué)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料斷裂力學(xué)提出了材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)斷裂韌度 ，它是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力，其單位是 或 。1 2MPa mICK斷裂韌度斷裂韌度3 2M

20、N m1 2IICKY aKIK12Y :a: 裂紋尖端應(yīng)力場強(qiáng)度因子: 裂紋的幾何形狀因子: 零件工作應(yīng)力: 裂紋半長度 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料: 泊松比三、影響脆斷的因素三、影響脆斷的因素1.1.加載方式和材料本性加載方式和材料本性工程力學(xué)表明，零件在外力作用下，其內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)都可用三個主應(yīng)力 、 、 來表示。根據(jù)這三個主應(yīng)力可以計(jì)算出各點(diǎn)所受的最大切應(yīng)力和“最大正應(yīng)力”。123123最大切應(yīng)力最大切應(yīng)力: : “最大正應(yīng)最大正應(yīng)力力”: : max132max123vv應(yīng)力狀態(tài)

21、軟硬系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟硬系數(shù): : maxmax SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料加載方式不同，材料的應(yīng)力狀態(tài)不同，則 不同。若以最大切應(yīng)力 為縱坐標(biāo)，“最大正應(yīng)力” 為橫坐標(biāo)，就可以畫出材料的力學(xué)狀態(tài)圖。maxmax從該圖可以直接判斷加載方式對斷裂類型的影響。例如某材料在三向不等拉伸（即缺口試樣拉伸）情況下，代表該應(yīng)力狀態(tài)的射線 直接與 線相交，故其斷裂前只發(fā)生彈性變形，表現(xiàn)為宏觀正斷式的脆性斷裂。k0.5在單向拉伸時 ，表現(xiàn)為宏觀正斷式的韌性斷裂。0.5 SCHOOL OF ELECTRONICAL

22、 AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料在扭轉(zhuǎn)情況下 ，表現(xiàn)為切斷式的韌性斷裂。0.8應(yīng)力狀態(tài)軟硬系數(shù) 越大，應(yīng)力狀態(tài)越軟，脆斷傾向愈小。應(yīng)力狀態(tài)軟硬系數(shù) 越小，應(yīng)力狀態(tài)越硬，脆斷傾向愈大。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一、疲勞的基本概念一、疲勞的基本概念1. 1. 交變載荷交變載荷方向及大小隨時間周期性變化的載荷。零件在交變載荷下經(jīng)過較長時間的工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，叫做疲勞斷裂。如軸、齒輪、彈簧等許多零件都是在交變載

23、荷下工作的。機(jī)械零件斷裂失效中有80%以上屬于疲勞斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料應(yīng)力幅應(yīng)力幅: : 平均應(yīng)力平均應(yīng)力: : maxmin2amaxmin2m應(yīng)力比應(yīng)力比: : minmaxr最大應(yīng)力最大應(yīng)力: : 最小應(yīng)力最小應(yīng)力: : maxmin描述交變載荷的幾個參量： SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGIN

24、EERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2. 2. 疲勞斷裂的特點(diǎn)疲勞斷裂的特點(diǎn)低應(yīng)力：常常明顯低于靜載下的屈服強(qiáng)度。突然性：斷裂時無明顯的宏觀塑性變形，無預(yù)兆而是突然地發(fā)生，為脆性斷裂，即使在靜載和沖擊載荷下有大量塑性變形的塑性材料，發(fā)生疲勞斷裂時也顯示出脆性斷裂的宏觀特征因而具有很大的危險性。疲勞斷裂過程： 疲勞裂紋萌生裂紋擴(kuò)展最終斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料二、疲勞斷口的特征二、疲勞斷口的特征分三個區(qū)域分三個區(qū)域疲勞源區(qū)疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū) SC

25、HOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料1. 疲勞裂紋源區(qū)疲勞裂紋源區(qū)形成于應(yīng)力形成于應(yīng)力集中處集中處內(nèi)部缺陷（夾雜物，孔洞）內(nèi)部缺陷（夾雜物，孔洞）加工缺陷加工缺陷(刀痕刀痕,微裂紋微裂紋)不當(dāng)設(shè)計(jì)不當(dāng)設(shè)計(jì)(截面突然變化截面突然變化)2. 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 有疲勞裂紋前沿線（疲有疲勞裂紋前沿線（疲勞條紋），呈勞條紋），呈“貝紋狀貝紋狀”3. 最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū)有放射狀線有放射狀線 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院

26、機(jī)械工程材料它是材料所承受的交變應(yīng)力 或 和相應(yīng)的斷裂循環(huán)周次N之間的關(guān)系曲線。三、無裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標(biāo)三、無裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標(biāo)1. 疲勞極限和過負(fù)荷持久值疲勞極限和過負(fù)荷持久值1）疲勞曲線疲勞曲線旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)max( )s當(dāng)應(yīng)力低于 時，即使循環(huán)無線多次也不會發(fā)生疲勞斷裂。r SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料應(yīng)該指出，材料的疲勞曲線通常用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法測定， ，其疲勞極限用 表示。1r 1 條件疲勞極限不存在疲勞極限時，規(guī)定循環(huán)基數(shù)N0時的斷裂應(yīng)力。對

27、于實(shí)際零件來說， N0是根據(jù)零件工作條件和使用壽命來確定的。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料過負(fù)荷持久值高于疲勞極限的應(yīng)力下，在規(guī)定循環(huán)周次斷裂所對應(yīng)的應(yīng)力。2. 疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度 q q由于實(shí)際機(jī)器零件常常帶有臺階、圓角、鍵槽等，不可避免地有應(yīng)力集中存在，從而使零件在較低的應(yīng)力或較短的壽命下產(chǎn)生疲勞裂紋，所以必須考慮缺口對材料疲勞極限的影響。通常用疲勞缺口敏感度q來衡量缺口對疲勞極限的影響。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEE

28、RING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料1011ftKqqKmaxtmK11fNKmaxm11N：應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力：應(yīng)力集中處的平均應(yīng)力：光滑試樣的疲勞極限：缺口試樣的疲勞極限 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料四、影響疲勞抗力的因素四、影響疲勞抗力的因素1. 載荷類型載荷類型對于同一種材料而言，所承受的載荷類型不同，其應(yīng)力狀態(tài)不同，故其疲勞極限也不同。疲勞極限 是在旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞條件下求得的。但實(shí)際零件所承受的交變載荷有不同類型，如扭轉(zhuǎn)、拉-壓、拉-拉等，這些載荷下的疲勞極限和 有一定的對應(yīng)關(guān)系：11

29、拉拉- -壓疲勞壓疲勞 110.85p（鋼） 110.65p（鑄鐵） 扭轉(zhuǎn)疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞 110.55（鋼） 110.8（鑄鐵） SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2. 材料本質(zhì)材料本質(zhì) 1) 不同材料有不同的疲勞極限1幾種材料的疲勞曲線 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2) 材料組織類型對疲勞極限的影響材料的疲勞極限和抗拉強(qiáng)度有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：中、低強(qiáng)度鋼為：10.5b灰鑄鐵為：10.42b鑄造銅合金為：1

30、0.35 0.4b高強(qiáng)度鋼：1700MPa SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料3) 材料純度對疲勞極限有明顯影響材料中的夾雜物可以成為疲勞裂紋源，導(dǎo)致疲勞極限降低。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料3. 零件表面狀態(tài)的影響零件表面狀態(tài)的影響 1) 零件表明粗糙度 零件在冷、熱加工過程中所產(chǎn)生的缺陷均使疲勞極限降低。2) 表面應(yīng)力狀態(tài)表面殘余壓應(yīng)力有利 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND I

31、NFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料4. 溫度的影響溫度的影響1,q,T 則1,q,T 則5. 腐蝕介質(zhì)的影響腐蝕介質(zhì)的影響零件在腐蝕介質(zhì)（酸堿鹽的水溶液、海水、潮濕空氣）中工作時，其表面的腐蝕坑成為疲勞裂紋源，使疲勞極限降低，并使鋼鐵材料疲勞曲線上的水平部分消失。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第四節(jié) 零件的磨損失效粘著磨損粘著磨損磨粒磨損磨粒磨損腐蝕磨損腐蝕磨損接觸疲勞接觸疲勞機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時，任何在接觸狀態(tài)下發(fā)生相對運(yùn)動的零件之間都會發(fā)生摩擦。零件在摩擦過程中其

32、表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。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。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料一、粘著磨損一、粘著磨損1. 現(xiàn)象現(xiàn)象如: 螺栓與螺母, 蝸輪與蝸桿2. 磨損機(jī)理磨損機(jī)理“冷焊”拉拽粘著磨損示意圖粘著磨損示意圖 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料3. 防止措施防止措施合理選擇摩擦副配對材料。實(shí)踐表明，異類材料配對比同類材料配對磨損量??；多相合金配對比單相合金

33、配對磨損量?。挥捕炔畲蟮牟牧吓鋵Ρ扔捕炔钚〉牟牧吓鋵δp量??；金屬與非金屬配對磨損量小。采用表面處理減小摩擦系數(shù)或提高表面硬度。減小接觸壓應(yīng)力。減小表面粗糙度值。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料二、磨粒磨損二、磨粒磨損1. 現(xiàn)象現(xiàn)象如: 內(nèi)燃機(jī)汽缸套2. 磨損機(jī)理磨損機(jī)理硬質(zhì)磨粒嵌入切削磨粒磨損示意圖磨粒磨損示意圖 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料磨粒磨損，是指滑動摩擦?xí)r，在零件表面摩擦區(qū)存在硬質(zhì)磨粒（

34、外界進(jìn)入的磨粒或表面剝落的碎屑），使磨面發(fā)生局部塑性變形、磨粒嵌入和被磨粒切割等過程，以致磨面材料逐漸損耗的一種磨損。磨粒磨損的磨損速度較大。例如農(nóng)業(yè)機(jī)械和礦山機(jī)械的齒輪經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損；汽車、拖拉機(jī)氣缸套常因空氣濾清器不良帶入塵埃，或潤滑油不清潔帶入污物而發(fā)生磨粒磨損。任何機(jī)械若潤滑油濾清裝置不良或缺乏，機(jī)件本身磨損產(chǎn)物隨潤滑油進(jìn)入磨面，均會造成磨粒磨損。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料3. 防止措施防止措施除在設(shè)計(jì)時減小接觸壓應(yīng)力、減小滑動摩擦距離、改進(jìn)潤滑油過濾裝置用來清除磨粒外，常采

35、用如下措施：合理采用高硬度材料如高碳鋼、高碳合金鋼、耐磨鑄鐵、陶瓷等。材料的硬度越高，磨粒磨損時的耐磨性越好。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）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。材料表面硬度是磨粒硬度的1.3倍，磨粒磨損就不明顯了。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料三、腐蝕磨損三、腐蝕磨損1. 氧化磨損氧化磨損零件表面氧化膜反復(fù)形成脫落1）現(xiàn)象氧化膜疏松、與基體結(jié)合力差2）原因提高零件表面硬度3）防止措施使零件表面形成致密氧化膜 SCHOOL

36、 OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2. 微動磨損微動磨損在機(jī)器的嵌合部位（緊配合處），如嵌合連接的鍵、銷，汽輪機(jī)葉片的葉根部位，軸套與軸的配合處，雖然配合面之間沒有明顯的相對位移，但在外部交變載荷作用和振動的影響下產(chǎn)生微小的相對滑動，此時配合表面產(chǎn)生大量褐/黑色的粉末狀磨損產(chǎn)物，稱為微動磨損。微動磨損的磨損產(chǎn)物不易排出，故兼有氧化磨損、磨粒磨損和粘著磨損的作用，在微動磨損區(qū)形成一定深度的磨痕蝕坑，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞破壞。1）現(xiàn)象和原因 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATIO

37、N ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料緊配合軸微動磨損的發(fā)生緊配合軸微動磨損的發(fā)生 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料提高零件嵌合處表面硬度3）防止措施采用襯墊減小應(yīng)力集中 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料四、接觸疲勞四、接觸疲勞1. 現(xiàn)象現(xiàn)象兩零件接觸面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在接觸應(yīng)力和交變應(yīng)力長期聯(lián)合作用下，引起的表面疲勞剝落破壞現(xiàn)象。表現(xiàn)為在接觸表面出現(xiàn)許多針狀或痘狀的凹坑，稱為麻

38、點(diǎn)。如齒輪、滾動軸承。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料2. 形成機(jī)理形成機(jī)理裂紋形成擴(kuò)展剝落3. 防止措施防止措施提高零件表面硬度提高材料的純凈度提高零件的心部強(qiáng)度和硬度，增加硬化層深度，細(xì)化硬化層組織。減小零件表面粗糙度值，以減小摩擦力。提

39、高潤滑油的粘度。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料第五節(jié) 零件在高溫下的蠕變變形和斷裂1）金屬材料的強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）隨溫度升高而降低。高溫對金屬材料力學(xué)性能的影響2）高溫下金屬材料的強(qiáng)度隨加載時間的延長而降低。如20鋼在450的短時抗拉強(qiáng)度為330MPa；若試樣承受230MPa的應(yīng)力，在該溫度下能持續(xù)工作300h左右，將應(yīng)力降至120MPa，持續(xù)10000h還會發(fā)生斷裂。 SCHOOL OF ELECTRONICAL AND INFORMATION ENGINEERING電氣信息工程學(xué)院機(jī)械工程材料高溫蠕變現(xiàn)象高溫蠕變現(xiàn)象蠕變