第一章 機(jī)械零件的失效分析

1、工程材料基礎(chǔ)工程材料基礎(chǔ)1材料是社會進(jìn)步的先導(dǎo)材料是社會進(jìn)步的先導(dǎo)材料對人類社會發(fā)展起著巨大的推動作用材料對人類社會發(fā)展起著巨大的推動作用 緒緒 論論 陶器時代陶器時代 銅器時代銅器時代 鐵器時代鐵器時代 鋼鐵時代鋼鐵時代 新材料時代新材料時代2材料與技術(shù)進(jìn)步材料與技術(shù)進(jìn)步能源、信息和材料是現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱能源、信息和材料是現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱很多技術(shù)都是通過老材料的改進(jìn)或新材料很多技術(shù)都是通過老材料的改進(jìn)或新材料的開發(fā)而獲得突破性進(jìn)展的的開發(fā)而獲得突破性進(jìn)展的1911年，德國開發(fā)出了強(qiáng)度與軟鋼相近的年，德國開發(fā)出了強(qiáng)度與軟鋼相近的硬鋁合金后，人類才能進(jìn)行真正的航空事業(yè)硬鋁合金后，人類才能進(jìn)行

2、真正的航空事業(yè)鎳基高溫合金的出現(xiàn)，使飛機(jī)制造業(yè)從此鎳基高溫合金的出現(xiàn)，使飛機(jī)制造業(yè)從此邁進(jìn)了能夠制造特大型飛機(jī)的時代邁進(jìn)了能夠制造特大型飛機(jī)的時代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，使人類文明邁上了新的臺階半導(dǎo)體的出現(xiàn)，使人類文明邁上了新的臺階20世紀(jì)最后一次技術(shù)革命導(dǎo)致了超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)世紀(jì)最后一次技術(shù)革命導(dǎo)致了超導(dǎo)技術(shù)的出現(xiàn)利用車中超導(dǎo)磁體與地面線圈之間的電磁利用車中超導(dǎo)磁體與地面線圈之間的電磁排斥力能制造出時速高達(dá)排斥力能制造出時速高達(dá)500Km的磁懸浮的磁懸浮列車列車3. 工程材料及分類工程材料及分類材料屬性分類，工程材料分為：材料屬性分類，工程材料分為： 高分子材料高分子材料 4. 材料科學(xué)與工程的基本要素

3、材料科學(xué)與工程的基本要素材料科學(xué)是一門著重于材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、材料科學(xué)是一門著重于材料本質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、分析和研究的科學(xué)分析和研究的科學(xué)作用：解釋材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與使用性能的關(guān)系作用：解釋材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與使用性能的關(guān)系材料工程屬于技術(shù)范疇材料工程屬于技術(shù)范疇作用：確定合理的生產(chǎn)工藝來控制材料的內(nèi)作用：確定合理的生產(chǎn)工藝來控制材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的性能部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的性能基本要素：材料的成分、結(jié)構(gòu)、制造工藝基本要素：材料的成分、結(jié)構(gòu)、制造工藝和使用性能和使用性能5. 學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的 了解材料成分、結(jié)構(gòu)、制備工藝與性能的關(guān)系了解材料成分、結(jié)構(gòu)、制備工藝與性能的關(guān)系 熟悉各種工程材料的特性熟悉各種工程材料

4、的特性 能夠做到正確選材和用材能夠做到正確選材和用材工程材料的性能工程材料的性能使用性能使用性能工藝性能工藝性能 第一章第一章 機(jī)械零件的失效分析機(jī)械零件的失效分析一、失效的定義和失效分析的任務(wù)一、失效的定義和失效分析的任務(wù)1. 失效的定義失效的定義機(jī)械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志機(jī)械產(chǎn)品的主要質(zhì)量標(biāo)志:失效的表現(xiàn)：失效的表現(xiàn)： 完全喪失功能完全喪失功能 功能衰退功能衰退 失去可靠性與安全性失去可靠性與安全性2. 失效分析的任務(wù)失效分析的任務(wù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程：產(chǎn)品生產(chǎn)過程：二、失效分析的重要性和作用二、失效分析的重要性和作用1. 失效的危害性失效的危害性2. 技術(shù)革命與失效研究技術(shù)革命與失效研究重大技術(shù)革命

5、都與失效分析有關(guān)重大技術(shù)革命都與失效分析有關(guān)3. 失效分析的積極作用失效分析的積極作用 能促進(jìn)老材料的改進(jìn)和新材料的開發(fā)能促進(jìn)老材料的改進(jìn)和新材料的開發(fā) 能促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)能促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 能促進(jìn)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)能促進(jìn)生產(chǎn)工藝的改進(jìn) 有利于責(zé)任事故的仲裁有利于責(zé)任事故的仲裁三、失效分析與防止的基本思路三、失效分析與防止的基本思路 對不同服役條件下的零件做具體分析，對不同服役條件下的零件做具體分析，從中找出主要的失效方式和主要的失效從中找出主要的失效方式和主要的失效抗力指標(biāo)抗力指標(biāo)2. 運(yùn)用金屬學(xué)和材料強(qiáng)度學(xué)等知識運(yùn)用金屬學(xué)和材料強(qiáng)度學(xué)等知識，分分 析主要失效抗力指標(biāo)與材料成分和組析主要失效

6、抗力指標(biāo)與材料成分和組 織結(jié)構(gòu)的關(guān)系織結(jié)構(gòu)的關(guān)系 3. 根據(jù)不同服役條件下，材料的強(qiáng)度、根據(jù)不同服役條件下，材料的強(qiáng)度、 塑性及韌性應(yīng)具有不同配合的規(guī)律，塑性及韌性應(yīng)具有不同配合的規(guī)律， 分析失效零件現(xiàn)行的選材和用材技術(shù)分析失效零件現(xiàn)行的選材和用材技術(shù) 條件所存在的問題，提出改進(jìn)措施條件所存在的問題，提出改進(jìn)措施 第一節(jié)第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形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 低碳鋼拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線彈性極限（彈性極限（ s se）：）：衡量材料最大彈性衡量材料最大彈性變形的抗力指標(biāo)變形的抗

7、力指標(biāo)比例極限（比例極限（s sp）：）：保證材料的彈性變保證材料的彈性變形能按正比關(guān)系變形能按正比關(guān)系變化的最大抗力指標(biāo)化的最大抗力指標(biāo) s sePe / Fo s spPP / Fo 為避免零件發(fā)生塑性變形或發(fā)生過量塑性變形失為避免零件發(fā)生塑性變形或發(fā)生過量塑性變形失效，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)以屈服極限為依據(jù)效，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)以屈服極限為依據(jù) 加工硬化的技術(shù)意義：加工硬化的技術(shù)意義： 1.1.能提高機(jī)件的安全性能提高機(jī)件的安全性 2.2.能獲得截面均勻一致的產(chǎn)品能獲得截面均勻一致的產(chǎn)品屈服極限（屈服極限（s sS Ps / Fo）：材料抵抗起始塑）：材料抵抗起始塑性變形的抗力指標(biāo)性變形的抗力指標(biāo)塑性變

8、形導(dǎo)致的材料強(qiáng)度塑性變形導(dǎo)致的材料強(qiáng)度升高、塑性降低現(xiàn)象升高、塑性降低現(xiàn)象3. 是金屬材料的一種有效強(qiáng)化方法是金屬材料的一種有效強(qiáng)化方法對熱處理不能強(qiáng)化的金屬，加工硬化是有效對熱處理不能強(qiáng)化的金屬，加工硬化是有效的強(qiáng)化手段的強(qiáng)化手段當(dāng)應(yīng)當(dāng)應(yīng)力力達(dá)達(dá)到到s sb ，加工硬化加工硬化導(dǎo)導(dǎo)致的強(qiáng)度升高不致的強(qiáng)度升高不能能補(bǔ)償試樣補(bǔ)償試樣截面截面積減積減小所引起的承小所引起的承載載能力降能力降低低時時，試樣試樣便便會會出出現(xiàn)縮頸現(xiàn)縮頸抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（ s sbPb / Fo ）：材料對最大均）：材料對最大均勻塑性變形的抗力指標(biāo)勻塑性變形的抗力指標(biāo)斷裂強(qiáng)度斷裂強(qiáng)度( s( sk kPk / Fo ）

9、：材料對塑性變：材料對塑性變形的極限抗力形的極限抗力伸長率：指試樣斷裂后的殘留變形伸長率：指試樣斷裂后的殘留變形L L與試樣原始長度與試樣原始長度L Lo的百分比的百分比 斷面收縮率：指試樣斷裂后的截面收縮斷面收縮率：指試樣斷裂后的截面收縮量量F F與與試樣原始試樣原始截面積截面積Fo的百分比的百分比 = Lk Lo / Lo 100% = Fo Fk / Fo 100%洛氏硬度（洛氏硬度（HRCHRC）：用鋼球或金剛石錐壓入材料用鋼球或金剛石錐壓入材料表面，以壓入深度的大小來度量材料硬度表面，以壓入深度的大小來度量材料硬度布氏硬度（布氏硬度（HBHB）：用鋼球壓入材料表面，以單位用鋼球壓入材

10、料表面，以單位壓壓痕面積承受的載荷大小來度量材料硬度痕面積承受的載荷大小來度量材料硬度 純金屬、陶瓷、橡膠純金屬、陶瓷、橡膠等材料的應(yīng)力應(yīng)變行等材料的應(yīng)力應(yīng)變行為與低碳鋼不同為與低碳鋼不同硬度硬度: 表征材料軟硬表征材料軟硬程度的性能指標(biāo)程度的性能指標(biāo)條件條件s ss對應(yīng)的塑性變形量為對應(yīng)的塑性變形量為0.010.5% 二、過量變形失效二、過量變形失效1.1.過量彈性變形失效及抗力指標(biāo)過量彈性變形失效及抗力指標(biāo) 材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變遵守虎克定律材料在彈性變形范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變遵守虎克定律單向拉伸時的彈性模量：單向拉伸時的彈性模量： EAP/ 剛度：零件抵抗彈性變形的能力剛度：零件抵

11、抗彈性變形的能力sAPEEAEA：零件產(chǎn)生單位彈性變形所需的載荷大小：零件產(chǎn)生單位彈性變形所需的載荷大小材料的彈性極限越高，彈性模量越低，彈性就越材料的彈性極限越高，彈性模量越低，彈性就越好，在變形過程中吸收的彈性能就越多好，在變形過程中吸收的彈性能就越多2.2.過量塑性變形失效及抗力指標(biāo)過量塑性變形失效及抗力指標(biāo)產(chǎn)生過量塑性變形的原因：產(chǎn)生過量塑性變形的原因：偶然過載或零件自身抵抗塑性偶然過載或零件自身抵抗塑性變形的能力不足變形的能力不足 炮筒炮筒： s s s sp/n/n n n 1 1緊固螺栓：緊固螺栓：s s s ss s/n/n彈彈n n 1 1 s se 材料抵抗過量彈性變形的指

12、標(biāo)：彈性模量材料抵抗過量彈性變形的指標(biāo)：彈性模量 金屬材料的彈性模量是本身固有的性質(zhì)金屬材料的彈性模量是本身固有的性質(zhì)要求：要求：進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，提高零件自身抵抗塑性進(jìn)一步提高材料強(qiáng)度，提高零件自身抵抗塑性變形的能力變形的能力 掌握加工硬化的定義和技術(shù)意義掌握加工硬化的定義和技術(shù)意義 掌握靜拉伸指標(biāo)的物理意義及用途掌握靜拉伸指標(biāo)的物理意義及用途力學(xué)力學(xué)性能性能指標(biāo)指標(biāo)的應(yīng)的應(yīng)用用為防止構(gòu)件發(fā)生過量彈性變?yōu)榉乐箻?gòu)件發(fā)生過量彈性變形，設(shè)計時需使用剛度。如形，設(shè)計時需使用剛度。如鏜床的鏜桿等鏜床的鏜桿等彈性極限是彈性零件考慮的彈性極限是彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧等性能指標(biāo)。如汽車板簧等屈

13、服強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可用于屈服強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可用于結(jié)構(gòu)零件的抗斷裂設(shè)計結(jié)構(gòu)零件的抗斷裂設(shè)計硬度指標(biāo)硬度指標(biāo)是耐磨零件考慮的耐磨零件考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承等性能指標(biāo)。如滾珠軸承等 第二節(jié)第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂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低碳鋼在靜拉伸低碳鋼在靜拉伸時時，斷裂過程包括了彈性變形，斷裂過程包括了彈性變形、彈塑性變形和斷裂三個階段彈塑性變形和斷裂三個階段 韌性斷裂：經(jīng)過大量塑韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形后發(fā)生的斷裂性變形后發(fā)生的斷裂脆性斷裂：幾乎不經(jīng)塑脆性斷裂：幾乎不經(jīng)塑性變形發(fā)生的斷裂性變形發(fā)生的斷裂 微裂紋微裂紋擴(kuò)展至臨界

14、裂紋擴(kuò)展至臨界裂紋快速擴(kuò)展至斷裂快速擴(kuò)展至斷裂 裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段 擴(kuò)展速度慢擴(kuò)展速度慢 擴(kuò)展速度快擴(kuò)展速度快韌性韌性斷裂經(jīng)過以下階段斷裂經(jīng)過以下階段： 發(fā)生塑性變形發(fā)生塑性變形產(chǎn)生產(chǎn)生縮頸縮頸 在縮頸中心產(chǎn)生顯微空洞在縮頸中心產(chǎn)生顯微空洞 空洞聚合形成中心裂紋空洞聚合形成中心裂紋 裂紋向外擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂裂紋向外擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂 韌斷：材料斷裂前能發(fā)生大量塑性變形韌斷：材料斷裂前能發(fā)生大量塑性變形脆斷：材料斷裂前沒有明顯塑性變形脆斷：材料斷裂前沒有明顯塑性變形韌性：材料在斷裂過程中吸收能量的能力韌性：材料在斷裂過程中吸收能量的能力 二、影響脆斷

15、的因素二、影響脆斷的因素1.1.加載方式和材料本質(zhì)的影響加載方式和材料本質(zhì)的影響材料在斷裂過程中吸收的能量越多，材料材料在斷裂過程中吸收的能量越多，材料的韌性越好，脆斷傾向越小的韌性越好，脆斷傾向越小工件上任一點處的應(yīng)力，都工件上任一點處的應(yīng)力，都能能分解成與受力面分解成與受力面平行的切應(yīng)力和與受力面垂直的正應(yīng)力兩部分平行的切應(yīng)力和與受力面垂直的正應(yīng)力兩部分加載方式不同，最大切應(yīng)力和最加載方式不同，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值大正應(yīng)力的比值 不同不同 單向拉伸單向拉伸： = 0.5 扭轉(zhuǎn)載荷扭轉(zhuǎn)載荷： =0.8 正應(yīng)力只能導(dǎo)致工件斷裂正應(yīng)力只能導(dǎo)致工件斷裂 切應(yīng)力能導(dǎo)致塑性變形和斷裂切應(yīng)力能導(dǎo)

16、致塑性變形和斷裂 （ =max/max）：應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù) 1 1：軟性應(yīng)力狀態(tài)：軟性應(yīng)力狀態(tài) =1 1：較軟性應(yīng)力狀態(tài)：較軟性應(yīng)力狀態(tài) 1 1：硬性應(yīng)力狀態(tài)：硬性應(yīng)力狀態(tài)在在 0.5的三向不等拉伸的三向不等拉伸狀態(tài)狀態(tài)下下： 正斷式脆斷正斷式脆斷在在 =0.5的單向拉伸狀態(tài)下的單向拉伸狀態(tài)下： 正斷式韌斷正斷式韌斷在在 =0.8的扭轉(zhuǎn)載荷的扭轉(zhuǎn)載荷作用下：作用下： 切斷式韌斷切斷式韌斷應(yīng)力狀態(tài)圖應(yīng)力狀態(tài)圖：能能判斷加載方式對斷裂性質(zhì)的影響判斷加載方式對斷裂性質(zhì)的影響材料不同材料不同，應(yīng)力狀態(tài)圖不同應(yīng)力狀態(tài)圖不同，斷裂方式不同斷裂方式不同材料的材料的t ts越低越低，s sk越

17、高越高，越容易發(fā)生塑性越容易發(fā)生塑性變形，越不容易發(fā)生脆斷變形，越不容易發(fā)生脆斷 越小，越小，材料材料脆斷傾向越大脆斷傾向越大 材料材料塑性越好，脆斷傾向越小塑性越好，脆斷傾向越小材料材料對斷裂性質(zhì)的影響：對斷裂性質(zhì)的影響：2.2.溫度和加載速度的影響溫度和加載速度的影響 材料屈服強(qiáng)度隨溫度變化圖材料屈服強(qiáng)度隨溫度變化圖T Tk k：材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度：材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度加載速度越高，材料脆加載速度越高，材料脆斷斷傾向越大傾向越大 工作溫度越高，材料脆工作溫度越高，材料脆斷斷傾向越小傾向越小材料的材料的T Tk k越低越低 , , 越不容越不容易發(fā)生脆性斷裂易發(fā)生脆性斷裂 3.3.應(yīng)力集中和零

18、件尺寸的影響應(yīng)力集中和零件尺寸的影響應(yīng)力集中對斷裂性質(zhì)應(yīng)力集中對斷裂性質(zhì)的的影響影響：應(yīng)力集中應(yīng)力集中：截面發(fā)生突變截面發(fā)生突變，局部地方出現(xiàn)應(yīng)力局部地方出現(xiàn)應(yīng)力最大值的現(xiàn)象最大值的現(xiàn)象使使缺口截面處的材料處于三向不等拉伸應(yīng)力狀缺口截面處的材料處于三向不等拉伸應(yīng)力狀態(tài)，態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)致材料脆材料脆斷傾向斷傾向增大增大缺口越尖銳，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆斷傾向越大缺口越尖銳，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆斷傾向越大 零件尺寸大，塑性變形難，脆斷傾向越大零件尺寸大，塑性變形難，脆斷傾向越大缺口試樣的力線分布缺口試樣的力線分布缺口試樣的應(yīng)力集中現(xiàn)象缺口試樣的應(yīng)力集中現(xiàn)象小結(jié)：小結(jié)：韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形后發(fā)生的斷裂韌

19、性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形后發(fā)生的斷裂脆性斷裂：幾乎不經(jīng)塑性變形發(fā)生的斷裂脆性斷裂：幾乎不經(jīng)塑性變形發(fā)生的斷裂韌性：材料在斷裂過程中吸收能量的能力韌性：材料在斷裂過程中吸收能量的能力加載方式不同，脆斷傾向不同加載方式不同，脆斷傾向不同材料不同，脆斷傾向不同材料不同，脆斷傾向不同工作溫度越高，脆斷傾向越小工作溫度越高，脆斷傾向越小加載速度越高，脆斷傾向越大加載速度越高，脆斷傾向越大應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆斷傾向越大應(yīng)力集中越嚴(yán)重，脆斷傾向越大零件尺寸越大，脆斷傾向越大零件尺寸越大，脆斷傾向越大 沖擊韌性沖擊韌性A Ak k（J J）：沖斷）：沖斷V V型缺口試樣所消耗的功型缺口試樣所消耗的功 沖擊韌度沖

20、擊韌度a ak k（J/cmJ/cm）：）：U U型缺口試樣單位面積所型缺口試樣單位面積所 吸收的功吸收的功 a ak kA Ak k /F/Fk k 三、沖擊韌性三、沖擊韌性沖擊載荷：在極短時間內(nèi)具有很大變化幅度的載荷沖擊載荷：在極短時間內(nèi)具有很大變化幅度的載荷A Ak k和和a ak k：材料在沖擊載荷作用下吸怍塑性：材料在沖擊載荷作用下吸怍塑性變形功和斷裂功的能力變形功和斷裂功的能力高塑性材料：選用高塑性材料：選用V V型缺口試樣型缺口試樣低塑性材料：選用低塑性材料：選用U U型缺口試樣型缺口試樣沖擊試驗的應(yīng)用：沖擊試驗的應(yīng)用： 1. 1. 能顯示材料的各種脆性能顯示材料的各種脆性 低溫

21、脆性低溫脆性 ：沖擊韌性隨溫度降低而顯著降低的現(xiàn)象：沖擊韌性隨溫度降低而顯著降低的現(xiàn)象 T Tk k ：沖擊韌性發(fā)生急劇變化時所對應(yīng)的溫度沖擊韌性發(fā)生急劇變化時所對應(yīng)的溫度提高強(qiáng)度和塑性的因素都能提高材料的沖擊韌性提高強(qiáng)度和塑性的因素都能提高材料的沖擊韌性 材料的材料的A Ak k越高，越高，T Tk k越低，脆斷傾向越小越低，脆斷傾向越小 沖擊韌性是材料沖擊韌性是材料的的重要力學(xué)性能指標(biāo)，是選重要力學(xué)性能指標(biāo)，是選材和用材的重要材和用材的重要參考參考依據(jù)依據(jù) 四、斷裂韌性四、斷裂韌性傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計方法：傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計方法： 某些用高強(qiáng)度鋼制作的某些用高強(qiáng)度鋼制作的零零件以及用中、低強(qiáng)度鋼件以及用

22、中、低強(qiáng)度鋼制造的大型構(gòu)件，常會制造的大型構(gòu)件，常會發(fā)生低應(yīng)力發(fā)生低應(yīng)力脆斷脆斷美國北極星導(dǎo)彈爆炸、法國和英國核電站的壓力美國北極星導(dǎo)彈爆炸、法國和英國核電站的壓力容器與大型鍋爐開裂容器與大型鍋爐開裂 ，都是由于機(jī)件發(fā)生了低應(yīng)，都是由于機(jī)件發(fā)生了低應(yīng)力脆斷所致力脆斷所致 s s s s s sS /n n/n n1 1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)為解決低應(yīng)力脆斷提供了有效判據(jù)為解決低應(yīng)力脆斷提供了有效判據(jù)1. 1. 斷裂力學(xué)與傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計的區(qū)別斷裂力學(xué)與傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計的區(qū)別未考慮未考慮零零件中件中可能可能存在有原始缺陷存在有原始缺陷認(rèn)為認(rèn)為零零件中存在的宏觀裂紋件中存在的宏觀裂紋和和冶金缺陷是造成冶金缺陷

23、是造成其其發(fā)生低應(yīng)力脆斷的根本原因發(fā)生低應(yīng)力脆斷的根本原因 傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計：傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計： 以屈服強(qiáng)度為設(shè)計依據(jù)以屈服強(qiáng)度為設(shè)計依據(jù)斷裂力學(xué)特點：斷裂力學(xué)特點： 把零件看作是裂紋體把零件看作是裂紋體 2. K2. K1c1c判據(jù)判據(jù) 單位：單位： MPaMPam m1/21/2 K K1 1 = Ys sa a1/2 K K1 1K K1C1C 是零件發(fā)生低應(yīng)力脆斷的臨界條件是零件發(fā)生低應(yīng)力脆斷的臨界條件當(dāng)當(dāng) K K1 1 K K1C1C 時，零件會發(fā)生低應(yīng)力脆斷時，零件會發(fā)生低應(yīng)力脆斷 當(dāng)當(dāng) K K1 1 K K1C1C 時，零件處于安全狀態(tài)時，零件處于安全狀態(tài) K K1C1C對材料對材料的的

24、成分成分和和內(nèi)部組織很敏感，可通過合金內(nèi)部組織很敏感，可通過合金化和熱處理加以改變化和熱處理加以改變 K K1C1C：材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo) 材料強(qiáng)度越高，材料強(qiáng)度越高，K K1C1C 越低越低 材料塑性越好，材料塑性越好，K K1C1C 越高越高 由由K K1 1 = Ys sa a1/2 知知 ：已已知零件的工作應(yīng)力和零件中的最大裂紋長度知零件的工作應(yīng)力和零件中的最大裂紋長度 K K1C1C的應(yīng)用對象：飛機(jī)、火箭的重要零件，發(fā)電的應(yīng)用對象：飛機(jī)、火箭的重要零件，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等大型構(gòu)件機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等大型構(gòu)件 使使 K K1 1 K

25、 K1C 1C ，能保證零件安全能保證零件安全 使使 s s s sc c ， 能保證零件安全能保證零件安全 使使 a a a ac c ， 能保證零件安全能保證零件安全 已已知零件知零件的的工作應(yīng)力和材料的工作應(yīng)力和材料的 K K1C1C 已已知零件中的最大裂紋長度和材料的知零件中的最大裂紋長度和材料的 K K1C1C 小結(jié)：小結(jié)：沖擊韌性：沖擊韌性：材料在沖擊載荷作用下吸材料在沖擊載荷作用下吸收收塑性變形塑性變形功和斷裂功的能力功和斷裂功的能力沖擊試驗的沖擊試驗的應(yīng)應(yīng)用用： 能能顯示材料的各種脆性顯示材料的各種脆性 能用來能用來控制冶煉和熱加工的工藝質(zhì)量控制冶煉和熱加工的工藝質(zhì)量T Tk

26、k ：沖擊韌性發(fā)生急劇變化所對應(yīng)的溫度沖擊韌性發(fā)生急劇變化所對應(yīng)的溫度斷裂韌性：能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂韌性：能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的的能力能力K K1 1K K1C1C 是零件發(fā)生低應(yīng)力脆斷的臨界條件是零件發(fā)生低應(yīng)力脆斷的臨界條件 第三節(jié)第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂零件在交變載荷下的疲勞斷裂在歐州第一次工業(yè)革命期間，火車軸常在歐州第一次工業(yè)革命期間，火車軸常在在低于材低于材料料屈服強(qiáng)度的屈服強(qiáng)度的應(yīng)力應(yīng)力作用下作用下發(fā)生斷裂發(fā)生斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂：在交變載荷長期作用下發(fā)生的斷在交變載荷長期作用下發(fā)生的斷裂裂交變載荷：載荷大小或載荷大小與方向都隨時交變載荷：載荷大小或載荷大小

27、與方向都隨時間發(fā)生周期性變化的載荷間發(fā)生周期性變化的載荷 原因：原因：由疲勞由疲勞所所引起引起火車軸承受的交變載荷雖然火車軸承受的交變載荷雖然低于低于材料材料的屈服強(qiáng)度的屈服強(qiáng)度，但作用時間長了，火車軸但作用時間長了，火車軸就就會會產(chǎn)生產(chǎn)生疲勞而斷裂疲勞而斷裂很多機(jī)件都會受到交變載荷的作用很多機(jī)件都會受到交變載荷的作用最近發(fā)生的疲勞斷裂事故是美國的一架最近發(fā)生的疲勞斷裂事故是美國的一架F15戰(zhàn)斗機(jī)在空中解體戰(zhàn)斗機(jī)在空中解體事故事故原因：在原因：在飛機(jī)大梁的冶金缺陷處萌生飛機(jī)大梁的冶金缺陷處萌生了了疲疲 勞裂紋勞裂紋美軍宣布：美軍宣布： 疲勞斷裂疲勞斷裂是是機(jī)械零件的主要斷裂方式機(jī)械零件的主要斷

28、裂方式 180架架F15戰(zhàn)斗機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)報廢報廢 一、一、 疲勞斷裂的特點疲勞斷裂的特點1.1.疲勞斷裂沒有明顯的宏觀塑性變形，具疲勞斷裂沒有明顯的宏觀塑性變形，具 有類似脆斷的斷裂特征有類似脆斷的斷裂特征 2.2.疲勞斷裂的應(yīng)力常低于材料的屈服強(qiáng)度疲勞斷裂的應(yīng)力常低于材料的屈服強(qiáng)度3.3.疲勞斷裂也包含了裂紋的形成疲勞斷裂也包含了裂紋的形成、擴(kuò)展和擴(kuò)展和 斷裂三個階段斷裂三個階段 疲勞斷裂沒有明顯的預(yù)兆，危害很大疲勞斷裂沒有明顯的預(yù)兆，危害很大斷口上存在著斷口上存在著“疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)展區(qū)和最后斷裂區(qū)疲勞裂紋的產(chǎn)生地疲勞裂紋的產(chǎn)生地：4.4.疲勞斷裂與低應(yīng)

29、力脆斷的區(qū)別：疲勞斷裂與低應(yīng)力脆斷的區(qū)別：疲勞斷裂：具有很長的裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段疲勞斷裂：具有很長的裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段低應(yīng)力脆斷：當(dāng)?shù)蛻?yīng)力脆斷：當(dāng)K K1 1 K K1C1C 時，裂紋就會快速擴(kuò)展，時，裂紋就會快速擴(kuò)展，導(dǎo)致零件斷裂導(dǎo)致零件斷裂 夾雜物夾雜物：金屬中存在的具有非金屬性金屬中存在的具有非金屬性質(zhì)質(zhì)的組成物的組成物鑄造、鍛造、焊接和熱處理產(chǎn)生的裂紋處，機(jī)件鑄造、鍛造、焊接和熱處理產(chǎn)生的裂紋處，機(jī)件上的鍵槽、拐角處，材料內(nèi)部的夾雜物和孔洞處上的鍵槽、拐角處，材料內(nèi)部的夾雜物和孔洞處二、疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素二、疲勞抗力指標(biāo)及其影響因素1.1.疲勞極限與過載持久值疲勞極限與過載持久值疲勞

30、性能通常是在疲勞性能通常是在r rs smin/s smax1的對稱旋轉(zhuǎn)彎曲的對稱旋轉(zhuǎn)彎曲條件條件下下進(jìn)行進(jìn)行測定測定 疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖疲勞極限（疲勞極限（s s-1）：材料經(jīng)受無限次應(yīng)材料經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力最大應(yīng)力疲勞曲線上的疲勞曲線上的斜線部斜線部分能夠反映材料對過分能夠反映材料對過載的抗力，載的抗力，過載持久值越大，材過載持久值越大，材料的抗過載能力越強(qiáng)料的抗過載能力越強(qiáng) 疲勞曲線示意圖材料的材料的s s-1越高越高，抵抗疲勞斷裂的能力越強(qiáng)抵抗疲勞斷裂的能力越強(qiáng) 疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖過載持久值過載持久值：材材料料在在過載應(yīng)力下發(fā)生過載

31、應(yīng)力下發(fā)生斷裂斷裂時所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)時所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)周次周次通常取應(yīng)力循環(huán)通常取應(yīng)力循環(huán)基數(shù)基數(shù)No為為107108所對所對應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞應(yīng)的應(yīng)力為條件疲勞極限極限某些材料的疲勞曲線沒有明顯的水平部分某些材料的疲勞曲線沒有明顯的水平部分 鈦合鈦合金：金： No = 107 鋁合金、高強(qiáng)度鋼鋁合金、高強(qiáng)度鋼等：等： No = 108不同的材料，不同的材料， s s-1 可能相同，但過載持久可能相同，但過載持久值不一定相同值不一定相同在評定不同材料的疲勞性能時，在評定不同材料的疲勞性能時，還還應(yīng)看其疲勞應(yīng)看其疲勞曲線的位置和傾角曲線的位置和傾角在實際應(yīng)用中，在實際應(yīng)用中，必須必須重視完整的重

32、視完整的疲勞曲線疲勞曲線2.2.疲勞缺口敏感度疲勞缺口敏感度 僅與缺口幾何形狀有關(guān)僅與缺口幾何形狀有關(guān) 與缺口幾何形狀和材料都有關(guān)與缺口幾何形狀和材料都有關(guān) 理論應(yīng)力集中系數(shù)：理論應(yīng)力集中系數(shù)： K Kt t maxmax / /m m 有效應(yīng)力集中系數(shù)：有效應(yīng)力集中系數(shù)： K Kf f s s-1 / / s s-1N N 11qtKKf 缺口越尖銳缺口越尖銳，K Kt t越大越大缺口越尖銳缺口越尖銳， K Kf f越大越大材料材料強(qiáng)度越高強(qiáng)度越高，K Kf f越大越大 疲勞缺口敏感度能反映材料對缺口的敏感程度疲勞缺口敏感度能反映材料對缺口的敏感程度 疲勞缺口敏感度的變化范圍疲勞缺口敏感度的

33、變化范圍 ：0 0q q1 1 q q0 0時時, , 材料對缺口最不敏感材料對缺口最不敏感 q q1 1時，時， 材料對缺口最敏感材料對缺口最敏感 3.3.影響疲勞抗力的因素影響疲勞抗力的因素 載荷類型不同，應(yīng)力狀態(tài)不同，材料的疲勞載荷類型不同，應(yīng)力狀態(tài)不同，材料的疲勞 極限不同，極限不同，鋼的鋼的-1=0.55s s-1 材料不同，疲勞極限、過載持久值和疲勞缺材料不同，疲勞極限、過載持久值和疲勞缺 口敏感度不同口敏感度不同 材料的材料的抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 越高，疲勞極限越高越高，疲勞極限越高 材料純度越高，材料純度越高，疲勞極限越高疲勞極限越高 加工缺陷能導(dǎo)致疲勞極限降低加工缺陷能導(dǎo)致疲勞極

34、限降低 零件表面越粗糙，疲勞極限越低零件表面越粗糙，疲勞極限越低 工作溫度越高，疲勞極限越低工作溫度越高，疲勞極限越低熱應(yīng)力熱應(yīng)力：材料隨溫度變化發(fā)生熱脹冷縮時形成的材料隨溫度變化發(fā)生熱脹冷縮時形成的 內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力4. 提高材料疲勞抗力的途徑提高材料疲勞抗力的途徑常用的表面強(qiáng)化方法：常用的表面強(qiáng)化方法： 表面冷作變形表面冷作變形: 表面噴丸、表面滾壓等表面噴丸、表面滾壓等 化學(xué)熱處理：表面滲碳、滲氮等化學(xué)熱處理：表面滲碳、滲氮等 表面鍍層表面鍍層: 表面鍍鉻、鍍鎳等表面鍍鉻、鍍鎳等表面強(qiáng)化提高疲勞極限的原因：表面強(qiáng)化提高疲勞極限的原因： 能提高零件表層強(qiáng)度，防止疲勞裂紋形成能提高零件表層強(qiáng)度，

35、防止疲勞裂紋形成 能在零件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，防止疲勞裂紋能在零件表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，防止疲勞裂紋 形成形成 第四節(jié)第四節(jié) 零件的磨損失效零件的磨損失效零件零件表面的表面的凹凸不平會對運(yùn)動造成阻礙凹凸不平會對運(yùn)動造成阻礙磨擦磨擦：對運(yùn)動對運(yùn)動的的阻礙阻礙作用作用摩擦力摩擦力：阻礙相對運(yùn)動的阻礙相對運(yùn)動的作用作用力力滑動摩擦滑動摩擦：一個零件在另一個零件上滑動時一個零件在另一個零件上滑動時產(chǎn)生的摩擦產(chǎn)生的摩擦如：如：軸頸在軸承中滑動時產(chǎn)生的摩擦軸頸在軸承中滑動時產(chǎn)生的摩擦 活塞在氣缸中滑動時產(chǎn)生的摩擦活塞在氣缸中滑動時產(chǎn)生的摩擦如：如：火車輪在軌道上轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的摩擦火車輪在軌道上轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的摩擦

36、 齒輪之間產(chǎn)生的摩擦齒輪之間產(chǎn)生的摩擦 滾珠軸承中滾珠滾珠軸承中滾珠與與軸承軸承體體產(chǎn)生的摩擦產(chǎn)生的摩擦滾動摩擦滾動摩擦：一個球形或圓柱形零件在另一個零一個球形或圓柱形零件在另一個零件上滾動件上滾動，兩零件之間只在一個點兩零件之間只在一個點、或只在一或只在一條線上接觸時產(chǎn)生的摩擦條線上接觸時產(chǎn)生的摩擦磨損：指零件在磨擦過程中產(chǎn)生的尺寸變化磨損：指零件在磨擦過程中產(chǎn)生的尺寸變化和物質(zhì)損耗現(xiàn)象和物質(zhì)損耗現(xiàn)象 失重法失重法：用用零件零件重量的減少表示磨損量重量的減少表示磨損量尺寸法尺寸法：用用零件零件的尺寸變化表示磨損量的尺寸變化表示磨損量磨損量越小，材料的耐磨性越好磨損量越小，材料的耐磨性越好磨損

37、是機(jī)械零件常見的失效方式，能降低機(jī)器磨損是機(jī)械零件常見的失效方式，能降低機(jī)器的效率和精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)器報廢的效率和精度，嚴(yán)重時會導(dǎo)致機(jī)器報廢磨磨損造成損造成的經(jīng)濟(jì)損失的經(jīng)濟(jì)損失美國美國每年可達(dá)每年可達(dá)1200億美元億美元 耐磨性耐磨性：用磨損量的倒數(shù)表示用磨損量的倒數(shù)表示 材料的磨損特性可用磨損量或耐磨性表示材料的磨損特性可用磨損量或耐磨性表示1.1.粘著磨損粘著磨損在摩擦過程中，隨著粘結(jié)點的不斷形成和破壞，摩在摩擦過程中，隨著粘結(jié)點的不斷形成和破壞，摩擦副擦副便便會產(chǎn)生磨損會產(chǎn)生磨損摩擦面摩擦面能能產(chǎn)生嚴(yán)重擦傷，嚴(yán)重時產(chǎn)生嚴(yán)重擦傷，嚴(yán)重時能能造成摩擦副咬死造成摩擦副咬死特點：特點：磨損速

38、度高，破壞磨損速度高，破壞較較嚴(yán)重嚴(yán)重常見磨損類型常見磨損類型 ：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和麻點磨損損和麻點磨損 粘著磨損：在滑動摩擦條粘著磨損：在滑動摩擦條件下，由于粘結(jié)點的不斷件下，由于粘結(jié)點的不斷形成和破壞所形成和破壞所造成的磨損造成的磨損 提高粘著磨損抗力的途徑提高粘著磨損抗力的途徑 : 合理選擇配對材料合理選擇配對材料異類材料配對、硬度差大的材料配對，能降低異類材料配對、硬度差大的材料配對，能降低摩擦副的粘著磨損程度摩擦副的粘著磨損程度 降低摩擦副間的接觸壓應(yīng)力降低摩擦副間的接觸壓應(yīng)力防止摩擦副表面產(chǎn)生局部塑性變形形成粘結(jié)點防止摩擦副表面產(chǎn)生局部塑性變

39、形形成粘結(jié)點 減小表面粗糙度減小表面粗糙度增加摩擦副之間的接觸面積，減小接觸壓應(yīng)力增加摩擦副之間的接觸面積，減小接觸壓應(yīng)力 進(jìn)行表面強(qiáng)化進(jìn)行表面強(qiáng)化提高摩擦件的表層硬度提高摩擦件的表層硬度, ,降低摩擦件的摩擦系數(shù)降低摩擦件的摩擦系數(shù) F/N 2.2.磨粒磨損磨粒磨損摩擦副的間隙中只要混入硬質(zhì)磨粒，就會造成摩摩擦副的間隙中只要混入硬質(zhì)磨粒，就會造成摩擦副的磨粒磨損擦副的磨粒磨損磨粒磨損磨粒磨損：在滑動摩擦條件下，由于硬質(zhì)磨粒在滑動摩擦條件下，由于硬質(zhì)磨粒的嵌入和切割導(dǎo)致軟材料逐漸損耗的磨損方式的嵌入和切割導(dǎo)致軟材料逐漸損耗的磨損方式 農(nóng)業(yè)機(jī)械和礦山機(jī)械的齒輪農(nóng)業(yè)機(jī)械和礦山機(jī)械的齒輪易易發(fā)生嚴(yán)重

40、磨粒磨損發(fā)生嚴(yán)重磨粒磨損提高磨粒磨損抗力的途徑提高磨粒磨損抗力的途徑 ：材料硬度越高，零件的耐磨性越好材料硬度越高，零件的耐磨性越好 通過即時清除磨粒，來降低磨損通過即時清除磨粒，來降低磨損 提高材料硬度提高材料硬度 改進(jìn)潤滑油的過濾裝置改進(jìn)潤滑油的過濾裝置 第五節(jié)第五節(jié) 零件的腐蝕失效零件的腐蝕失效化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕：由化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕由化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕：由電化學(xué)反應(yīng)引起由電化學(xué)反應(yīng)引起的的腐蝕腐蝕在腐蝕介質(zhì)與機(jī)械因素聯(lián)合作用下產(chǎn)生的腐蝕分別為：在腐蝕介質(zhì)與機(jī)械因素聯(lián)合作用下產(chǎn)生的腐蝕分別為：金屬的腐蝕：指在腐蝕介質(zhì)作用下或在腐蝕介質(zhì)與金屬的腐蝕：指在腐蝕介質(zhì)作用下或在

41、腐蝕介質(zhì)與機(jī)械因素聯(lián)合作用下所引起的金屬表面損傷和破壞機(jī)械因素聯(lián)合作用下所引起的金屬表面損傷和破壞 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 腐蝕疲勞腐蝕疲勞腐蝕已與斷裂腐蝕已與斷裂、磨損并列，成為導(dǎo)致金屬零件磨損并列，成為導(dǎo)致金屬零件失效的三大原因之一失效的三大原因之一美國美國1975年年統(tǒng)計統(tǒng)計表明：表明：腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失每腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失每年約為年約為700億美元億美元一、高溫氧化腐蝕一、高溫氧化腐蝕很多金屬在空氣中都會發(fā)生氧化很多金屬在空氣中都會發(fā)生氧化，能在表面形成能在表面形成氧化膜氧化膜金屬發(fā)生氧化金屬發(fā)生氧化的原因：的原因： 氧化膜脆氧化膜脆性性較較大大，力學(xué)性能，力學(xué)性能較較金屬差得多金屬差得多氧和電子的結(jié)合力氧和電子的結(jié)合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬大于金屬與與電子的電子的結(jié)合力結(jié)合力金屬的氧化包含三個步驟：金屬的氧化包含三個步驟： 以二價金屬為例：以二價金屬為例： 氧化膜覆蓋在金屬表面上氧化膜覆蓋在金屬表面上能能將金屬與氧隔開將金屬與氧隔