白背底機(jī)械工程材料-第1章失效分析

1、第一章FAILURE機(jī)械零件的失效分析YSIS OF MACHINE ELEMENTS 常見失效方式 Exsive deformation過量變形Fracture斷裂FatigueWear疲勞磨損High temperature creep高溫蠕變Corro腐蝕第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形 1. 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變行為OA: ABC: CDE: E:彈性變形屈服塑性變形斷裂一、工程材料在靜拉伸時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變行為退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線2.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1純金屬, 2脆性材料, 3高彈性材料二、靜載性能指標(biāo) 1. 剛度零（構(gòu)）件受力時(shí)抵抗彈性變形的能力單向拉伸

2、(或壓縮):P A EAE 彈性模量純剪切: A GAPG 切變模量 2. 強(qiáng)度 p 比例極限 e 彈性極限 s 屈服強(qiáng)度 b 抗拉強(qiáng)度 k 斷裂強(qiáng)度退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 3. 彈性 E EG正彈模量切彈模量G 最大彈性應(yīng)變彈性能eu21212 u e Eee彈性能 e 4. 塑性 L L0100%斷后伸長率L0A0 A 100%斷面收縮率A0 5. 硬度 材料抵抗壓入或刻劃的能力布氏硬度 HBS洛氏硬度 HRC維氏硬度 HV三、過量彈性變形失效一定載荷下，零件的彈性變形量超過了規(guī)定值零件剛度 1. 現(xiàn)象 2. 原因P EA 3. 防止措施選用彈性模量E 高的材料增大零件的截面積A四、過

3、量塑性變形失效 一定載荷下不允許發(fā)生塑性變形的零件發(fā)生了塑性變形或塑性變形量超過了規(guī)定值 1. 現(xiàn)象 強(qiáng)度 2. 原因 P , e , s 3. 防止措施 用強(qiáng)度高的材料提高材料的強(qiáng)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 1. 韌性斷裂 斷裂前發(fā)生明顯塑性變形的斷裂斷口特征：杯錐狀，暗灰色 2. 脆性斷裂 斷裂前未發(fā)生明顯塑性變形的斷裂斷口特征：杯錐狀，暗灰色二、沖擊韌性及其度量指標(biāo) 1. 沖擊實(shí)驗(yàn) 沖擊實(shí)驗(yàn)的試樣沖擊實(shí)驗(yàn)示意圖 2. 沖擊韌性 材料在沖擊載荷下吸收沖擊功（塑性變形功和斷裂功）的能力3. 沖擊韌度aK沖擊功與試樣斷面面積的比值 AK(J cm2 )aKF

4、K沖擊功AK -(J )(cm2 )F試樣斷面面積-K 4. 沖擊韌度與溫度的關(guān)系 沖擊韌度隨溫度降低而減小存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TK三種鋼的沖擊韌度隨溫度變化曲線示意圖 三、影響脆斷的 1. 材料本性和加載方式 2. 溫度和加載速度屈服強(qiáng)度隨溫度變化示意圖 3. 應(yīng)力集中 缺口處應(yīng)力集中示意圖4. 零件尺寸 截面越大,越易脆斷第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂 一、疲勞的基本概念 1. 交變載荷 方向及大小隨時(shí)間周期性變化的載荷幾種常見的交變應(yīng)力 2. 疲勞斷裂的特點(diǎn) s低應(yīng)力突然性疲勞斷裂過程疲勞裂紋萌生裂紋擴(kuò)展最終破斷二、疲勞斷口的特征疲勞斷口的形貌疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)最后斷裂區(qū)分三個(gè)區(qū)域

5、1. 疲勞裂紋源區(qū) 缺陷（夾雜物，孔洞）形成于應(yīng)力集中處加工缺陷不當(dāng)設(shè)計(jì)(刀痕,微裂紋)(截面突然變化) 2. 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) 有疲勞條紋，呈“貝紋狀”“海灘狀” 3. 最后斷裂區(qū) 有放射狀線或疲勞斷口示意圖 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 1)疲勞曲線旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)疲勞曲線示意圖兩種類型疲勞曲線:a)鋼鐵材料;b)部分有色金屬(如鋁合金等) 12)疲勞極限經(jīng)受無限多次應(yīng)力循環(huán)也不斷裂的最大應(yīng)力條件疲勞極限不存在疲勞極限時(shí)，規(guī)定循環(huán)基數(shù) N 0 時(shí)的斷裂應(yīng)力3)過負(fù)荷持久值高于疲勞極限的應(yīng)力下，在4)規(guī)定斷裂所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 2. 疲勞缺口敏感度 q 缺口處的應(yīng)

6、力集中及其對(duì)疲勞極限的影響: (a)靜載下缺口處的應(yīng)力集中,(b)光滑試樣與缺口試樣的疲勞極限1 1 maxq K fKK(0q1)tfK 11Nmt光滑試樣的疲勞極限 1 1N 缺口試樣的疲勞極限 max 應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力 m應(yīng)力集中處的平均應(yīng)力smooth specimennotched specimen 四、影響疲勞抗力的 1P 0.85 1(鋼) 1. 載荷類型拉-壓疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞 1P 0.65 1(鑄鐵) 1 1 0.551(鋼及輕合金) 0.8 1(鑄鐵) 2. 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2)材料組織類型對(duì)疲勞極限的影響3)材料純度對(duì)疲勞極限

7、有明顯影響4043鋼純度對(duì)疲勞曲線的影響 3. 零件表面狀態(tài)的影響 1)表面光潔度2)表面應(yīng)力狀態(tài)表面殘余壓應(yīng)力有利則 1 ，q 則 1 ，q T , 4. 溫度的影響 T , 5. 腐蝕性介質(zhì)的影響 第四節(jié)零件的磨損失效WEAR FALAURE OF COMPONENT黏著磨損磨粒磨損腐蝕磨損接觸疲勞一、黏著磨損 螺栓與螺母, 蝸輪與蝸桿冷焊” 拉1.現(xiàn)象如: 2. 磨損機(jī)理 粘著磨損示意圖摩擦副正確配對(duì)減小摩擦系數(shù)或提高表面硬度 3. 防止措施 減小接觸壓應(yīng)力拽 二、磨粒磨損 1. 現(xiàn)象 如:內(nèi)燃機(jī)汽缸套內(nèi)燃機(jī)偏心輪硬質(zhì)磨粒嵌入切削 2. 磨損機(jī)理 磨粒磨損示意圖提高零件表面硬度 3. 防

8、止措施 磨粒磨損時(shí)相對(duì)耐磨性與材料硬度的關(guān)系 三、腐蝕磨損 1. 氧化磨損 1)現(xiàn)象零件表面氧化膜反復(fù)形成脫落2)原因氧化膜疏松、與基體結(jié)合力差提高零件表面硬度防止措施使零件表面形成致密氧化膜3) 2. 微動(dòng)磨損 1)2)現(xiàn)象原因:如:嵌合連接的鍵、肖等的磨損交變載荷振動(dòng)作用下的微小相對(duì)滑動(dòng)磨損緊配合軸微動(dòng)磨損的發(fā)生3)防止措施提高嵌合處表面硬度采用墊襯改進(jìn)設(shè)計(jì)減小應(yīng)力集中壓配合軸設(shè)計(jì)示例四、接觸疲勞 1. 現(xiàn)象 在接觸應(yīng)力和交變應(yīng)力的聯(lián)合作下，零件表面局部剝落或產(chǎn)生麻點(diǎn)如齒輪、 滾動(dòng)軸承等 2. 形成機(jī)理 裂紋形成擴(kuò)展剝落 3. 防止措施 提高零件表面硬度提高材料純凈度提高零件表面光潔度增大

9、潤滑油黏度提高零件心部硬度和強(qiáng)度第五節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂CREEP DEFORMATION AND FRACTURE OF COMPONENHIGH TEMPARATURE高溫蠕變現(xiàn)象蠕變抗力指標(biāo) 高溫蠕變的防止 一、高溫蠕變現(xiàn)象 即使應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度，但在長 1. 現(xiàn)象 時(shí)間、恒應(yīng)力作用下，零件也會(huì)慢慢產(chǎn)生塑性變形和斷裂如內(nèi)燃機(jī)汽缸蓋螺栓等 2. 蠕變曲線 1)典型的蠕變曲線分三階段：蠕變恒速蠕變加速蠕變典型的蠕變曲線2)應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線的影響(a)恒定溫度下改變應(yīng)力(b)恒定應(yīng)力下改變溫度 二、蠕變抗力指標(biāo) 1. 蠕變極限 高溫長期載荷作用下，材料對(duì)蠕變變形的抵抗能力 T 給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速