機械零件的失效分析第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五關于失效的基本概念1零件（構件）的功能（1）在一定的壓力、溫度、介質下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；（2）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動；（3）傳遞力和能。失效的定義和形式

定義:零件失去設計所要求的效能（功能）稱為失效。

常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形材料的靜載性能指標有哪些?什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設計時應選擇什么性能指標?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標有哪些?問題第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五一、材料的靜載性能指標剛度和強度指標彈性和塑性指標硬度指標韌性指標（放在斷裂中講）第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五1、剛度剛度：零構件在受力時抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構件截面積的乘積。剛度越大，零構件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）2、強度、彈性塑性指標試樣的靜拉伸過程第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五彈性變形、塑性變形彈性變形非線性彈性變形第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（1）強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力比例極限sp彈性極限se屈服強度ss抗拉強度sb斷裂強度sk強度指標單位：MPa第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（2）彈性和塑性指標

彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。

塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。彈性指標：彈性能（彈性比功）m塑性指標：斷后伸長率d

斷面收縮第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五硬度

硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。

硬度指標：物理意義與試驗方法有關滑痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應用廣泛）布氏硬度（HBS)淬火鋼球洛氏硬度(HRC)（錐角為120°的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136°的金剛石四棱錐體為壓頭第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、過量變形失效過量彈性變形及抗力指標（1）零構件發(fā)生過量彈性變形失效：

Dl[Dl](拉壓或者彎曲條件下）或者q[q]（扭轉條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構件的剛度不夠（3）抗力指標：彈性模量E或者切變模量G第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五過量塑性變形及抗力指標（1）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量（2）原因：偶而過載或者零構件本身抵抗塑性變形的能力不夠（3）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服極限第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五總結零構件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足抗力指標：彈性模量E或者切變模量G強調！金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五本節(jié)中所講的材料的力學性能指標及應用剛度：在設計中，考慮構件在受力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等彈性指標：彈性極限和彈性模量是設計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等強度和塑性指標：屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設計。硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂問題斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷裂的斷裂過程的區(qū)別在哪里？什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學性能指標有哪些？材料韌性指標的含義及應用？第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五一、基本概念靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷口脆性斷口第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、沖擊韌性及衡量指標沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標：沖擊吸收功Ak

沖擊韌度ak(ak＝Ak/Fk)應用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結合用于一般零件抗斷裂設計。低溫沖擊試驗：(材料的韌脆轉變溫度TK)第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五材料韌脆轉變溫度TK的確定和應用第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、斷裂韌性及衡量指標斷裂韌度KIC:是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。

單位：MPa·m1/2

或者MN·m-3/2應用（判斷構件是否安全，合理選材）

KI

<KIC構件安全

KI

>KIC構件發(fā)生脆性斷裂

KI

＝KIC構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件3 應用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉子、大型發(fā)電機轉子等。第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五四、影響脆性斷裂的因素加載方式材料本質溫度和加載速度應力集中零件尺寸第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五總結材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的好壞，也可用于一般零件的抗斷裂設計；斷裂韌度可用于材料抵抗低應力脆性斷裂的設計。材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法改變。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂問題什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個部分組成？疲勞抗力指標有哪些？在設計中如何使用這些指標？第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五一、基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經過長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、疲勞斷口的特點示意圖第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌一個疲勞源兩個疲勞源微裂紋疲勞條紋疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞源區(qū)第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、疲勞抗力指標無裂紋構件的疲勞抗力指標：疲勞極限過載持久值疲勞極限：材料經過無限次應力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應力。對應于疲勞曲線上水平部分對應的應力值。疲勞曲線第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五

圖1－11兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）條件疲勞極限疲勞極限第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五過載持久值：材料在高于疲勞極限的應力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<105疲勞曲線N1,N2,N3,N4都是過載持久值第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五四、影響疲勞抗力的因素載荷類型材料本質零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五總結疲勞斷裂是零構件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構件設計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值（和疲勞缺口敏感度）。工作應力s<疲勞極限，構件不發(fā)生疲勞斷裂。工作應力s>疲勞極限，構件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應力越大，過載持久值越低。3 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)零件的磨損失效

本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。一、磨損的基本概念產生磨損的條件磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質耗損的現(xiàn)象叫做磨損。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二、磨損的過程和機理粘著磨損（1）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。（2）過程滑動第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。（4）防止措施合理選材，摩擦幅配對材料選用硬度差較大的異類材料；提高表面硬度；合理設計減小接觸壓應力；減小表面粗糙度。局部粘著粘著處被撕掉金屬表面被劃傷或者金屬屑粒脫落第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五磨粒磨損（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。

（2）過程金屬表面發(fā)生局部塑性變形磨粒嵌入金屬表面，切割金屬表面表面被劃傷第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五（4）防止措施提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）（1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。

（3）主要防止措施提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五總結磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機理不同，因此其主要的預防措施也不同。提高零件表面硬度，合理設計減小壓應力，以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)零件的腐蝕失效問題1什么是腐蝕？可分為幾類？高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？發(fā)生電化學腐蝕的條件是什么？改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五一、腐蝕的定義和分類腐蝕：材料表面和周圍介質發(fā)生化學反應或者電化學反應所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類： 化學腐蝕 電化學腐蝕二、腐蝕過程及防止化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五高溫氧化過程：（1）金屬失去電子成為金屬離子（2）氧原子吸收電子成為氧離子（3）金屬離子和氧離子結合為金屬氧化物基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。電化學腐蝕條件：存在電極電位差，并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質溶液中形成微電池。第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五電化學腐蝕的過程陽極：失去電子，MMn++ne(被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應或者吸氧反應第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、零件防止腐蝕的措施對于化學腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。對于電化學腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學保護；加緩蝕劑第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和

斷裂失效問題金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？什么是材料的蠕變？評價金屬材料高溫力學性能指標有哪些？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五一、材料在高溫下的力學行為材料的強度隨溫度的升高而降抵。高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五二蠕變和蠕變曲線蠕變：材料在長時間恒應力作用下緩慢產生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變曲線I減速蠕變階段II恒速蠕變階段III加速蠕變階段第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五三、評價材料高溫力學性能的指標蠕變極限：是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力指標。

（2）給定溫度下，在規(guī)定時間內使試樣產生一定蠕變總變形量d的應力值，符號為：表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應力值，符號為第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五持久強度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。 表示方法：用給定溫度和規(guī)定時間內試樣發(fā)生斷裂時的應力表示，sTtt---時間；T----溫度；四、高溫下零件的失效和防止高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施：正確選材；（選熔點高、組織穩(wěn)定的材料）表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第一章的作業(yè)習題與思考題1、3、4、5、9、12、13第49頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五第二章碳鋼碳鋼：以鐵、碳為主要成分的合金。合金：指通過熔煉、燒結或者其它方法，將一種合金元素和另一種或者幾種元素結合在一起形成具有金屬特性的新物質。第50頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五碳鋼的分類和牌號一碳鋼的分類1按含碳量分類低碳鋼（Wc<0.25%)中碳鋼(0.3%<Wc<0.6)高碳鋼(Wc>0.6)2按質量分類普通碳素鋼Ws<0.035％Wp<0.035%優(yōu)質碳素鋼Ws<0.030%Wp<0.030%高級優(yōu)質碳素鋼Ws<0.02%Wp<0.03%按硫磷雜質含量而定硫磷雜質含量越少，鋼的質量越高！第51頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3按用途分類碳素結構鋼：用于制造工程構件和機器零件的鋼，如橋梁、船舶以及建筑用鋼，齒輪、軸、連桿等普通碳素鋼和優(yōu)質鋼，通常是低碳鋼、中碳鋼碳素工具鋼：用于制造各種刃具、量