1、绪 论,材料科学与社会发展工程材料及其类别机械工程材料本课程的目的本课程的主要内容,一、材料科学与社会发展,材料与人类生活 人类社会依据制造生产工具的材料来进行历史划分,旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代,一、材料科学与社会发展,旧石器时代（250万年前）人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。,一、材料科学与社会发展,新石器时代（1万年前）原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷。,一、材料科学与社会发展,青铜器时代（4000年前）奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平青铜（铜锡合金） 人类发明的第一种合金,一、材料科学与社会发展,铁器时代
2、（1400年前，春秋战国）,生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。 汉代“先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。,一、材料科学与社会发展,其他材料,与陶瓷材料和金属材料发展的同时,天然高分子材料棉、麻、丝绸材料 功能材料磁铁指南针,一、材料科学与社会发展,2. 材料科学发展与现代文明的联系,18世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。1863年光学显微镜，1912年X射线衍射技术和1932年电子显微镜等仪器出现金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展,一、材料科学与社会发展,2. 材料科学发展与现代文明的联系,现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料信息时代是建立
3、在材料的基础上硅半导体晶体管集成电路计算机磁性材料信息贮存激光材料+光导纤维信息传输信息网络能源技术以材料为支撑再生能源、核能、燃料电池等,信息时代,一、材料科学与社会发展,3. 现代材料学,现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料为基础， 研究所有固体材料的成分、组织和性能之间关系的的一门科学。现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金属、非金属及复合材料。,一、材料科学与社会发展,信息社会的材料产业结构及材料发展趋势： 从工业社会向信息社会过渡中,产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型发展劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非金属材料、有机合成材料的比重越来
4、越大。,一、材料科学与社会发展,新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的 经济发展水平。,硅片的发展及现状集成度越来越高直径越来越大国外：16英寸以上中国：6-8英寸为主流,二、工程材料及其类别,工程材料的含义：,工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。,二、工程材料及其类别,2. 工程材料的类别：,工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。,二、工程材料
5、及其类别,2. 工程材料的类别：,二、工程材料及其类别,2. 工程材料的性能：,使用性能：材料在使用条件下具有的性能,（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）,工艺性能：材料在加工过程中下具有的性能,（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能等）,三、机械工程材料,1. 机械工程材料含义：,机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技术的革新和发展。,三、机械工程材料,2. 材料技术对机械工程发展的促进：,四、课程的目的,随着机械工业的发展，对于产品要求越来
6、越高，无论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料和材料加工方面的问题。这就要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路线。,四、课程的目的,机械制造与材料：结构性能加工工艺,内部结构与性能：材料的性能来源于该材料的内部结构，这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。 加工工艺与性能：材料必须进行加工，以满足工程师对所设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制定适当的工艺流程。 使用行为：在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且要考虑使
7、那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发生变化的使用条件。,四、课程的目的,课程的目的：,获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非金属材料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。,了解材料的性能与设计的关系 了解各种材料的基本特性和应用范围,四、课程的目的,五、课程的主要内容,机械零件的失效形式； 金属材料的基本知识、热处理基本原理、常用金属材料的性能特点及应用； 非金属材料（高分子材料、陶瓷材料、复合材料）和功能材料的基本知识和性能特点及引用； 材料改性新技术； 机械零（构）件设计、选材的基本方法及工
8、程材料在典型机械上的应用。,主要参考文献,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,失效的基本概念,1. 零件（构件）的功能：,（1）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸； （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能量。,2. 失效的定义和形式：,定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。,应用前、应用中、突发,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,学习失效的目的,机械设计者为了防止零件失效,设计正确,选材恰当,工艺合理,工作条件-对材料的性能要求正确选材制定工艺路线确定失效的抗力指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,第一章
9、机械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,失效的例子,断裂的大桥,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,失效的原因,结构设计,多方面因素,材料选择,加工制造,装配调整,使用与保养,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,失效的本质,1. 失效的本质：,外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。,2. 常见的失效形式：,过量变形、断裂、磨损和腐蚀,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,本章主要内容,过量变形断裂疲劳断裂磨损失效腐蚀失效蠕变变形和断裂失效,第一节 零件在常温静载下的过量变形,变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化,第一章 机械
10、零件（或器件）的失效分析,外力去除,变形恢复,？,弹性变形：变形能够恢复 塑性变形：变形不能够恢复,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,由,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,低碳钢拉伸试验,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,低碳钢拉伸试验,第一节 零件在常温静载下的过量变
11、形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,低碳钢拉伸时应力-应变曲线,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,oa段比例极限,ab段弹性极限,（一）四个阶段,1、弹性阶段ab,cc应力不增加变形不断增加称为屈服，该段的最低应力称为屈服应力 ，在材料屈服后若卸载出现不能恢复的变形成为塑性变形。,2、屈服阶段cc,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析
12、,1.低碳钢的应力-应变行为,（一）四个阶段,3、强化阶段ce,4、局部变形阶段ef,材料恢复抵抗变形的能力称为强化强度极限,变形集中于某一局部范围颈缩断裂,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.低碳钢的应力-应变行为,（一）四个阶段,低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形四个阶段。,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,低碳钢拉伸曲线的4个阶段、3个特征点,OB：弹性阶段（卸载可
13、逆）,A：比例极限P B：弹性极限e,BC：屈服阶段（出现塑性变形）,（两者很接近）, =E,C：屈服极限s,第一节 零件在常温静载下的过量变形, CD:强化阶段,D：强度极限b, DE：缩颈阶段（局部收缩阶段）,e:弹性应变 ，p:塑性应变（不可逆的残余应变）,卸载曲线,卸载后再加载曲线,屈服极限提高：冷作硬化,，在CD段内卸载曲线为弹性直线,E：断裂点,第一节 零件在常温静载下的过量变形,一. 工程材料在静拉伸时的应力-应变行为,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 其他类型材料的应力-应变行为,弹性变形、塑性变形,弹性变形,非线性弹性变形,1纯金属 （Al、Cu、Ag等） 2脆性材
14、料 （陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢） 3高弹性材料 （橡胶）,第一节 零件在常温静载下的过量变形,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 其他类型材料的应力-应变行为,1、锰钢 2、硬铝 3、退火球墨铸铁 4、低碳钢,特点：d 较大，为塑性材料。,无明显屈服阶段。,无明显屈服阶段的，规定以塑性应变 =0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,刚度和强度指标 弹性和塑性指标 硬度指标,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1. 刚度和强度指标,
15、（1） 刚度 定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。,单向拉伸时：,即,纯剪切时：,即,EA（或GA）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。 弹性模量E(或切变模量G)是表征材料刚度的性能指标(why),第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1. 刚度和强度指标,（2） 强度 定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1. 刚度和强度指标,（2） 强度,是材料应力和应变成正比的最大应
16、力,是不产生塑性变形的最大应力,是材料开始产生塑性变形的应力,是材料产生最大均匀塑性变形的应力,是材料发生断裂的应力,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（1） 弹性：指材料弹性变形的大小。,弹性能为应力-应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。,通常用弹性变形时的吸收能 u 来表示。,材料的弹性极限越高，弹性模量E越低，弹性能越大，材料的弹性越好。,弹性指标弹性能,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（2） 塑性：指材料断裂前发生塑性变
17、形的能力。,、越大，材料的塑性越好。,通常用断后伸长率和断面收缩率来衡量。,伸长率,塑性指标伸长率和断面收缩率,断面收缩率,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,国家标准规定金属拉伸试验方法,（GB2282002),L=10d L=5d,对圆截面试样：,对矩形截面试样：,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（3） 硬度：表征
18、材料软硬程度的一种性能。,物理意义由试验方法决定。,莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,肖氏硬度弹性回跳法硬度值表征材料弹性功的大小。应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而 发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用
19、测得的撞销回跳的高度来表示硬度。,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,压入法硬度值表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力,（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。,工业中应用最广泛,以硬质合金或金刚石锥体为压头,布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。,布氏硬度HBW,P,材料为淬火钢和硬质合金,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（
20、或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。,洛氏硬度HRC,常用洛氏硬度为C级，用150kgf的载荷将一个120圆锥形金刚石压头压入金属表面,A级载荷为60kgf, B级为100kgf,第一节 零件在常温静载下的过量变形,二. 静载性能指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 弹性和塑性指标,（3） 硬度：表征材料软硬程度的一种性能。,维氏硬度HV,以一定大小的载荷P,将一个金刚石四棱锥压入金属表面，单位压痕面积上的载荷即为金属的维氏硬度，单位kgf/mm,第一节 零件在常温静载下的过量变形,三. 过量变形失效,第一章 机械零件（或器件）的失效
21、分析,概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效,1. 过量弹性变形及其抗力指标,镗床镗杆,被加工零件的精度,较小弹性变形,本身由于刚度不足,过量弹性变形,镗出的孔偏小、锥度，影响加工精度、废品,齿轮轴过量变形,加速齿轮磨损，增加噪声,弹簧过量变形,不能达到承载能力,第一节 零件在常温静载下的过量变形,三. 过量变形失效,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效,1. 过量弹性变形及其抗力指标,刚度：零构件受力时抵抗弹性变形的能力。,（一）零构件过量弹性变形的条件,拉压条件下：,弯曲条件下：,扭转条件下：,许可弹性变形量，扭转
22、角,第一节 零件在常温静载下的过量变形,三. 过量变形失效,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效,1. 过量弹性变形及其抗力指标,（二）过量弹性变形的原因,零构件的刚度不够,（三）抗力指标,弹性模量E 或切变模G,（三）不同材料的弹性模量,第一节 零件在常温静载下的过量变形,三. 过量变形失效,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效,1. 过量弹性变形及其抗力指标,弹性模量E 或切变模G,主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点越高，弹性模量也越高，随温度升高而降低。 金属材料
23、的E取决于基体金属的性质，不能通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。,第一节 零件在常温静载下的过量变形,三. 过量变形失效,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效,2. 过量塑性变形及其抗力指标,第一节 零件在常温静载下的过量变形,总 结,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第一节 零件在常温静载下的过量变形,应 用,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上的部分现象,第二节 零件在静载和冲击
24、载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,宏观变形量的大小,韧性断裂,脆性断裂,断裂前发生明显的宏观塑形变形,断裂前不发生塑形变形,断裂前,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性断裂,脆性断裂,脆性断裂没有明显征兆，危害性极大。,断裂前发生明显塑性变形，警告人们注意，不会造成严重事故,两种断裂的危害性对比,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性断裂,脆性断裂,断裂后断口齐平，由无数的小平面组成,足够的伸长量才断裂，断口为杯形
25、，呈暗灰色纤维状,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性断裂,脆性断裂,裂纹源或微裂纹逐渐扩展到一临界长度的过时，立刻发生断裂,1. 材料在外力下的微裂纹 2. 原有的内部缺陷（微裂纹、空孔、杂质等）,裂纹源,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性断裂,脆性断裂,裂纹萌生和裂纹扩展的过程,裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段 特点：裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢 失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段 特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在
26、该材料中的传播速度,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性断裂,脆性断裂,裂纹萌生和裂纹扩展的过程,裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段 特点：裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢 失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段 特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断
27、裂,一、韧断和脆断的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是材料轻度和塑性的综合表现。,评定材料韧性的力学性能是：冲击韧性和断裂韧性,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,二、冲击韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,冲击载荷与静载荷的主要区别： 在加载速率不同，前者加载速率高，后者加载速率低。 应变速率增加，使材料变脆倾向增大。,冲击韧性：用来评定材料在冲击载荷下的脆断倾向。,冲击韧性：用指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用标准试样的冲击吸收功Ak表示。,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,二、冲击
28、韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,冲击韧性试验：,基本原理： 用一定质量的物体以一定的速度冲击一定形状的试样，测量断裂试样需要的能量，以此能量值表示该材料的冲击韧性。,势能,摆锤的运动速率为5m/s,试样的应变速率约为,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,二、冲击韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,冲击韧度：,衡量材料冲击韧性的力学性能指标,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,三、断裂韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,针对防止脆性断裂：,传统的设计方法要求：,1.要求零件的工作应力,2.要求材料有足够的塑性、和韧性,不可能可靠地保证
29、零件不发生低应力脆断。 原因：没考虑一般材料中都存在着微小的宏观裂纹。,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,三、断裂韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,断裂力学的发展：,提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标： 断裂韧度,度,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,三、断裂韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,断裂韧度 ：材料的固有特性，基本力学常数，对成分、组织敏感，可以通过合金化、热处理来改变。,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,三、断裂韧性及衡量指标,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,断裂力学的发展：,提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标： 断
30、裂韧度,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,一定条件,决定材料断裂类型的主要因素：,加载方式和材料本质：温度和加载速度应力集中零件尺寸,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,1. 加载方式和材料本质：,以主平面为单元体的各面则称为主单元体,从变形体内任意点取出的单元体称为原始单元体,主单元体的各表面上只有正应力，没有切应力,对平面应力状态，z平面也为一个主平面，其上的主应力为零。,故平面应力状态有三个主应力：,按代数值大小排列为 1 2 3,分别称
31、为第一主应力，第二主应力，第三主应力，,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,1. 加载方式和材料本质：,最大切应力：,最大正应力：,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,2. 温度和加载速度：,屈服强度：,正断强度：,韧脆转变温度,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,3. 应力集中：,由于构件几何形状突变造成局部应力急剧增高,应力
32、集中的程度由应力集中因数K 表示,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,3. 应力集中：,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,四、影响脆断的因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,决定材料断裂类型的主要因素：,平面应力状态，在Z方向可以自由变形。 平面应变状态，Z方向弹性约束阻止了该方向的变形。,第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂,总 结,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,第三节 零件在交变载荷下的疲
33、劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。,参量：,最大应力,最小应力：,应力幅,平均应力,应力比,应力变程,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。,火车轴（弯曲） 曲轴（扭转）,连杆 小拉大压,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。,齿轮齿根 （弯曲）,缸盖螺钉大拉小压,第三节 零件在交变载荷
34、下的疲劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。,齿轮齿根 （弯曲）,缸盖螺钉大拉小压,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,一. 疲劳的基本概念,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,疲劳断裂之特点（较之静载和冲击载荷下的断裂）,引起疲劳的应力很低，通常低于静载下的屈服强度； 断裂时无明显的宏观塑性变形； 即使在静载和冲击载荷下有大量塑性变形的塑性材料，疲劳断裂也表现出脆断的宏观特征，危险性极大 疲劳断口能清楚地显示出裂纹的形成、扩展和最后断裂三个阶段,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,二. 疲劳断口的特征,第一
35、章 机械零件（或器件）的失效分析,典型的疲劳断口形貌由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区三部分组成。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,二. 疲劳断口的特征,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,1.疲劳源区: 材料内部缺陷零件局部区域造成应力集中该区域产生疲劳裂纹,2.疲劳裂纹扩展区: 疲劳裂纹形成后继续扩展长大载荷大小的改变裂纹张开和闭合扩展区留下一条条光亮的弧线（疲劳裂纹前沿线） 贝壳状海滩状,3.最后断裂区: 疲劳裂纹不断扩展零件有效截面逐渐减小应力增加超过材料断裂强度时放射状断裂。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失
36、效分析,无裂纹零件的疲劳,带裂纹零件的疲劳,经历扩展和最后断裂两个阶段,经历裂纹形成、扩展和最后断裂三个阶段,疲 劳,不同的抗力指标,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度,材料承受的交变应力与断裂循环周次之间的关系曲线,1.无裂纹零件的疲劳抗力指标,愈大，循环周次愈小；愈小，断裂循环周次愈大。,低周疲劳,高周疲劳,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,（1）疲劳极限和过载持久值,1.无裂纹零件的疲劳抗力指标,疲劳极限：当应
37、力低于 时，即使循环无限多次也不会发生疲劳断裂，曲线水平部分对应的应力 ，就是疲劳极限。,过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的应力循环周次。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,（2）疲劳缺口敏感度,1.无裂纹零件的疲劳抗力指标,疲劳缺口敏感度：,缺口类型：,孔、圆角、槽、台阶等,应力集中系数：,疲劳缺口系数：,光滑件疲劳极限： 缺口件疲劳极限：,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,（2）疲劳缺口敏感度,1.无裂纹零件的疲劳抗力指标,q
38、=0 时：,缺口不降低疲劳极限,q=1 时：,缺口严重降低疲劳极限,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,含有原始裂纹或缺陷的零件，裂纹扩展是决定疲劳寿命的主要因素,2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标,疲劳裂纹扩展曲线：裂纹长度随应力循环周次N的变化。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标,疲劳裂纹扩展曲线：裂纹长度随应力循环周次N的变化。,疲劳裂纹扩展速率：,增大到无限大,裂纹失稳扩展，试样断裂，断裂循环周次为,第三节 零件在交变
39、载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标,与应力幅、裂纹长度a 有关。,疲劳裂纹扩展速率：,裂纹尖端应力场强度因子：,疲劳裂纹尖端应力场强度因子幅 K：,控制疲劳裂纹扩展的力学参数,做出曲线：,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标,曲线分为三个阶段：,1.裂纹初始扩展阶段,为交变应力作用下裂纹不扩展的最大应力场强度因子幅值,称为疲劳裂纹扩展门槛值。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第
40、一章 机械零件（或器件）的失效分析,2. 带裂纹零件的疲劳抗力指标,曲线分为三个阶段：,2.疲劳裂纹亚稳扩展阶段,两条直线,3.疲劳裂纹失稳扩展阶段,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,3. 影响疲劳抗力的因素,（1）.载荷类型,同种材料，载荷类型不一样，其应力状态不一样，疲劳极限也不同。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,3. 影响疲劳抗力的因素,（2）.材料本质,材料不同，其疲劳曲线不同，则疲劳极限和过载持久值不同。 材料的疲劳极限主要取决于材料的抗
41、拉强度。,材料一定时，其纯度和组织状态对疲劳抗力有显著影响。夹杂物成为疲劳裂纹源，导致疲劳抗力下降。组织状态不同，强度高者，疲劳极限高。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,3. 影响疲劳抗力的因素,（3）.零件表面状态,零件在冷、热加工过程中产生的缺陷：脱碳、裂纹、刀痕、碰伤等 ，使疲劳极限降低。,零件表面粗糙，还使疲劳曲线左移，即缩短了过载下的疲劳寿命。,第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂,三. 疲劳抗力指标及其影响因素,第一章 机械零件（或器件）的失效分析,3. 影响疲劳抗力的因素,（4）.工作温度,高温使材料的屈服强
42、度降低，疲劳裂纹易形成和扩展，顾降低了疲劳极限和疲劳裂纹扩展值，增加了疲劳裂纹扩展速率。,（5）.腐蚀介质,零件在腐蚀介质（酸、碱、盐水、海水等）中工作时，表面的腐蚀坑成为疲劳裂纹源，使疲劳极限和门槛值，裂纹扩展率提高。使钢铁材料疲劳曲线上的水平部分消失。,第四节 零件的磨损失效,磨损：零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质损耗的表现,磨损是零件失效的一种形式，也是决定机械寿命的重要因素。,发动机中气缸套的磨损量超过允许值或活塞环受磨损后其开口间隙明显增大，都引起发动机功率不足，耗油量增加，产生噪音和故障等，此时必须更换气缸套和活塞环。汽缸套筒磨损量大小决定发动机的大修期。,第四节 零件的磨
43、损失效,磨损的基本类型：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损（接触疲劳）,1. 粘着磨损：滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。,一. 磨损的基本类型,第四节 零件的磨损失效,磨损的基本类型：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损（接触疲劳）,粘着磨损是在滑动摩擦条件下，力学性能相差不大的两种金属之间发生的最常见的磨损形式。如图,一. 磨损的基本类型,第四节 零件的磨损失效,2. 磨粒磨损： 也叫磨料磨损，是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区存在硬质磨粒（外界进入的磨料或表面剥落的碎屑） 使磨面发生局部
44、塑性变形、磨粒嵌入和被磨粒切割等过程，以致磨面材料逐渐损耗的一种磨损，如图,第四节 零件的磨损失效,2. 磨粒磨损：,磨粒磨损是机械零件中普遍存在的一种磨损形式，磨损速度较大，可达,例子：,1. 农业机械和矿山机械的齿轮常发生严重的磨粒磨损； 2. 汽车、拖拉机气缸进入灰尘，润滑油带入污物发生磨粒磨损。,第四节 零件的磨损失效,3. 腐蚀磨损： 腐蚀磨损是在摩擦力和环境介质联合作用下，金属表层的腐蚀产物剥落和金属磨面间的机械磨损（粘着磨损和磨粒磨损）相结合的一种磨损。,腐蚀气氛的腐蚀磨损,氧化磨损,机件嵌合部位的微动磨损,水利机中的冲蚀磨损,包括：,第四节 零件的磨损失效,氧化磨损：当摩擦副表
45、面相对运动时，在发生塑性变形的同时，零件表面已形成的氧化膜在摩擦接触点处遭到破坏，紧接着又在该处立即形成新的氧化膜，这种氧化膜不断从金属表面脱离又反复形成，造成金属表面物质不断损耗的过程。,普遍性：1.不论任何摩擦过程；任何摩擦速度；2.接触压力大小；3.是否存在润滑油,都会发生,第四节 零件的磨损失效,2). 微动磨损： 在机械的嵌合部位，如嵌合连接的汽轮机叶片的叶根部位，以及紧配合处，如轴套与轴的配合处（图）虽然配合面之间没有明显的相对位移，但在外部交变载荷作用和震动的影响下却产生微小的相对滑动dl(2-20m),此时配合表面上产生大量褐色（钢质机件表面）或黑色（铝或镁合金机件表面）的粉末
46、状磨损产物。,特点：微动磨损集中在局部区域，两摩擦表面不脱离，磨损物不容易排除，兼有氧化磨损、磨粒磨损和黏着磨损的作用。,危害: 在微动磨损区形成一定深度的磨痕蚀坑，叫咬蚀。 精度、性能下降、引起应力集中，促使疲劳。,第四节 零件的磨损失效,4. 接触疲劳： 零件（如齿轮、滚动轴承、钢轨和轮箍等）两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下，引起的一种表面疲劳剥落破坏而使物质损耗的现象，表现为接触表面上出现许多针状或痘状的凹坑，称为麻点也叫麻点磨损或疲劳磨损。,少数麻点时，仍能工作，麻点剥落严重时，零件失效。后果：齿轮有大量麻点后，啮合恶化，噪声增大，振动增加，附加冲击力，磨
47、损加剧，齿根折断,第四节 零件的磨损失效,接触疲劳也是裂纹形成和扩展的过程，其破坏的三种形式： 1、裂纹源于表层的麻点剥落：它是零件在有滚动并滑动，其表面有沿滚动方向的摩擦力时，并有润滑油存在的情况下产生的。 零件表面切应力大，裂纹首先在表面形成，润滑油进入裂纹被封闭时，裂纹内壁产生很大内应力，加速裂纹扩展引起麻点剥落。 2、裂纹源于次层的麻点剥落：它是裂纹在纯滚动或光洁、摩擦力很小、接近于纯滚动的情况下产生的。 零件次表面处的切应力最大，发生塑性变形而形成，在交变切应力作用下裂纹不断向表面扩展而造成剥落，留下一个比较平直的坑。,第四节 零件的磨损失效,接触疲劳也是裂纹形成和扩展的过程，其破坏
48、的三种形式：3、硬化层剥落：这种剥落只发生在经过表面硬化处理如表面淬火表面化学热处理的零件上。 零件经表面硬化后，硬化层中形成残留压应力，和心部和交界处发生残留压应力向残留拉应力的转移，当残留应力与接触应力引起的综合切应力大于材料的屈服极限时，该处产生塑性变形形成裂纹，向表面而造成大块剥落。,第四节 零件的磨损失效,1、粘着磨损（1）合理选择摩擦副配对材料异类材料比同类材料配对磨损量小；多相合金比单相合金配对磨损量小。硬度差大的比硬度差小的配对磨损量小；金属与非金属配对磨损量小。,减小接触压力和摩擦系数、增加材料硬度、改善润滑条件都有利于提高零件零件的抗磨损能力,三。提高零件磨损抗力的途径：,
49、第四节 零件的磨损失效,（2）采用表面处理减小摩擦因数或提高表面硬度 磷化、渗碳、渗氮、渗硅、渗流、表面淬火，热喷涂等方法提高黏着磨损抗力。 （3）减小接触压应力 粘着磨损量随接触压应力增大而增加，接触压力超过材料硬度值的1/3时，黏着磨损加剧。 （4）减小表面粗糙度值 零件表面粗糙度减小可增加接触面积，从而减小接触压应力,三。提高零件磨损抗力的途径：,第四节 零件的磨损失效,2、磨粒磨损 1）设计时，减小接触压力和滑动摩擦距离及改善润滑 2）合理选用高硬度材料图高碳钢、高碳合金钢、耐磨铸铁、陶瓷等 3）采用表面处理（如表面淬火、渗碳、渗氮、热喷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。提高零件磨损抗力的途径：,第四节 零件的磨损失效,3、氧化磨损 氧化磨损速度取决于氧化膜性质及氧化物与基体金属的结合力。 凡提高基体金属表面硬度或形成与基体金属牢固结合的致密氧化膜的一切表面处理方法，如渗碳、渗氮蒸汽处理等,
