緒論與機(jī)械零件的失效分析.ppt

緒 論,機(jī)械工程材料的定義、分類和常用的性能指標(biāo)； 學(xué)習(xí)本門課程的目的。,一 機(jī)械工程材料的定義和分類,1 、 定義 機(jī)械工程材料主要指用于機(jī)械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等領(lǐng)域的材料。,2、 分類 （按化學(xué)成分分類） 金屬材料 (綜合性能好，用量最大、應(yīng)用范圍最廣) 高分子材料 (質(zhì)輕、 耐腐蝕，常用于化工、機(jī)械、航 空航天等) 陶瓷材料 （高電強(qiáng)、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于 電器、化工、航空航天等等） 復(fù)合材料 （輕、高的比強(qiáng)度、比剛度，結(jié)合兩種材 料的性能優(yōu)點(diǎn)，用于航空航天等領(lǐng)域）,二 機(jī)械工程材料的常用性能,三、 學(xué)習(xí)機(jī)械工程材料的目的,（1） 獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基本理論知識(shí)，了解各種機(jī)械工程材料的基本特性和應(yīng)用范圍； （2）在了解材料性能和設(shè)計(jì)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，可根據(jù)零件的工作條件和失效形式，正確設(shè)計(jì)和合理選材； （3）能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、外界條件（溫度、環(huán)境介質(zhì)）改變對(duì)材料性能的影響，正確制定零件的冷、熱加工工藝路線。,第一章 機(jī)械零件的失效分析,本章主要內(nèi)容 零件的過量變形以及性能指標(biāo) 零件的斷裂及性能指標(biāo) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標(biāo) 零件的磨損失效以及防止 零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,關(guān)于失效的基本概念,1 零件（構(gòu)件）的功能 （1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸； （2）實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng)； （3）傳遞力和能。,失效的定義和形式 定義: 零件失去設(shè)計(jì)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(biāo)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什么性能指標(biāo)? 發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標(biāo)有哪些?,問 題,一、材料的靜載性能指標(biāo),剛度和強(qiáng)度指標(biāo) 彈性和塑性指標(biāo) 硬度指標(biāo) 韌性指標(biāo)（放在斷裂中講）,1、剛度,剛度：零構(gòu)件載受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。,2、強(qiáng)度、彈性塑性指標(biāo),試樣的靜拉伸過程,（1）強(qiáng)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(qiáng)度ss 抗拉強(qiáng)度sb 斷裂強(qiáng)度sk,（2）彈性和塑性指標(biāo) 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(biāo)：彈性能（彈性比功）m 塑性指標(biāo)：斷后伸長率d 斷面收縮,硬度 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。 硬度指標(biāo)：物理意義與試驗(yàn)方法有關(guān),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(yīng)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,二、過量變形失效,過量彈性變形及抗力指標(biāo) （1）零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形失效： DlDl (拉壓或者彎曲條件下） 或者 q q （扭轉(zhuǎn)條件下） （2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠 （3）抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G,過量塑性變形及抗力指標(biāo) （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(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠 （3）抗力指標(biāo)：比例極限、彈性極限和屈服極限,總 結(jié),零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足 抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G,強(qiáng) 調(diào)！ 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。,本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標(biāo)及應(yīng)用,剛度：剛度設(shè)計(jì)中，考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零構(gòu)件,彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等,屈服強(qiáng)度和塑性：一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。,硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承等.,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(gè)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(píng)價(jià)材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？ 材料韌性指標(biāo)的含義及應(yīng)用？,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(gè)或者兩個(gè)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(kuò)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。,韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌,韌性斷口,脆性斷口,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),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(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。 衡量指標(biāo)：沖擊吸收功Ak 沖擊韌度ak(ak Ak/Fk ) 應(yīng)用：評(píng)價(jià)材料韌性的好壞，與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計(jì)。 低溫沖擊試驗(yàn)：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK),材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),斷裂韌度KIC: 是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2 應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材） KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件 3 應(yīng)用場合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。,四、影響脆性斷裂的因素,溫度和加載速度 應(yīng)力集中 零件尺寸,總 結(jié),材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂 材料的韌性指標(biāo)：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個(gè)用于評(píng)價(jià)材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計(jì)。 材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方法改變。,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(gè)部分組成？ 疲勞抗力指標(biāo)有哪些？在設(shè)計(jì)中如何使用這些指標(biāo)？,一、基本概念,交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。 疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)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(kuò)展、最后斷裂。,二、疲勞斷口的特點(diǎn),疲勞斷口,示意圖,疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌,三、疲勞抗力指標(biāo),無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)：,疲勞極限 過載持久值,疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。,疲勞曲線,圖111 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）,過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。,高周疲勞：Nf105 低周疲勞: Nf105,2 帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo),裂紋擴(kuò)展速率（da/dN) 疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(DKth）,四、影響疲勞抗力的因素,載荷類型 材料本質(zhì) 零件表面狀態(tài) 工作溫度 腐蝕介質(zhì),總 結(jié),疲勞斷裂是零構(gòu)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(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。 工作應(yīng)力s疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)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(kuò)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(jī)理以及防止措施。,一、磨損的基本概念 產(chǎn)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(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。,二、磨損的過程和機(jī)理,粘著磨損 （1）又稱咬合磨損，在滑動(dòng)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(duì)滑動(dòng)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,（3）粘著磨損的特點(diǎn)：磨損速度大；破壞嚴(yán)重。,（4）防止措施 合理選材，摩擦幅配對(duì)材料選用硬度差較大的異類材料； 提高表面硬度； 合理設(shè)計(jì)減小接觸壓應(yīng)力； 減小表面粗糙度。,磨粒磨損 （1）定義：又稱磨料磨損，在滑動(dòng)摩擦?xí)r零件表面存在硬質(zhì)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(dǎo)致零件表面逐漸損耗的一種磨損。,（2）過程,（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(diǎn)磨損） （1）定義：零件工作面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)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(kuò)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(qiáng)度；減小表面粗糙度。,總 結(jié),磨損是機(jī)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(jī)理不同，因此其主要的預(yù)防措施也不同。 提高零件表面硬度，合理設(shè)計(jì)減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對(duì)降低磨損都有利。,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(xué)腐蝕的條件是什么？ 改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么,一、腐蝕的定義和分類,腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。 分類： 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕,二、腐蝕過程及防止 化學(xué)腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）,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(jié)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(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進(jìn)一步氧化。,電化學(xué)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(zhì)溶液中形成微電池。,電化學(xué)腐蝕的過程,陽極：失去電子，MM n+ne(被腐蝕） 陰極：發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng),三、零件防止腐蝕的措施,對(duì)于化學(xué)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(duì)于電化學(xué)腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學(xué)保護(hù)；加緩蝕劑,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(xué)行為有哪些特點(diǎn)？ 什么是蠕變？ 評(píng)價(jià)金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？ 高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？,一、材料在高溫下的力學(xué)行為,1 材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。 2 高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長而降抵。 高溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長而增加。 蠕變：材料在長時(shí)間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。,二、評(píng)價(jià)材料高溫力學(xué)性能指標(biāo) 蠕變極限：高溫長期載荷作用下材料對(duì)塑性變形的抗力指標(biāo)成為蠕變極限。 表示方法（1）在規(guī)定溫度