機械工程材料課件

1、機械工程材料緒 論 材料科學(xué)與社會發(fā)展材料科學(xué)與社會發(fā)展 工程材料及其類別工程材料及其類別 機械工程材料機械工程材料 本課程的目的本課程的目的 本課程的主要內(nèi)容本課程的主要內(nèi)容機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展材料與人類生活材料與人類生活人類社會依據(jù)制造人類社會依據(jù)制造生產(chǎn)工具的材料生產(chǎn)工具的材料來進行歷史劃分來進行歷史劃分 舊石器時代舊石器時代 新石器時代新石器時代 青銅器時代青銅器時代 鐵器時代鐵器時代機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展 舊石器時代（舊石器時代（250萬年前）萬年前） 人類在地球上出現(xiàn)之后，最早使用的工具是石頭。人類在地球上出現(xiàn)之后，最早使用的工具是石頭。機械工程材料一、材

2、料科學(xué)與社會發(fā)展 新石器時代（新石器時代（1萬年前）萬年前） 原始社會末期，開始用火燒制陶器，發(fā)展成原始社會末期，開始用火燒制陶器，發(fā)展成陶瓷陶瓷。機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展 青銅器時代（青銅器時代（4000年前）年前） 奴隸社會，青銅冶煉技術(shù)得到很大發(fā)展。奴隸社會，青銅冶煉技術(shù)得到很大發(fā)展。 我國青銅冶煉始于夏代，商周時代，達到較高水平我國青銅冶煉始于夏代，商周時代，達到較高水平 青銅（銅錫合金）青銅（銅錫合金） 人類發(fā)明的第一種合金人類發(fā)明的第一種合金機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展 鐵器時代（鐵器時代（1400年前，春秋戰(zhàn)國）年前，春秋戰(zhàn)國） 生產(chǎn)工具由青銅器過渡到鐵器，其重大

3、發(fā)展對社會生產(chǎn)工具由青銅器過渡到鐵器，其重大發(fā)展對社會進步起了巨大的推動作用。進步起了巨大的推動作用。漢代漢代“先煉鐵后煉鋼先煉鐵后煉鋼”技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。技術(shù)居世界領(lǐng)先地位。機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展 其他材料其他材料 與陶瓷材料和金屬材料發(fā)展的同時與陶瓷材料和金屬材料發(fā)展的同時天然高分子材料天然高分子材料 棉、麻、絲綢材料棉、麻、絲綢材料功能材料功能材料 磁鐵磁鐵指南針指南針 機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展2. 材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系 18世紀世界工業(yè)迅速發(fā)展，對材料提出了更高要求。世紀世界工業(yè)迅速發(fā)展，對材料提出了更高要求。 1863年光學(xué)

4、顯微鏡，年光學(xué)顯微鏡，1912年年X射線衍射技術(shù)和射線衍射技術(shù)和1932年年電子顯微鏡等儀器出現(xiàn)電子顯微鏡等儀器出現(xiàn) 金屬學(xué)日趨完善，大大推動了金屬材料的發(fā)展金屬學(xué)日趨完善，大大推動了金屬材料的發(fā)展 機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展2. 材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系材料科學(xué)發(fā)展與現(xiàn)代文明的聯(lián)系 現(xiàn)代社會文明的三大支柱：能源、信息和現(xiàn)代社會文明的三大支柱：能源、信息和材料材料 信息時代是建立在信息時代是建立在材料材料的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上 硅半導(dǎo)體硅半導(dǎo)體晶體管晶體管集成電路集成電路計算機計算機 磁性材料磁性材料信息貯存信息貯存 激光材料激光材料+光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維信息傳輸信息傳輸信息網(wǎng)絡(luò)信息網(wǎng)絡(luò) 能

5、源技術(shù)以能源技術(shù)以材料材料為支撐為支撐 再生能源、核能、燃料電池等再生能源、核能、燃料電池等信息時代信息時代機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展3. 現(xiàn)代材料學(xué)現(xiàn)代材料學(xué) 現(xiàn)代材料學(xué)是以金屬學(xué)、高分子材料、陶瓷材料為基礎(chǔ)，現(xiàn)代材料學(xué)是以金屬學(xué)、高分子材料、陶瓷材料為基礎(chǔ)， 研究所有固體材料的成分、組織和性能之間關(guān)系的的一門科學(xué)。研究所有固體材料的成分、組織和性能之間關(guān)系的的一門科學(xué)。 現(xiàn)代社會對材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金屬、現(xiàn)代社會對材料的要求：具有高性能或具有特殊性能的金屬、非金屬及復(fù)合材料。非金屬及復(fù)合材料。 機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展信息社會的材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及材料發(fā)展趨

6、勢：信息社會的材料產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及材料發(fā)展趨勢：從工業(yè)社會向信息社會過渡中從工業(yè)社會向信息社會過渡中 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從勞動密集型、資金密集型向技術(shù)密集型和知識密產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從勞動密集型、資金密集型向技術(shù)密集型和知識密集型發(fā)展集型發(fā)展 勞動對象的結(jié)構(gòu)中金屬材料比重下降、而無機非金屬材料、勞動對象的結(jié)構(gòu)中金屬材料比重下降、而無機非金屬材料、有機合成材料的比重越來越大。有機合成材料的比重越來越大。 機械工程材料一、材料科學(xué)與社會發(fā)展新材料新技術(shù)的應(yīng)用的程度決定一個國家和地區(qū)的新材料新技術(shù)的應(yīng)用的程度決定一個國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平。經(jīng)濟發(fā)展水平。 硅片的發(fā)展及現(xiàn)狀硅片的發(fā)展及現(xiàn)狀 集成度越來越高集成度越來越高 直徑

7、越來越大直徑越來越大 國外：國外：16英寸以上英寸以上 中國：中國：6-8英寸為主流英寸為主流機械工程材料二、工程材料及其類別工程材料的含義：工程材料的含義：工程材料是以用于工程結(jié)構(gòu)和機器零件及元器件的材料為研究對象。主要包括：機械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機械零件的材料。機械工程材料二、工程材料及其類別2. 工程材料的類別：工程材料的類別：工程材料是以用于工程結(jié)構(gòu)和機器零件及元器件的材料為研究對象。主要包括：機械、船舶、化工、建筑、車輛、儀表、航空航天等工程領(lǐng)域中用于制造工程構(gòu)件和機械零件的材料。機械工程材料二、工程材料及其類別2. 工程材料的類別

8、：工程材料的類別：機械工程材料二、工程材料及其類別2. 工程材料的性能：工程材料的性能：使用性能：使用性能：材料在使用條件下具有的性能材料在使用條件下具有的性能（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及生物功能）（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能及生物功能）工藝性能：工藝性能：材料在加工過程中下具有的性能材料在加工過程中下具有的性能（且削加工性能、鑄造性能、壓力加工性能、焊接（且削加工性能、鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能和熱處理性能等）性能和熱處理性能等）機械工程材料三、機械工程材料1. 機械工程材料含義：機械工程材料含義：機械工程材料顧名思義就機械工程中應(yīng)用的材料問題，應(yīng)該是跨越機械和材料兩個學(xué)科，以機

9、械工業(yè)的需求出發(fā)，推動材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時材料科學(xué)的新進展又推動了機械工程技術(shù)的革新和發(fā)展。機械工程材料三、機械工程材料2. 材料技術(shù)對機械工程發(fā)展的促進：材料技術(shù)對機械工程發(fā)展的促進：機械工程材料四、課程的目的 隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對于產(chǎn)品要求越來越高，無隨著機械工業(yè)的發(fā)展，對于產(chǎn)品要求越來越高，無論是制造機床還是建造輪船、石油化工設(shè)備、都要論是制造機床還是建造輪船、石油化工設(shè)備、都要求產(chǎn)品技術(shù)先進，質(zhì)量高、壽命長、造價低。因此求產(chǎn)品技術(shù)先進，質(zhì)量高、壽命長、造價低。因此在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，會遇到越來越多的材料在產(chǎn)品設(shè)計和制造過程中，會遇到越來越多的材料和材料加工方面的問題。這就要求

10、機械工程技術(shù)人和材料加工方面的問題。這就要求機械工程技術(shù)人員掌握必要的材料科學(xué)和材料工程知識，具備準確員掌握必要的材料科學(xué)和材料工程知識，具備準確的選擇材料和加工方法，合理安排加工工藝路線。的選擇材料和加工方法，合理安排加工工藝路線。機械工程材料四、課程的目的機械制造與材料：結(jié)構(gòu)機械制造與材料：結(jié)構(gòu)性能性能加工工藝加工工藝u內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能：材料的性能來源于該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這是對工程師和學(xué)者最具有重要價值的一個原則。u加工工藝與性能：材料必須進行加工，以滿足工程師對所設(shè)計產(chǎn)品的要求，目的是要了解結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)，以便于制定適當(dāng)?shù)墓に嚵鞒?。u使用行為：在材料的選用中，不僅要考慮初始要求，而且要考慮

11、使那些材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料性能發(fā)生變化的使用條件。機械工程材料四、課程的目的課程的目的：課程的目的：獲得有關(guān)工程結(jié)構(gòu)和機器零件常用的金屬材料，非金屬材料的基本理論知識和性能特點，并初步具備根據(jù)零件工作條件和失效方式，合理選材與使用材料，正確制定零件的冷、熱加工工藝路線的能力。l 了解材料的性能與設(shè)計的關(guān)系l了解各種材料的基本特性和應(yīng)用范圍機械工程材料四、課程的目的機械工程材料五、課程的主要內(nèi)容機械零件的失效形式；金屬材料的基本知識、熱處理基本原理、常用金屬材料的性能特點及應(yīng)用；非金屬材料（高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料）和功能材料的基本知識和性能特點及引用；材料改性新技術(shù)；機械零

12、（構(gòu)）件設(shè)計、選材的基本方法及工程材料在典型機械上的應(yīng)用。機械工程材料主要參考文獻機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析失效的基本概念失效的基本概念 1. 零件（構(gòu)件）的功能：零件（構(gòu)件）的功能：（1）在一定的載荷、介質(zhì)、溫度作用下保持一定幾何形狀和尺寸；（2）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動；（3）傳遞力和能量。2. 失效失效的定義和形式：的定義和形式：定義：零件失去設(shè)計所要求的效能即為失效。應(yīng)用前、應(yīng)用中、突發(fā)機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析學(xué)習(xí)失效的目的學(xué)習(xí)失效的目的 機械設(shè)計者機械設(shè)計者為了防止零件失效為了防止零件失效 設(shè)計正

13、確設(shè)計正確選材恰當(dāng)選材恰當(dāng)工藝合理工藝合理工作條件工作條件-對材料的性能要求對材料的性能要求正確選材正確選材制定制定工藝路線工藝路線確定失效的抗力指標確定失效的抗力指標機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 斷裂的大橋斷裂的大橋機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析失效的原因失效的原因 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計多方面因素多方面因素材料選擇材料選擇加工制造加工制造裝配調(diào)整裝配調(diào)整使用與保養(yǎng)使用與保養(yǎng)機械工程材料第一章 機械零件

14、（或器件）的失效分析失效的本質(zhì)失效的本質(zhì) 1. 失效的本質(zhì)：失效的本質(zhì)：外界載荷、溫度、介質(zhì)等損害作用超過了材料抵抗損害的能力。2. 常見的常見的失效失效形式：形式：過量變形、斷裂、磨損和腐蝕機械工程材料第一章 機械零件（或器件）的失效分析本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 過量變形過量變形 斷裂斷裂 疲勞斷裂疲勞斷裂 磨損失效磨損失效 腐蝕失效腐蝕失效 蠕變變形和斷裂失效蠕變變形和斷裂失效機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形變形：材料在外力作用下產(chǎn)生的形狀或尺寸的變化變形：材料在外力作用下產(chǎn)生的形狀或尺寸的變化第一章 機械零件（或器件）的失效分析外力去除變形恢復(fù)？彈性變形：變形能夠恢復(fù)彈性變

15、形：變形能夠恢復(fù)塑性變形：變形不能夠恢復(fù)塑性變形：變形不能夠恢復(fù)機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為由APANll曲線lPPPl機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為低碳鋼拉伸試驗低碳鋼拉伸試驗機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)

16、力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為低碳鋼拉伸試驗低碳鋼拉伸試驗機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為低碳鋼拉伸時應(yīng)力低碳鋼拉伸時應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變

17、行為應(yīng)變行為oaoa段比例極限段比例極限 Pabab段彈性極限段彈性極限 e（一）四個階段（一）四個階段1、彈性階段abOpesabccdefgdf 1bcccc應(yīng)力不增加變形不斷增加稱為應(yīng)力不增加變形不斷增加稱為屈服，該段的最低應(yīng)力稱為屈服應(yīng)屈服，該段的最低應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力力 ，在材料屈服后若卸載出現(xiàn)不，在材料屈服后若卸載出現(xiàn)不能恢復(fù)的變形成為塑性變形。能恢復(fù)的變形成為塑性變形。s2 、 屈 服 階 段cc機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)

18、變行為應(yīng)變行為（一）四個階段3、強化階段ceOpesabccdefgdf 1b4、局部變形階段ef材料恢復(fù)抵抗變形的能力稱材料恢復(fù)抵抗變形的能力稱為強化強度極限為強化強度極限b變形集中于某一局部范圍頸縮變形集中于某一局部范圍頸縮斷裂斷裂機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為（一）四個階段低碳鋼在拉伸應(yīng)力作用下的變形過程分為：彈性變形、屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形四個階段。機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變

19、形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析低碳鋼拉伸曲線的低碳鋼拉伸曲線的4個階段、個階段、3個特征點個特征點OB：彈性階段（卸載可逆）：彈性階段（卸載可逆） P e s bABCCDEO A：比例極限：比例極限 PB：彈性極限：彈性極限 eBC：屈服階段：屈服階段（出現(xiàn)塑性變形）（出現(xiàn)塑性變形）（兩者很接近）（兩者很接近） =E =E E=tan C：屈服極限：屈服極限 s機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形 CD:強化階段強化階段D：強度極限：強度極限 b DE：縮頸階段：縮頸階段（局部收縮階段）（局部收縮階段

20、） 0 p e t e:彈性應(yīng)變彈性應(yīng)變 ， p:塑性應(yīng)變（不可逆的殘余應(yīng)變）塑性應(yīng)變（不可逆的殘余應(yīng)變） P e s bABCCDEO =E 屈服極限提高：屈服極限提高：冷作硬化冷作硬化，在，在CD段內(nèi)卸載曲線為彈性直線段內(nèi)卸載曲線為彈性直線E：斷裂點：斷裂點機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形一一. 工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 其他類型材料的應(yīng)力其他類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為彈性變形、彈性變形、塑性變形塑性變形彈性變形彈性變形非線性彈非線性彈性變形性變形1純金屬純金屬（Al、Cu、Ag等）等）2

21、脆性材料脆性材料（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）（陶瓷、白口鑄鐵、淬火高碳鋼）3高彈性材料高彈性材料（橡膠）（橡膠）機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 其他類型材料的應(yīng)力其他類型材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為應(yīng)變行為1234102030 (%)0100200300400500600700800900 (MPa)1、錳鋼、錳鋼 2、硬鋁、硬鋁 3、退火球墨鑄鐵、退火球墨鑄鐵 4、低碳鋼、低碳鋼特點：特點：d d 較大，為塑性材料。 無明顯屈服階段。O A0.2%S2 . 0p無明顯屈服階段的，規(guī)定以塑性應(yīng)變 =0.2%所對應(yīng)的應(yīng)力作為名義屈服極限，記作p2

22、 . 0p機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析 剛度和強度指標剛度和強度指標 彈性和塑性指標彈性和塑性指標 硬度指標硬度指標機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析1. 剛度和強度指標剛度和強度指標（1） 剛度剛度定義：剛度是指零（構(gòu)）件在受力時抵抗彈性變形的能力定義：剛度是指零（構(gòu)）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(gòu)）件截面積的乘積。等于材料彈性模量與零（構(gòu)）件截面積的乘積。單向拉伸時：單向拉伸時：F AE即即FEA純剪切

23、時：純剪切時：FAG即即FGAEAEA（或（或GAGA）為零件的剛度，代表產(chǎn)生單位彈性變形所需載荷的大小。）為零件的剛度，代表產(chǎn)生單位彈性變形所需載荷的大小。彈性模量彈性模量E E( (或切變模量或切變模量G G) )是表征材料是表征材料剛度的性能指標剛度的性能指標(why)(why)機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析1. 剛度和強度指標剛度和強度指標（2） 強度強度定義：強度是指材料抵抗變形或斷裂的能力定義：強度是指材料抵抗變形或斷裂的能力機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能

24、指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析1. 剛度和強度指標剛度和強度指標（2） 強度強度是材料應(yīng)力和應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力是材料應(yīng)力和應(yīng)變成正比的最大應(yīng)力是不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力是不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力是材料開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力是材料開始產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)力是材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力是材料產(chǎn)生最大均勻塑性變形的應(yīng)力是材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力是材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（1） 彈性：指材料彈性變形的大小。彈性：指材料彈性變形的大小。彈性能為應(yīng)力彈性能為應(yīng)

25、力-應(yīng)變曲線下面彈性變形部分所包圍的面積。應(yīng)變曲線下面彈性變形部分所包圍的面積。通常用彈性變形時的吸收能通常用彈性變形時的吸收能 u 來表示。來表示。材料的彈性極限越高，彈性模量材料的彈性極限越高，彈性模量E越低，彈性能越大，材越低，彈性能越大，材料的彈性越好。料的彈性越好。彈性指標彈性指標彈性能彈性能機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（2） 塑性：指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性：指材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。、越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。通常用斷后伸長率通

26、常用斷后伸長率和斷面收縮率和斷面收縮率來衡量。來衡量。伸長率伸長率塑性指標塑性指標伸長率伸長率和斷面收縮率和斷面收縮率100100%LLLd010100%AAA斷面收縮率斷面收縮率機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標國家標準規(guī)定金屬拉伸試驗方法（GB2282002)LL=10d L=5d對圓截面試樣：對矩形截面試樣：AL3 .11AL65. 5機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑

27、性指標機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（3） 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。物理意義由試驗方法決定。物理意義由試驗方法決定。莫氏硬度莫氏硬度表示礦物硬度的一種標準。表示礦物硬度的一種標準。 應(yīng)用應(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物礦物的表面而發(fā)生劃痕的表面而發(fā)生劃痕 用測得的劃痕的深度分十級來表示硬度硬度 機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的

28、失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標莫氏硬度莫氏硬度表示礦物硬度的一種標準。表示礦物硬度的一種標準。機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標肖氏硬度肖氏硬度彈性回跳法硬度值表征材料彈性功的大小。彈性回跳法硬度值表征材料彈性功的大小。 應(yīng)用彈性回跳法將撞銷從一定高度落到所試材料的表面上而 發(fā)生回跳。撞銷是一只具有尖端的小錐，尖端上常鑲有金剛鉆。用測得的撞銷回跳的高度來表示硬度。 機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的

29、失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標壓入法硬度值壓入法硬度值表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力表征材料的塑性變形抗力及應(yīng)變硬化能力（3） 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。工業(yè)中應(yīng)用最廣泛工業(yè)中應(yīng)用最廣泛以硬質(zhì)合金或金剛石錐體為壓頭以硬質(zhì)合金或金剛石錐體為壓頭布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（3） 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。布氏硬度布氏硬度H

30、BWP2222()()21(11 sin)22PPHBDFDDdPD壓材料為淬火鋼和硬質(zhì)合金機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（3） 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。洛氏硬度洛氏硬度HRC()1000.002()t mmHRCmm常用洛氏硬度為C級，用150kgf的載荷將一個120圓錐形金剛石壓頭壓入金屬表面A級載荷為60kgf, B級為100kgf機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形二二. 靜載性能指標靜載性能指標第一章 機械零件（或

31、器件）的失效分析2. 彈性和塑性指標彈性和塑性指標（3） 硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。維氏硬度維氏硬度HV22136sin2PHVd以一定大小的載荷P,將一個金剛石四棱錐壓入金屬表面，單位壓痕面積上的載荷即為金屬的維氏硬度，單位kgf/mm機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形三三. 過量變形失效過量變形失效第一章 機械零件（或器件）的失效分析概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效1. 過量彈性變形及其抗力指標過量彈性變形及其抗力指標鏜床鏜桿鏜床鏜桿被加工零被加工零件的精度

32、件的精度較小彈性變形較小彈性變形本身由于本身由于剛度不足剛度不足過量彈性變形過量彈性變形鏜出的孔偏小、錐度，影響加工精度、廢品鏜出的孔偏小、錐度，影響加工精度、廢品齒輪軸過量變形齒輪軸過量變形加速齒輪磨損，增加噪聲加速齒輪磨損，增加噪聲彈簧過量變形彈簧過量變形不能達到承載能力不能達到承載能力機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形三三. 過量變形失效過量變形失效第一章 機械零件（或器件）的失效分析概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效1. 過量彈性變形及其抗力指標過量彈性變形及其抗力指標剛度：零構(gòu)件受力時抵抗彈性變

33、形的能力。剛度：零構(gòu)件受力時抵抗彈性變形的能力。（一）零構(gòu)件過量彈性變形的條件（一）零構(gòu)件過量彈性變形的條件拉壓條件下：拉壓條件下：彎曲條件下：彎曲條件下：FllEA 334l FlEt 扭轉(zhuǎn)條件下：扭轉(zhuǎn)條件下：npMGI許可彈性變形量，扭轉(zhuǎn)角機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形三三. 過量變形失效過量變形失效第一章 機械零件（或器件）的失效分析概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效1. 過量彈性變形及其抗力指標過量彈性變形及其抗力指標（二）過量彈性變形的原因（二）過量彈性變形的原因零構(gòu)件的剛度不夠零構(gòu)件的剛度

34、不夠（三）抗力指標（三）抗力指標彈性模量彈性模量E 或切變模或切變模G（三）不同材料的彈性模量（三）不同材料的彈性模量機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形三三. 過量變形失效過量變形失效第一章 機械零件（或器件）的失效分析概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效1. 過量彈性變形及其抗力指標過量彈性變形及其抗力指標彈性模量彈性模量E 或切變?；蚯凶兡,主要取決于材料中原子本性和原子間結(jié)合力。主要取決于材料中原子本性和原子間結(jié)合力。熔點越高，彈性模量也越高，隨溫度升高而降低。熔點越高，彈性模量也越高，隨溫度升高而

35、降低。金屬材料的金屬材料的E取決于基體金屬的性質(zhì)，取決于基體金屬的性質(zhì)，不能不能通過合金化、熱處理、冷變通過合金化、熱處理、冷變形等方法使之改變。形等方法使之改變。機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形三三. 過量變形失效過量變形失效第一章 機械零件（或器件）的失效分析概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效概念：由于彈性或塑性變形超過了允許量而導(dǎo)致零（構(gòu)）件失效2. 過量塑性變形及其抗力指標過量塑性變形及其抗力指標機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形總總 結(jié)結(jié)第一章 機械零件（或器件）的失效分析機械工程材料第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形應(yīng)應(yīng) 用用第一章

36、機械零件（或器件）的失效分析機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析斷裂：斷裂：材料在應(yīng)力作用下分為兩個或兩個以上的部分現(xiàn)象材料在應(yīng)力作用下分為兩個或兩個以上的部分現(xiàn)象機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析宏觀變形量宏觀變形量的大小的大小韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑形變形斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑形變形斷裂前不發(fā)生塑形變形斷裂前不發(fā)生塑形變形斷裂前機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下

37、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第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂脆性斷裂沒有明顯征兆，脆性斷裂沒有明顯征兆，危害性極大。危害性極大。斷裂前發(fā)生明顯塑性變形，警告斷裂前發(fā)生明顯塑性變形，警告人們注意，不會造成嚴重事故人們注意，不會造成嚴重事故兩種斷裂的危害性對比兩種斷裂的危害性對比機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂斷裂后斷口齊平，由無數(shù)斷裂后斷口齊平，由無數(shù)的小平面組成的小平面組成足夠的伸長量才斷裂，斷口為足夠

38、的伸長量才斷裂，斷口為杯形，呈暗灰色纖維狀杯形，呈暗灰色纖維狀機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂裂紋源或微裂紋逐漸擴展裂紋源或微裂紋逐漸擴展到一臨界長度的過時，立到一臨界長度的過時，立刻發(fā)生斷裂刻發(fā)生斷裂1. 1. 材料在外力下的微裂紋材料在外力下的微裂紋2. 2. 原有的內(nèi)部缺陷（微裂原有的內(nèi)部缺陷（微裂紋、空孔、雜質(zhì)等）紋、空孔、雜質(zhì)等）裂紋源裂紋源機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（

39、或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂裂紋萌生和裂紋擴展的過程裂紋萌生和裂紋擴展的過程裂紋亞穩(wěn)擴展階段裂紋亞穩(wěn)擴展階段：裂紋自形成到擴展至臨界擴展階段裂紋自形成到擴展至臨界擴展階段特點：特點：裂紋擴展阻力大，擴展速度較慢裂紋擴展阻力大，擴展速度較慢失穩(wěn)擴展階段失穩(wěn)擴展階段：裂紋達到臨界長度后的擴展階段裂紋達到臨界長度后的擴展階段特點：特點：裂紋擴展阻力小，擴展速度快，可達聲音在該材料中的傳播速度裂紋擴展阻力小，擴展速度快，可達聲音在該材料中的傳播速度機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌

40、性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂裂紋萌生和裂紋擴展的過程裂紋萌生和裂紋擴展的過程裂紋亞穩(wěn)擴展階段裂紋亞穩(wěn)擴展階段：裂紋自形成到擴展至臨界擴展階段裂紋自形成到擴展至臨界擴展階段特點：特點：裂紋擴展阻力大，擴展速度較慢裂紋擴展阻力大，擴展速度較慢失穩(wěn)擴展階段失穩(wěn)擴展階段：裂紋達到臨界長度后的擴展階段裂紋達到臨界長度后的擴展階段特點：特點：裂紋擴展阻力小，擴展速度快，可達聲音在該材料中的傳播速度裂紋擴展阻力小，擴展速度快，可達聲音在該材料中的傳播速度機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷

41、裂脆性斷裂裂紋形成后經(jīng)歷很長的裂紋亞穩(wěn)擴展階段，裂紋擴展與塑性變形同時進行，變形停止，裂紋也停止擴展，只有在增加外力使變形繼續(xù)時，裂紋才相應(yīng)的擴展。外力不斷增加，塑性變形不斷進行，裂紋不斷擴展，直到達到臨界裂紋長度。最后失穩(wěn)擴展而瞬時斷裂裂紋形成后很快達到臨界長度，不經(jīng)歷裂紋亞擴展階段就進入裂紋失穩(wěn)擴展階段，裂紋擴展速度快。韌性斷裂前有明顯的塑性變形脆性斷裂前無明顯塑性變形機械工程材料第二節(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一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂韌窩齊整表面機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂

42、一、韌斷和脆斷的基本概念一、韌斷和脆斷的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析韌性：韌性：材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，是材料輕度和塑性的綜合表現(xiàn)。評定材料韌性的力學(xué)性能是：評定材料韌性的力學(xué)性能是：沖擊韌性和斷裂韌性機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂二、沖擊韌性及衡量指標二、沖擊韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別：沖擊載荷與靜載荷的主要區(qū)別：在加載速率不同，前者加載速率高，后者加載速率低。應(yīng)變速率增加，使材料變脆傾向增大。沖擊韌性：沖擊韌性：用來評定材料在沖擊載荷下的脆斷傾向。沖擊韌性：沖擊韌性：用指材料在沖擊載荷作用

43、下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用標準試樣的沖擊吸收功Ak表示。機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂二、沖擊韌性及衡量指標二、沖擊韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析沖擊韌性試驗：沖擊韌性試驗：基本原理：用一定質(zhì)量的物體以一定的速度沖擊一定形狀的試樣，測量斷裂試樣需要的能量，以此能量值表示該材料的沖擊韌性。勢能12kAGHGH擺錘的運動速率為5m/s,試樣的應(yīng)變速率約為310 /s機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂二、沖擊韌性及衡量指標二、沖擊韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析沖擊韌度：沖擊韌度：衡量材料沖擊韌性的力學(xué)性能指標|kKAak

44、kkaAF機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析針對防止脆性斷裂：針對防止脆性斷裂：傳統(tǒng)的設(shè)計方法要求： sk1.要求零件的工作應(yīng)力2.要求材料有足夠的塑性、和韌性不可能可靠地保證零件不發(fā)生低應(yīng)力脆斷。原因：沒考慮一般材料中都存在著微小的宏觀裂紋。機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析斷裂力學(xué)的發(fā)展：斷裂力學(xué)的發(fā)展：提出評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標： 斷裂韌度ICK度度機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下

45、的斷裂三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析斷裂韌度 ：材料的固有特性，基本力學(xué)常數(shù)，對成分、組織敏感，可以通過合金化、熱處理來改變。ICK機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標第一章 機械零件（或器件）的失效分析斷裂力學(xué)的發(fā)展：斷裂力學(xué)的發(fā)展：提出評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標： 斷裂韌度ICK可控三參數(shù)可控三參數(shù)換算換算臨界條件臨界條件工作應(yīng)力實際裂紋半長度是否安全是否安全安全可靠安全可靠安全可靠IcKcca1 2IcKY a1 2ICcKYa2cICaKYcIIcKKcaa機械工程材料第二

46、節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析脆性斷裂脆性斷裂韌性斷裂韌性斷裂一定條件一定條件決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂類型的主要因素： 加載方式和材料本質(zhì)：加載方式和材料本質(zhì)： 溫度和加載速度溫度和加載速度 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 零件尺寸零件尺寸機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂類型的主要因素：1. 加載方式和材料本質(zhì)：加載方式和材料本質(zhì)：xyzxyxzxxyyyzyxzyzzzxxyxyyxyxyx

47、xyxyyxyxyxn 機械工程材料以主平面為單元體的各面則稱為主單元體以主平面為單元體的各面則稱為主單元體xyxyyx1P2P 從變形體內(nèi)任意點取出的單元體稱為原始單元體從變形體內(nèi)任意點取出的單元體稱為原始單元體主單元體的各表面上只主單元體的各表面上只有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力有正應(yīng)力，沒有切應(yīng)力對平面應(yīng)力狀態(tài)，對平面應(yīng)力狀態(tài)，z平平面也為一個主平面，面也為一個主平面，其上的主應(yīng)力為零。其上的主應(yīng)力為零。按代數(shù)值大小排列為按代數(shù)值大小排列為 分別稱為分別稱為機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要

48、因素：決定材料斷裂類型的主要因素：1. 加載方式和材料本質(zhì)：加載方式和材料本質(zhì)：最大切應(yīng)力：最大切應(yīng)力：最大正應(yīng)力：最大正應(yīng)力：max132max113 機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂類型的主要因素：2. 溫度和加載速度：溫度和加載速度：屈服強度：屈服強度：正斷強度：正斷強度：sk韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度kT機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂

49、類型的主要因素：3. 應(yīng)力集中：應(yīng)力集中：由于構(gòu)件幾何形狀突變造成局部應(yīng)力急劇增高由于構(gòu)件幾何形狀突變造成局部應(yīng)力急劇增高 max應(yīng)力集中的程度由應(yīng)力集中因數(shù)應(yīng)力集中的程度由應(yīng)力集中因數(shù)K K 表示表示maxK機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂類型的主要因素：3. 應(yīng)力集中：應(yīng)力集中：機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂四、影響脆斷的因素四、影響脆斷的因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析決定材料斷裂類型的主要因素：決定材料斷裂類型的主要因素：平面應(yīng)力狀態(tài)

50、，在Z方向可以自由變形。平面應(yīng)變狀態(tài)，Z方向彈性約束阻止了該方向的變形。機械工程材料第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂總總 結(jié)結(jié)第一章 機械零件（或器件）的失效分析機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析skkT機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。參量：參量：最大應(yīng)力最大應(yīng)力最小應(yīng)力：最小應(yīng)力：maxmin應(yīng)力幅應(yīng)力幅2a 平均

51、應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力比應(yīng)力比maxmin2mminmaxr應(yīng)力變程應(yīng)力變程maxmin機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。minmax1r maxmin20m火車軸（彎曲）曲軸（扭轉(zhuǎn)）minmax0rmaxmin20m 連桿小拉大壓機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷：

52、載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。max00rmaxmax022m齒輪齒根（彎曲）minmax01rmaxmin20m 缸蓋螺釘 大拉小壓機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。交變載荷：載荷的大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。max00rmaxmax022m齒輪齒根（彎曲）minmax01rmaxmin20m 缸蓋螺釘 大拉小壓機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂一一. 疲勞的基本概念疲勞的基本概念第一章 機械零件（或器件）的失效分析疲勞

53、斷裂之特點疲勞斷裂之特點（較之靜載和沖擊載荷下的斷裂）引起疲勞的應(yīng)力很低，通常低于靜載下的屈服強度；引起疲勞的應(yīng)力很低，通常低于靜載下的屈服強度；斷裂時無明顯的宏觀塑性變形；斷裂時無明顯的宏觀塑性變形；即使在靜載和沖擊載荷下有大量塑性變形的塑性材料，疲勞斷裂也表現(xiàn)出脆斷的宏觀特征，危險性極大疲勞斷口能清楚地顯示出裂紋的形成、擴展和最后斷裂三個疲勞斷口能清楚地顯示出裂紋的形成、擴展和最后斷裂三個階段階段機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂二二. 疲勞斷口的特征疲勞斷口的特征第一章 機械零件（或器件）的失效分析典型的疲勞斷口形貌由典型的疲勞斷口形貌由疲勞源區(qū)疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂

54、紋擴展區(qū)和和最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū)三部分組成。三部分組成。機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂二二. 疲勞斷口的特征疲勞斷口的特征第一章 機械零件（或器件）的失效分析1.疲勞源區(qū)疲勞源區(qū):材料內(nèi)部缺陷材料內(nèi)部缺陷零件局部區(qū)域造成應(yīng)力集中零件局部區(qū)域造成應(yīng)力集中該區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋該區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋2.疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū):疲勞裂紋形成后疲勞裂紋形成后繼續(xù)擴展長大繼續(xù)擴展長大載荷大小的載荷大小的改變改變裂紋張開和閉合裂紋張開和閉合擴展區(qū)留下一條條光擴展區(qū)留下一條條光亮的弧線（疲勞裂紋前沿線）亮的弧線（疲勞裂紋前沿線）貝殼狀貝殼狀海灘狀海灘狀3.最后斷裂區(qū)最后斷裂區(qū):疲勞裂紋不斷擴展

55、疲勞裂紋不斷擴展零件有效截面逐漸減小零件有效截面逐漸減小應(yīng)應(yīng)力增加力增加超過材料斷裂強度時超過材料斷裂強度時放射狀斷裂。放射狀斷裂。機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析無裂紋零件的疲勞無裂紋零件的疲勞帶裂紋零件的疲勞帶裂紋零件的疲勞經(jīng)歷擴展和最后斷裂兩個經(jīng)歷擴展和最后斷裂兩個階段階段經(jīng)歷裂紋形成、擴展和最后斷裂經(jīng)歷裂紋形成、擴展和最后斷裂三個階段三個階段疲疲 勞勞不同的抗力指標不同的抗力指標機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第

56、一章 機械零件（或器件）的失效分析疲勞極限、過載持久值、疲勞缺口敏感度疲勞極限、過載持久值、疲勞缺口敏感度材料承受的交變應(yīng)力與斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系曲線1.無裂紋零件的疲勞抗力指標無裂紋零件的疲勞抗力指標愈大，循環(huán)周次愈?。挥。瑪嗔蜒h(huán)周次愈大。低周疲勞510N 高周疲勞510N 機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析（1）疲勞極限和過載持久值）疲勞極限和過載持久值1.無裂紋零件的疲勞抗力指標無裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞極限：疲勞極限：當(dāng)應(yīng)力低于當(dāng)應(yīng)力低于 時，即使循時，即使循環(huán)無限多次也不會

57、發(fā)生疲勞斷裂，曲環(huán)無限多次也不會發(fā)生疲勞斷裂，曲線水平部分對應(yīng)的應(yīng)力線水平部分對應(yīng)的應(yīng)力 ，就是疲勞，就是疲勞極限。極限。rr3N過載持久值：過載持久值：材料在高于疲勞極限的材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的應(yīng)力循環(huán)周次。周次。機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析（2）疲勞缺口敏感度）疲勞缺口敏感度1.無裂紋零件的疲勞抗力指標無裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞缺口敏感度：疲勞缺口敏感度：缺口類型：缺口類型： 孔、圓角、槽、臺階等 11ftKqKtKS應(yīng)力集中

58、系數(shù)：應(yīng)力集中系數(shù)：疲勞缺口系數(shù)：疲勞缺口系數(shù)：fffKSS光滑件疲勞極限：光滑件疲勞極限：缺口件疲勞極限缺口件疲勞極限：機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析（2）疲勞缺口敏感度）疲勞缺口敏感度1.無裂紋零件的疲勞抗力指標無裂紋零件的疲勞抗力指標1fKq=0 時：時：缺口不降低疲勞極限缺口不降低疲勞極限11NftKKq=1 時：時：缺口嚴重降低疲勞極限缺口嚴重降低疲勞極限ftfSSK機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機

59、械零件（或器件）的失效分析含有原始裂紋或缺陷的零件，裂紋擴展是決定疲勞壽命的主要因素2. 帶裂紋零件的疲勞抗力指標帶裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞裂紋擴展曲線：裂紋長度隨應(yīng)力循環(huán)周次N的變化。機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 帶裂紋零件的疲勞抗力指標帶裂紋零件的疲勞抗力指標疲勞裂紋擴展曲線：裂紋長度隨應(yīng)力循環(huán)周次N的變化。dadN疲勞裂紋擴展速率：疲勞裂紋擴展速率：adadN增大到無限大裂紋失穩(wěn)擴展，試樣斷裂，斷裂循環(huán)周次為pN機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力

60、指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器件）的失效分析2. 帶裂紋零件的疲勞抗力指標帶裂紋零件的疲勞抗力指標與應(yīng)力幅、裂紋長度a 有關(guān)。dadN疲勞裂紋擴展速率：疲勞裂紋擴展速率：裂紋尖端應(yīng)力場強度因子：裂紋尖端應(yīng)力場強度因子：1 2KY a疲勞裂紋尖端應(yīng)力場強度疲勞裂紋尖端應(yīng)力場強度因子幅因子幅 K：1 21 21 2maxminmaxminKKKYaYaYa控制疲勞裂紋擴展的力學(xué)參數(shù)控制疲勞裂紋擴展的力學(xué)參數(shù)做出曲線：做出曲線：lglgdaKdN機械工程材料第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂三三. 疲勞抗力指標及其影響因素疲勞抗力指標及其影響因素第一章 機械零件（或器