機(jī)械零件失效問題

1、零件材料的力學(xué)性能與失效性能工藝性能：鑄造性能、可鍛性、可焊性、切削加工性和熱處理工藝性等使用性能力學(xué)性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、高溫性能等化學(xué)性能：抗氧化性和耐腐蝕性物理性能：密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性和 磁性等機(jī)械零件在外力作用下所表現(xiàn)出的 抵抗能力力學(xué)性能力學(xué)性能變形失效變形失效塑性變形塑性變形彈性變形彈性變形斷裂失效斷裂失效蠕變斷裂蠕變斷裂韌性斷裂韌性斷裂脆性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂疲勞斷裂表面損傷失效表面損傷失效腐蝕失效腐蝕失效磨損失效磨損失效 零件失效的形式零件失效的形式 在載荷作用下材料抵抗塑性變形和斷裂的能力。測定方法： 拉伸試驗力學(xué)性能一、 強(qiáng)度 S

2、trength注： （依載荷不一樣仍有區(qū)分，但一般多指抗拉強(qiáng)度，簡稱強(qiáng)度。）強(qiáng)度單位: MPa ( MN/m2 )力學(xué)性能拉伸試驗設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)試樣 低碳鋼拉伸時的應(yīng)力-應(yīng)變 The Stress-strain behavior of low carbon steelspecimen 低碳鋼拉伸時的三個階段The Stress-strain behavior of low carbon steelOA段: 彈性變形elastic deformationABC段: 屈服 yield CDE段: 塑性變形plastic deformation E: 斷裂 fracture 拉伸三個階段彈性變形階段彈性

3、變形階段0-p-e彈塑性變形階段彈塑性變形階段 (屈服-強(qiáng)化-頸縮） e-s s-s s-b b-k斷裂斷裂 koFs拉力bksspe 伸長量mmD l Fb拉伸曲線力學(xué)性能拉伸三個階段彈性變形階段彈性變形階段0-p-e彈塑性變形階段彈塑性變形階段 (屈服-強(qiáng)化-頸縮） e-s s-s s-b b-k斷裂斷裂k力學(xué)性能osMPabksspe e =D L/Lob應(yīng)力應(yīng)力：試樣單位面積上所承受的力應(yīng)變應(yīng)變：試樣單位長度上的伸長量力學(xué)性能強(qiáng)度的指標(biāo) 材料所能承受的極限應(yīng)力 = F / A 強(qiáng)度 Strengthn 屈服強(qiáng)度yield strengthn 抗拉強(qiáng)度tensile strengthSt

4、ress-strain curve of annealed low carbon steel ssbs1. 屈服強(qiáng)度 Yield Strength（p 表示比例極表示比例極限；限； e 表示表示彈性極限彈性極限）osMPabksspe e =D l/Lob屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度( s )指材料產(chǎn)生屈服時的最小應(yīng)力。力學(xué)性能2. 抗拉強(qiáng)度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大應(yīng)力。 p 比例極限 e 彈性極限 s 屈服極限 b 強(qiáng)度極限osMPabksspe e =D l/Lob力學(xué)性能應(yīng)用與判斷：應(yīng)用與判斷：W s 不發(fā)生塑變不發(fā)生塑變W b 不發(fā)生斷裂不發(fā)生斷裂力學(xué)

5、性能思考：思考： 有了強(qiáng)度指標(biāo)，是否有了強(qiáng)度指標(biāo)，是否我們就可以成功的完成飛我們就可以成功的完成飛機(jī)的設(shè)計制造任務(wù)了呢？機(jī)的設(shè)計制造任務(wù)了呢？例如：設(shè)計飛機(jī)機(jī)翼時例如：設(shè)計飛機(jī)機(jī)翼時W s 只彈變不塑變，是否就可以了呢？只彈變不塑變，是否就可以了呢？ 力學(xué)性能二. 剛度與彈性模量剛度rigidity是指零件或構(gòu)件抵抗彈性變形的能力。（取決于材質(zhì)與結(jié)構(gòu)形狀；材質(zhì)方面取決于它的彈性模量）力學(xué)性能o1 2彈性模量 modulus of elasticity是指在比例極限(p )范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變之比。 E=s/e 力學(xué)性能三 、 塑 性 p l a s t i c i t y 在外力作用下材料產(chǎn)生永

6、久變形而不被破壞的能力。斷面收縮率()。即： A0-A1 y = 100 A0 伸長率() L1-L0 = 100 L0力學(xué)性能lodol1d1n 截面收縮率 nContraction ratio of area at fracture face 塑性 Plasticityn 延伸率 nTensile elongation00100%L LLd-=00100%A AAy-=注：試樣分長短兩種，同一材料的 5 10 。與試樣的尺寸無關(guān)，、值越大，表示金屬的塑性越好。力學(xué)性能(、不直接用于工程設(shè)計)良好的塑性可以順利地完成某些成型工藝，如翼肋、火焰筒的冷沖壓及渦輪盤、渦輪軸的鍛造等。良好的塑性還可

7、以在一定程度上保證零件的工作安全，在零件使用時萬一超載，塑性變形引起的強(qiáng)化作用使零件不致于突然斷裂。過高地追求塑性，會降低材料的強(qiáng)度 四、硬度 Hardness材料抵抗表面劃傷、磨損或局部塑性變形及破壞的能力。常用硬度測定方法: 硬物壓入法布氏硬度: Brinell Hardness (HB)洛氏硬度:Rockwell Hardness (HR)力學(xué)性能 1. 布氏硬度(HB) 硬物：球形壓頭(D = 10、5、2.5、2、1mm)載荷：P ( kgf )P D h dHBSHBS:普通淬火鋼球硬度值在450以下HBW:硬質(zhì)合金球硬度值在450650 HBS(HBW)= PF力學(xué)性能布氏硬度布

8、氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計布氏硬度計 布氏硬度F載荷 （Force）A面積 （Area )HB= FA特點：壓坑面積大，受材料不均勻度影響小，故測量誤差小，硬度值準(zhǔn)確、真實。布氏硬度(HB) 布氏硬度計布氏硬度計 2. 洛氏硬度(HR)硬物： 頂角 120金鋼石圓錐或直徑為1.588mm淬火鋼球力學(xué)性能洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計 HR (Hardness Rockwell)載荷：初載荷10kg并壓入深度h1主載荷(50kg或90kg 或140kg)使壓

9、入深度達(dá)h2 ；卸除主載荷、保留初載荷，壓入深度減小為h3 。洛氏硬度的計算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2壓頭被測材料硬物：頂角120金鋼石圓錐(或1.588mm淬火鋼球)K-h0.002洛氏硬度(HR) 特點：測量簡便迅速，直接讀數(shù)，表面壓痕小誤差稍大，需多點測量取平均值。壓頭主載荷 測量范圍 應(yīng)用材料HRA 金剛石50kg2088表面硬化層硬質(zhì)合金等HRB淬火鋼球淬火鋼球 90kg20100有色金屬，退火、正火鋼等HRC 金剛石140kg2070淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等洛氏硬度(HR)幾種常用洛氏硬度標(biāo)度壓頭F測量范圍應(yīng)用材料HRAdi

10、amond490N2088Surface hard steel HRBSteel ball882N20100Soft steel, non-ferrous metals HRCdiamond1372N2070Quenching steel 維氏硬度維氏硬度 HV ( Vickers Hardness )HV= FA硬度的應(yīng)用: 對于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指標(biāo)，(例如：高速鋼車刀、銑刀、鉆頭等）零件強(qiáng)度的估算，如對于低碳鋼，也可采用硬度與強(qiáng)度換算表(見手冊)。力學(xué)性能另外一種表面失效： 腐蝕 化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕1. 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕 金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生純化學(xué)作用產(chǎn)生的腐蝕金屬

11、在干燥氣體中的腐蝕。如高溫燃?xì)鈱u輪噴氣式發(fā)動機(jī)零部件的腐蝕。金屬在非電解液中的腐蝕。如飛機(jī)管路系統(tǒng)受汽油、滑油的腐蝕。特點：腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。腐蝕速度慢、危害小?；瘜W(xué)性能條件：必須有兩相或兩種電極電位不同的金屬有電解液三者相互接觸i2. 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕指金屬和周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的腐蝕。特點：伴有電流產(chǎn)生，腐蝕速度快，危害大化學(xué)性能報道（I）北京日報消息：2001年 9月，中國民航一架客機(jī)起飛后感覺情況異常，隨后在密云上空指定區(qū)域?qū)⑺泻娇彰河头诺簦诺?，然后降落。力學(xué)性能報道(II)北京電臺消息：2002年 8月北京飛往莫斯科的俄羅斯航空公司的一架伊爾86客機(jī)，在飛抵中蒙

12、邊境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都機(jī)場上空盤旋了1小時 20分鐘后，才重新降落北京首都機(jī)場。力學(xué)性能力學(xué)性能五、 沖擊韌性 Impact Toughness零件材料抵抗沖擊載荷的能力。 大能量一次沖擊試驗5510855108 240 3022橫梁式懸梁式力學(xué)性能沖擊試驗機(jī)沖擊試驗機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗示意圖沖擊試樣和沖擊試驗示意圖impact testAk=G(H-h) ak = (J/cm2)沖擊 h試樣擺錘 H備注：P.6 金屬材料的ak 不能直接用于零件的設(shè)計計算沖擊吸收功（AK）：沖斷試樣所消耗的功(J)沖擊韌性（aK）：沖斷試樣橫截面單位面積上所消耗

13、的功(J/cm2)AkS力學(xué)性能 沖擊韌性沖擊韌性ak Ak - Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S19世紀(jì)瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，隨后火車得到應(yīng)用，再隨后一段時間，火車輪軸成批斷裂 失效分析考查結(jié)果失效分析考查結(jié)果 W s 歷史事件歷史事件力學(xué)性能六、疲勞斷裂和疲勞強(qiáng)度 機(jī)械零件在交變載荷作用下，其工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于屈服強(qiáng)度時，在長時間工作后發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象稱為: 疲勞斷裂疲勞斷裂 力學(xué)性能機(jī)理：缺陷處首先產(chǎn)生疲勞裂紋，并隨應(yīng)力循環(huán)不斷擴(kuò)展，直至突然斷裂。 疲勞斷口圖疲勞源裂紋擴(kuò)展最

14、終破斷區(qū)力學(xué)性能疲勞實驗 試樣負(fù)荷計數(shù)器電機(jī)軸承支座力學(xué)性能疲勞曲線是維勒Wohler在1860年為解決火車車軸斷裂失效時首先提出的，所以也稱維勒曲線 一般鋼鐵的循環(huán)基數(shù)N取107 次，有色金屬的循環(huán)基數(shù)N取108 次。材料承受對稱循環(huán)交變應(yīng)力時的疲勞強(qiáng)度用-1 表示。鋼材的-1 只有b 的50左右。 疲勞曲線 107力應(yīng)-1力學(xué)性能疲勞強(qiáng)度 fatigue strength是指材料經(jīng)無限多次應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂時的最大應(yīng)力。疲勞強(qiáng)度表征了材料抵抗疲勞斷裂的能力。采取改進(jìn)設(shè)計(避免尖角連接、降低表面粗糙度值等)采取表面強(qiáng)化工藝(表面淬火、化學(xué)熱處理、噴丸、滾壓等) 加強(qiáng)原材料和零件成品的內(nèi)部缺陷檢

15、查也可減少或避免疲勞斷裂。七、高溫力學(xué)性能 Thermal Properties當(dāng)約比溫度當(dāng)約比溫度T/ /Tm m大于大于0.50.5時為高溫，反之為低溫時為高溫，反之為低溫。蠕變 就是金屬材料長時間的在一定溫度、一定應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力小于0.2 或 s ,也會緩慢地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。典型的蠕變曲線分為三個階段。蠕變減速階段。穩(wěn)態(tài)蠕變階段。蠕變加速階段， 直至斷裂。aabcdo變形第二階段第三階段第一階段時間溫度壓力恒定力學(xué)性能1. 蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗塑性變形的能力。(1)在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到規(guī)定變形量的蠕變強(qiáng)度，單位（Mpa） 記為 / t 例如: 0.2/1

16、000 = 60MPa (2)穩(wěn)態(tài)蠕變速度達(dá)到規(guī)定值時的蠕變強(qiáng)度，記為 T v 例如: 110 -5 = 60MPa 800T600力學(xué)性能2. 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度是指材料在高溫長時載荷作用下抵抗斷裂的能力。記為記為T T / t 例如 1000 = 30MPa700650 高溫疲勞材料在高溫測得的疲勞強(qiáng)度。 例如 -1 = 40MPa3. 高溫疲勞強(qiáng)度高溫疲勞強(qiáng)度力學(xué)性能例：碳鋼的力學(xué)性能 碳鋼： 理論含碳量 0.02% - 2.11% 實際含碳量 0.1 - 1.3%碳鋼機(jī)械性能400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2ak C % 含碳量的百分?jǐn)?shù)變化的課堂練習(xí)課堂練習(xí)1.按按GB699規(guī)定，規(guī)定，15號鋼材出廠時，力學(xué)性能號鋼材出廠時，力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)值：指標(biāo)應(yīng)不低于下列數(shù)值：b =372MPas=