第1章失效及性能

1、第一章第一章 機械零件機械零件( (金屬材料）的金屬材料）的性性能指標與失效分析能指標與失效分析本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容零件的零件的過量變形過量變形以及性能指標以及性能指標零件的零件的斷裂斷裂及性能指標及性能指標零件在交變載荷下的零件在交變載荷下的疲勞斷裂疲勞斷裂及性能指標及性能指標零件的零件的磨損失效磨損失效以及防止以及防止零件在零件在高溫下高溫下的的蠕變變形和斷裂失效蠕變變形和斷裂失效關于失效的基本概念關于失效的基本概念1 1 零件（構件）的功能零件（構件）的功能 （1 1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；規(guī)定的形狀和尺寸； （2 2）實

2、現(xiàn)規(guī)定的機械運動；）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動； （3 3）傳遞力和能。）傳遞力和能。 失效的定義和形式失效的定義和形式 定義定義: : 零件失去設計所要求的效能（功能）零件失去設計所要求的效能（功能）稱為失效。稱為失效。 常見的失效形式常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損、過量變形、斷裂、磨損、腐蝕腐蝕第一節(jié)第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形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材料的靜載性能指標有哪些?什么是過量彈性變形失效什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性發(fā)生過量彈性變形的原因是什么變形的原因是什么?設計時應選擇什么性設計時應選擇什么性能指標能指標?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么發(fā)生

3、過量塑性變形的原因是什么?抗力指抗力指標有哪些標有哪些?問問 題題一、工程材料在靜拉伸時的應力工程材料在靜拉伸時的應力應變行為應變行為低碳鋼的應力低碳鋼的應力 -應變行為應變行為 拉伸試驗及應力應變曲線拉伸試驗及應力應變曲線 將圓柱形或板狀光滑試樣裝夾在拉伸試驗機上 拉伸機拉伸機圖圖2-2 拉伸試拉伸試驗設備驗設備圖圖2-3 圓柱形圓柱形拉伸試樣拉伸試樣比例極限比例極限s sp彈性極限彈性極限s se屈服強度屈服強度s ss抗拉強度抗拉強度s sb斷裂強度斷裂強度s sk材料單位面積上的內(nèi)力稱為應力（材料單位面積上的內(nèi)力稱為應力（PaPa），以），以表示。表示。二、材料的靜載性能指標二、材料的

4、靜載性能指標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韌性指標（放在斷裂中講）韌性指標（放在斷裂中講）1、剛度、剛度剛度：剛度：零構件在受力時抵抗彈性變形的零構件在受力時抵抗彈性變形的能力。能力。等于材料彈性模量與零構件截面等于材料彈性模量與零構件截面積的乘積。積的乘積。E =/ E =(P/A ) / EA =P / （1）強度：）強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力材料抵抗變形或者斷裂的能力彈性極限彈性極限s se屈服強度屈服強度s ss抗拉強度抗拉強度s sb斷裂強度斷裂強度s sk2、強度、彈性塑性指標、強度、彈性塑性指標*材料與成形技術 1.1 概述10 比

5、例極限比例極限p p與彈性極限與彈性極限e ep p-在在-曲線上曲線上開始偏離直線時的應開始偏離直線時的應力。力。e e-由彈性變形過渡由彈性變形過渡到彈到彈- -塑性變形時的應塑性變形時的應力。力。11 屈服現(xiàn)象與屈服強度屈服現(xiàn)象與屈服強度屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象：在試驗外力不增加或上下波動：在試驗外力不增加或上下波動的情況下，試件應變明顯增加的現(xiàn)象。不的情況下，試件應變明顯增加的現(xiàn)象。不同材料或在不同試驗條件下得到的同材料或在不同試驗條件下得到的-曲線類型如圖所示。曲線類型如圖所示。 *12 屈服強度（屈服極限）屈服強度（屈服極限） a)如屈服時-有齒狀曲折線段，則下屈服點對應的應力確定為屈服強

6、度s。 b) 若屈服時-曲線上有平坦水平線段，則該水平線所對應的應力為s；13c) c) 若無明顯水平線段若無明顯水平線段，則取產(chǎn)生規(guī)定微量塑性變形所對應的應力作為條件屈服強度；根據(jù)需要，微量塑性變形可取0.05%、0.1%、0.2%等,對應的條件屈服強度分別記作0.05、0.1、0.2等。14 條件屈服強度條件屈服強度0.2 0.2 （脆性（脆性材料屈服極限）材料屈服極限） 根據(jù)GB228-87要求，對沒有明顯屈服現(xiàn)象的材料，規(guī)定取非比例伸長與原標距長非比例伸長與原標距長度度之比為0.2%時的應力，作為屈服強度指標。稱為條件屈服強度，用0.2 表示。15 抗拉強度（抗拉極限）抗拉強度（抗拉極

7、限）b b 指拉伸過程試件所能承受的最大應力。在拉伸過程中，當載荷繼續(xù)增加到b點時，試件橫截面出現(xiàn)局部變細的頸縮現(xiàn)象。這時的應力稱為抗拉強度（抗拉極限）b 。16（2）塑性指標）塑性指標塑性塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力塑性指標：斷后伸長率塑性指標：斷后伸長率d d 斷面收縮斷面收縮 = ( L 1- L0 )/ L0 100% = ( A0 - A1 )/A0 100% 和和值愈大愈好。金屬材料有一定的塑性是進行塑性加值愈大愈好。金屬材料有一定的塑性是進行塑性加工的必要條件，也是提高零件工作可靠性的重要前提。工的必要條件，也是提高零件工作可靠性的重要前提。 1

8、0% 屬塑性材料屬塑性材料防止過載斷裂；塑性變形可以緩防止過載斷裂；塑性變形可以緩解應力集中、削減應力峰值。解應力集中、削減應力峰值。硬度硬度硬度：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。硬度指標：物理意義與試驗方法有關硬度指標：物理意義與試驗方法有關滑痕法硬度值（莫氏硬度）滑痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）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）壓入法硬度值（工業(yè)中應用廣泛）常見的硬度表示方法有：常見的硬度表示方法有： 1 1、布氏硬度、布氏硬度 2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 3 3、維氏硬度、維氏硬度 (1). (1). 布氏硬度（布

9、氏硬度（HB) HB) (物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力） 在力在力P P的作用下把直徑為的作用下把直徑為D D的鋼球壓入被測材料，布氏硬度值是載荷的鋼球壓入被測材料，布氏硬度值是載荷P P除以壓除以壓痕痕( (球冠球冠) )的面積的面積F F ，用，用HBHB表示。即表示。即: : B = P/F = 2P/D - (D2-d2)1/2 B = P/F = 2P/D - (D2-d2)1/2這種方法只適合于測量這種方法只適合于測量HBHBS S 450 10米每秒 (飛機起飛和降落，鍛壓及鍛造等)2 2、斷裂：、斷裂：（1 1）定義：）定義：材料在應力作用下分為兩個或兩個材料在應力

10、作用下分為兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象。以上部分的現(xiàn)象。（2 2）分類）分類; ;根據(jù)斷裂前產(chǎn)生的宏觀變形量的大小，可以把斷裂分為： 韌性斷裂、韌性斷裂、 脆性斷裂脆性斷裂變形量變形量 大大 沒有沒有端口形貌端口形貌 粗糙、灰暗粗糙、灰暗 杯形杯形 光滑、發(fā)亮光滑、發(fā)亮 平齊平齊 有征兆有征兆 無征兆無征兆韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌韌性韌性斷口斷口脆性脆性斷口斷口（3 3）斷裂過程）斷裂過程 無論是韌性斷裂還是脆性斷裂，斷裂過程都包括兩個階段：一是裂紋形成；二是裂紋擴一是裂紋形成；二是裂紋擴展。展。 a. a.裂紋形成階段：（相同）裂紋形成階段：（相同） 外力

11、作用下形成微裂紋 a0 材料原有的缺陷（微裂紋、孔洞、雜質(zhì)） 裂紋源b. 裂紋擴展階段裂紋擴展階段： 臨界裂紋臨界裂紋ac 韌性斷裂： 微裂紋 裂紋亞穩(wěn)擴展階段 失穩(wěn)擴展階段 a0 a0Tk,TTk,韌性斷裂；韌性斷裂； TTk TTk時，發(fā)生脆性斷裂時，發(fā)生脆性斷裂。 把這種現(xiàn)象稱為低溫脆變。不希望材料（零件）在工作溫度下發(fā)生脆性斷裂，選材時材料的韌脆轉變溫度Tk必須低于工作時的最低溫度 材料韌脆轉變溫度材料韌脆轉變溫度TK的確定和應用的確定和應用圖2-14 不同材料沖擊韌性與溫度的關系選材舉例：由以構件工作中的最低溫度選材舉例：由以構件工作中的最低溫度-20,-20,現(xiàn)有兩種材料：現(xiàn)有兩種

12、材料： A: Tk=-50 A: Tk=-50 B: Tk=-10 B: Tk=-10 選那種材料更安全？選那種材料更安全？ 44 a ak k沒有確切的力學意義，它表明在高應變速率時沒有確切的力學意義，它表明在高應變速率時 ，材，材料的脆性發(fā)展趨勢。料的脆性發(fā)展趨勢。 一次沖擊試驗能靈敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和一次沖擊試驗能靈敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和產(chǎn)生的脆性。產(chǎn)生的脆性。 不同溫度下的系列沖擊試驗，可揭示材料的低溫脆化不同溫度下的系列沖擊試驗，可揭示材料的低溫脆化傾向（冷脆轉變）。傾向（冷脆轉變）。 材料碳含量愈高脆性愈大。材料碳含量愈高脆性愈大。 沖擊試驗得到廣泛應用，但沖擊試

13、驗得到廣泛應用，但A Ak k、a ak k不能直接用于計算。不能直接用于計算。沖擊韌度小結：沖擊韌度小結：一般機械零件的抗斷裂設計方法：一般機械零件的抗斷裂設計方法：零件工作應力零件工作應力材料屈服強度材料屈服強度ss要求：（要求：（1 1） =1 k1 （2 2） 足夠的塑性、沖擊韌性足夠的塑性、沖擊韌性 1943年美國年美國T-2油輪發(fā)生斷裂油輪發(fā)生斷裂1 1、傳統(tǒng)的設計方法：、傳統(tǒng)的設計方法：零件工作應力零件工作應力材料屈服強度材料屈服強度ss要求：（1） =1 （2） 足夠的塑性、沖擊韌性足夠的塑性、沖擊韌性 但發(fā)生斷裂的應力遠遠小于材料的屈服強度但發(fā)生斷裂的應力遠遠小于材料的屈服強

14、度 因為:在傳統(tǒng)的設計思想中認為材料是完整的、連續(xù)的；而實際上的材料存在一些微小的裂紋，正是這些裂紋裂紋引起了低應力脆性斷裂低應力脆性斷裂 三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標2、斷裂韌度、斷裂韌度KIC（1）定義：是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。是是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標， KIC,抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力 單位：單位：MPam 1/2 或者或者 MN m-3/2可通過試驗測定。對于一定成分和組織狀態(tài)的材料，對于一定成分和組織狀態(tài)的材料， K1c 是一個定值，不是一個定值，不隨外加拉應力、裂紋長度、試樣尺寸的大

15、小而變化。隨外加拉應力、裂紋長度、試樣尺寸的大小而變化。 （2 2）脆性斷裂的判據(jù)）脆性斷裂的判據(jù) 1）裂紋尖端應力場強度因子裂紋尖端應力場強度因子K KI I 描述裂紋尖端場強弱的量 KI = Ya1/2 Y: 裂紋幾何形狀因子。 ：零件的工作應力 a：裂紋的半長度；（裂紋長度的一半）2 2）判據(jù)：）判據(jù)： K KI IKKIC IC 發(fā)生脆斷；發(fā)生脆斷； K KI I=K=KIC IC 臨界狀態(tài)；臨界狀態(tài)； K KI IKKIC IC 安全；安全；KIC:斷裂韌度，材料性能指標只與材料有關。斷裂韌度，材料性能指標只與材料有關。 （可以通過合金化、熱處理等改變）（可以通過合金化、熱處理等改變

16、） （4 4）應用：）應用： 應用于重要零件或構建的設計。應用于重要零件或構建的設計。 高強度鋼制造的：飛機、火箭、導彈、航天高強度鋼制造的：飛機、火箭、導彈、航天飛機等。飛機等。 中低強度制造的：發(fā)電機轉子中低強度制造的：發(fā)電機轉子 汽輪機轉子汽輪機轉子 重要壓力容器等：鍋爐等重要壓力容器等：鍋爐等。 強調(diào)：傳統(tǒng)的設計方法仍在使用，主要用在不強調(diào)：傳統(tǒng)的設計方法仍在使用，主要用在不重要的零件或構重要的零件或構件件的設計中。的設計中。 總總 結結材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的斷裂分為：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、材材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料

17、韌脆轉變溫度和斷裂韌度，料韌脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于前三個用于評價材料韌性的好壞評價材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料斷裂韌度可用于材料抵抗低應力脆性斷裂的設抵抗低應力脆性斷裂的設計計。材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法改變。方法改變。第三節(jié)第三節(jié) 零件在交變載荷下的疲勞斷裂零件在交變載荷下的疲勞斷裂問問 題題什么是疲勞斷裂？什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個部分組成？疲勞斷口由哪幾個部分組成？1疲勞抗力指標有哪些？在設計中如何使疲勞抗力指標有哪些？在設計中如何使用這些指標？用這些指標？一、基本概念一、基本概念描述交變載荷特征參數(shù)： 最大

18、應力最大應力maxmax最小應力最小應力minmin應力幅：應力幅： a a = ( = (maxmax- -minmin)/2)/2平均應力：平均應力：m m = ( = (maxmax+ +minmin)/2)/2應力比：應力比： r = r = minmin/ /maxmax不同種類的交變載荷，上述幾種參量是不一樣的。1、 交變載荷：交變載荷：指的是載荷大小、方向隨時間發(fā)指的是載荷大小、方向隨時間發(fā)生周期性變化的載荷。生周期性變化的載荷。交變載荷變化一個周期交變載荷變化一個周期-稱為一個循環(huán)周次。稱為一個循環(huán)周次。2、疲勞斷裂：、疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時間的零件在交變載荷下經(jīng)過

19、長時間的工作而發(fā)生的斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。工作而發(fā)生的斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。3、疲勞斷裂過程：、疲勞斷裂過程：（1）引起疲勞斷裂的應力很低，一般低于）引起疲勞斷裂的應力很低，一般低于s （2）無明顯的塑性變形、無預兆、突然發(fā)生；）無明顯的塑性變形、無預兆、突然發(fā)生； (3) 斷口上顯示疲勞斷裂的三個過程斷口上顯示疲勞斷裂的三個過程二、疲勞斷口的特征二、疲勞斷口的特征：疲勞斷口包括三個部分：（一）、疲勞源區(qū)（一）、疲勞源區(qū)：疲勞裂紋產(chǎn)生的，應力集中或有夾雜物?？拷砻婊蛭挥诒砻妗?高應力或應力集中大，多個裂紋源；雙向彎曲也有兩個疲勞源區(qū)。（二）、疲勞裂紋擴展區(qū)：（二）、疲勞裂紋擴展區(qū)：有疲勞

20、裂紋，呈“海灘狀”或“貝殼狀”花樣。應力高，該區(qū)域小；反之則大。（三）、最后斷裂區(qū)：（三）、最后斷裂區(qū)：呈放射狀。該區(qū)面積較大，壽命短。 靠近試樣表面，與疲勞源區(qū)相對。疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū)的微觀形貌疲勞源區(qū)和疲勞擴展區(qū)的微觀形貌一個疲一個疲勞源勞源兩個疲兩個疲勞源勞源微裂紋微裂紋疲勞疲勞條紋條紋三、疲勞抗力指標及影響因素：三、疲勞抗力指標及影響因素：1、疲勞極限和過載持久值、疲勞極限和過載持久值(1) 疲勞曲線疲勞曲線 疲勞曲線是材料承受交變應力疲勞曲線是材料承受交變應力 （max與與a）和相應的斷裂循環(huán)周次之間的關系曲線，）和相應的斷裂循環(huán)周次之間的關系曲線，又稱又稱S-N曲線。曲線。 疲勞

21、壽命：從加載到最終斷裂零件所承受疲勞壽命：從加載到最終斷裂零件所承受的交變載荷的次數(shù)。的交變載荷的次數(shù)。 用用Nf表示表示。 疲勞極限：疲勞極限：材材料經(jīng)過無限次料經(jīng)過無限次應力循環(huán)不發(fā)應力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大生斷裂的最大應力。對應于應力。對應于疲勞曲線上水疲勞曲線上水平部分對應的平部分對應的應力值。應力值。疲勞曲線(2) (2) 疲勞極限：疲勞極限： r稱為疲勞極限疲勞極限；表示材料經(jīng)過無限次應力表示材料經(jīng)過無限次應力循環(huán)不斷裂的最大應力。循環(huán)不斷裂的最大應力。 單位：單位：MPa.MPa. 條件疲勞極限條件疲勞極限：如果疲勞曲線上無水平部分，如果疲勞曲線上無水平部分，即都是曲線，就人為的規(guī)

22、定一個即都是曲線，就人為的規(guī)定一個循環(huán)周次循環(huán)周次N N0 0,(,(在該周在該周次下斷裂所對次下斷裂所對)N)N0 0對應力的應力成為條件疲勞極限。對應力的應力成為條件疲勞極限。N0:循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)，根據(jù)工作條件和使用壽命而定。 對同一種材料，N0,條件疲勞極限。 圖圖111 兩種類型的疲勞曲線兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料鋼鐵材料 b)部分有色金屬（如鋁合金）部分有色金屬（如鋁合金）條件疲勞極限疲勞極限抗力指標 r 發(fā)生疲勞斷裂發(fā)生疲勞斷裂 r 臨界值臨界值火車軸：N0 = 5*107 汽車發(fā)動機軸： N0 = 12*107汽輪機葉片： N0 = 25*1010 用旋轉彎曲疲勞旋轉彎曲疲

23、勞試驗方法測定,r=-1 疲勞極限用-1 表示（3 3）過載持久值：）過載持久值：材料在高于疲勞極限的應力作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。用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。 即疲勞曲線的斜線部分，而且疲勞曲線上傾斜部分愈陡，過載即疲勞曲線的斜線部分，而且疲勞曲線上傾斜部分愈陡，過載持久值越高。持久值越高。 有些零件如飛機的起飛架，其使用次數(shù)不是無限有些零件如飛機的起飛架，其使用次數(shù)不是無限次，而是有限的次數(shù)，設計時沒有必要用次，而是有限的次數(shù)，設計時沒有必要用“疲勞疲勞極限極限”指標，采用指標，采用“過載持久值過載持久值”指標。指標。高周疲勞：高周疲勞：Nf105低周疲勞低周

24、疲勞: Nf105（4 4）、疲勞缺口敏感度：）、疲勞缺口敏感度： 零件有臺階、圓角、鍵槽，產(chǎn)生應力集中，零件有臺階、圓角、鍵槽，產(chǎn)生應力集中，影響材料的疲勞度極限，通常用疲勞缺口敏感影響材料的疲勞度極限，通常用疲勞缺口敏感度度q 來表示。來表示。 0 q q q 鑄鐵鑄鐵 說明鋼的疲勞極限對缺口的敏感度大于鑄說明鋼的疲勞極限對缺口的敏感度大于鑄鐵的鐵的（2 2）疲勞極限與抗拉強度的關系：）疲勞極限與抗拉強度的關系： 對中低強度鋼、鑄鐵等材料對中低強度鋼、鑄鐵等材料-1-1與與b b之間之間保持一定的線性關系。保持一定的線性關系。 中低強度鋼中低強度鋼 ： -1-1=0.5=0.5b b 灰鑄

25、鐵：灰鑄鐵： -1-1=0.42=0.42b b高強度鋼：高強度鋼： 無上述線性關系無上述線性關系 （原因是（原因是高強度鋼中的殘余應力促進裂紋萌生，降低了他的疲高強度鋼中的殘余應力促進裂紋萌生，降低了他的疲勞極限，破壞了勞極限，破壞了-1-1與與b b之間的關系）之間的關系）。（3 3）、對過載持久值的影響）、對過載持久值的影響 （指的是材料在高于疲勞極限的應力作用下發(fā)（指的是材料在高于疲勞極限的應力作用下發(fā)生疲勞斷裂所經(jīng)歷的疲勞周次）。生疲勞斷裂所經(jīng)歷的疲勞周次）。 過載持久值取決于材料的強度、塑性、韌性。過載持久值取決于材料的強度、塑性、韌性。 高周疲勞：強度高周疲勞：強度 ，Nf Nf

26、 低周疲勞：塑性、韌性低周疲勞：塑性、韌性 , Nf , Nf 3、零件表面狀態(tài)：、零件表面狀態(tài)： 無裂紋構件（零件）：表面光潔度無裂紋構件（零件）：表面光潔度，疲勞極限疲勞極限，強度越高，表面狀態(tài)對，強度越高，表面狀態(tài)對-1 的的影響越大，表面強化處理（影響越大，表面強化處理（ 滾壓，滲碳等）滾壓，滲碳等） 4、工作溫度、工作溫度 T , s -1 , da/dN T , s -1 q ; 總總 結結疲勞斷裂是零構件常見的一種失效形式，它是一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，危害很大種脆性斷裂，危害很大。疲勞抗力指標是疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺疲勞極限、過

27、載持久值和疲勞缺口敏感度?？诿舾卸取?工作應力工作應力sss疲勞極限，疲勞極限，構件在一定的周次下斷裂，構件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。該周次稱為過載持久值。工作應力越大，工作應力越大，過載持過載持久值越低。久值越低。3 3疲勞斷口上可清楚顯示疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。否發(fā)生疲勞斷裂。第四節(jié)第四節(jié) 零件的磨損失效零件的磨損失效 本節(jié)主要講本節(jié)主要講粘著磨損粘著磨損、磨粒磨損磨粒磨損和和疲勞疲勞磨損磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。的發(fā)生過程、機

28、理以及防止措施。一、磨損的基本概念一、磨損的基本概念1 1、產(chǎn)生磨損的條件（、產(chǎn)生磨損的條件（1 1）零件表面接觸）零件表面接觸 （2 2）發(fā)生相對運動）發(fā)生相對運動2 2、磨損的定義：在摩擦過程中零件、磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺表面發(fā)生尺寸寸變化和變化和物質(zhì)耗損物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。的現(xiàn)象叫做磨損。二、磨損的過程和機理二、磨損的過程和機理粘著磨損粘著磨損（1）定義定義：又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，：又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦付的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相摩擦付的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒

29、被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。（2）過程過程滑動滑動（3）粘著磨損的）粘著磨損的特點特點：磨損速度大；破壞嚴重。：磨損速度大；破壞嚴重。（4）防止措施防止措施合理選材，摩擦副配對材料選用硬度差較大的異類合理選材，摩擦副配對材料選用硬度差較大的異類材料；材料；提高表面硬度；提高表面硬度；合理設計減小接觸壓應力；合理設計減小接觸壓應力；減小表面粗糙度減小表面粗糙度。局部粘著局部粘著粘著處粘著處被撕掉被撕掉金屬表面被劃金屬表面被劃傷或者金屬屑傷或者金屬屑粒脫落粒脫落磨粒磨損磨粒磨損（1）定義：定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面又稱磨料磨損

30、，在滑動摩擦時零件表面存在硬質(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致零件表面逐漸嵌入、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。損耗的一種磨損。 （2）過程過程金 屬 表 面金 屬 表 面發(fā) 生 局 部發(fā) 生 局 部塑性變形塑性變形磨粒嵌入金屬磨粒嵌入金屬表面，切割金表面，切割金屬表面屬表面表 面 被 劃表 面 被 劃傷傷（4 4）防止措施防止措施 提高表面硬度（從選材方面）；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）。減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。（3 3）特點：特點：滑動條件滑動條件 普遍存在

31、大氣、潤滑油中都有大的顆粒普遍存在大氣、潤滑油中都有大的顆粒存在存在 磨損速度達磨損速度達 0.5-5m/h 0.5-5m/h 接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）（1）定義：定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在擦時，在交變接觸壓應力交變接觸壓應力的長期作用下引起的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2 2）過程：過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。展過程。 （3）主要防止措施主要防止措施 提高材料硬度；提高材料純度；提高零件提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心

32、部和表面強度；減小表面粗糙度。心部和表面強度；減小表面粗糙度?？?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。第五節(jié)第五節(jié) 零件的腐蝕失效零件的腐蝕失效問問 題題1 什么是腐蝕？可分為幾類？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？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？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改善零件腐蝕抗力的主要措

33、施是什么一、腐蝕的定義和分類一、腐蝕的定義和分類腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學反腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應或者電化學反應所引起的表面損傷現(xiàn)應或者電化學反應所引起的表面損傷現(xiàn)象。象。分類：分類：化學腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕電化學腐蝕高溫氧化過程：高溫氧化過程：（1）金屬失去電子成為金屬離子）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）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）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基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。否致密。提高鋼抗氧化能力：加入提高鋼抗氧化能力：加入Al、S

34、i、Cr等元素，等元素，與氧結合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬與氧結合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。進一步氧化。二、腐蝕過程及防止二、腐蝕過程及防止1 化學腐蝕過程化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主（以高溫氧化腐蝕為主）電化學腐蝕的過程電化學腐蝕的過程陽極：失去電子，陽極：失去電子，MM n+ne(被腐蝕）被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應或者吸氧反應陰極：發(fā)生析氫反應或者吸氧反應2 2、電化學腐蝕、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。聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。三、零件防止腐蝕的措施三、零件防

35、止腐蝕的措施對于化學腐蝕，對于化學腐蝕，常采用以下方式：選擇抗常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。等；零件表面涂層。對于電化學腐蝕：對于電化學腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學保護；加緩蝕劑涂層；電化學保護；加緩蝕劑第六節(jié)第六節(jié) 零件在高溫下的蠕變變形和零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效斷裂失效問問 題題金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？金屬材料在高溫下的力學行為有哪些特點？什么是蠕變？什么是蠕變？評價金屬材料高溫力學性能指標有哪些？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

36、些？如何防止？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？一、材料在高溫下的一、材料在高溫下的力學行為力學行為1 1、 材料的強度隨溫度的升高而降抵。材料的強度隨溫度的升高而降抵。2 2、 高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的強度隨時間的延長而降抵。3 3、 高溫下材料的變形量隨時間的延長而增高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。加。 蠕變：蠕變：材料在長時間恒應力作用下緩慢產(chǎn)材料在長時間恒應力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。二、評價材料高溫力學二、評價材料高溫力學性能性能1 1、蠕變：、蠕變：材料在長時間的恒溫、恒應力作用下緩慢材料在長時間的恒溫、恒應力

37、作用下緩慢的產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。的產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。蠕變斷裂：蠕變斷裂：零件由于蠕變變形而引起的斷裂稱零件由于蠕變變形而引起的斷裂稱為蠕變斷裂。為蠕變斷裂。 不同的材料發(fā)生蠕變的溫度是不同的。不同的材料發(fā)生蠕變的溫度是不同的。高分子材料及鉛等在高分子材料及鉛等在 室溫室溫發(fā)生蠕變的溫度發(fā)生蠕變的溫度碳鋼碳鋼 溫度超過溫度超過 T 0.30.4 Tm T 0.30.4 Tm ；合金鋼合金鋼 溫度超過溫度超過 T 0.30.4 Tm T 0.30.4 Tm ；陶瓷（高溫）陶瓷（高溫）110011000 0C T 0.4-0.5 Tm C T 0.4-0.5 Tm ；2 、蠕變曲線

38、、蠕變曲線可分為三個階段：可分為三個階段：1）減速蠕變階段（）減速蠕變階段（ab）,斜率隨時間斜率隨時間t的增加而的增加而減少。減少。 2）恒速蠕變階段（）恒速蠕變階段（bc），斜率不變），斜率不變 （穩(wěn)態(tài)蠕變階段），通常所指的蠕變速度。（穩(wěn)態(tài)蠕變階段），通常所指的蠕變速度。3）加速蠕變階段（）加速蠕變階段（cd），如便速率隨時間的），如便速率隨時間的增加而增加，直至斷裂。增加而增加，直至斷裂。 蠕變速率單位：蠕變速率單位：三、抗力指標三、抗力指標1 1、蠕變極限：、蠕變極限：（1 1）定義：高溫長期載荷作用下材料對塑性變形）定義：高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力稱為蠕變極限。（相當于材

39、料常溫下的的抗力稱為蠕變極限。（相當于材料常溫下的屈服強度）屈服強度）（2 2）表示方法兩種）表示方法兩種a:a:在規(guī)定的溫度在規(guī)定的溫度T T下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應力值。率的應力值。 符號：符號： MPa. MPa. 含義：在含義：在6006000 0C C下使材料穩(wěn)態(tài)蠕變速率為下使材料穩(wěn)態(tài)蠕變速率為 1 1* *1010-5-5 %/h%/h的應力為的應力為60MPa60MPa。b:b:給定溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)使試樣產(chǎn)給定溫度下，在規(guī)定時間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量生一定蠕變總變形量的應力值，的應力值， 符號：符號： MPa. MPa. 含義：在含

40、義：在6006000 0C C下，在下，在10105 5h h后總的蠕變變后總的蠕變變形量為形量為1%1%的蠕變極限為的蠕變極限為100MPa. 100MPa. Tt /ds 持久強度：持久強度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。裂的能力。表示方法：表示方法：用給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)試樣發(fā)生用給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時的應力表示，斷裂時的應力表示，s sT Tt t t-t-時間；時間；T-T-溫度溫度；四、高溫下零件的失效和防止四、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）、高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、

41、斷裂斷裂、磨損、氧化腐蝕等。、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）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、熱噴涂鋁和陶瓷表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）等）1 1、附圖所示的為、附圖所示的為四種不同材料的應四種不同材料的應力應變曲線（力應變曲線（1 14 4），試比較這），試比較這四種材料的抗拉強四種材料的抗拉強度、屈服強度（或度、屈服強度（或屈服點）、剛度和屈服點）、剛度和塑性。塑性?！安牧系膹棽牧系膹椥阅Ａ啃阅Ａ縀 E愈大，則愈大，則材料的塑性愈差材料的塑性愈差”，這種說法是否正確？這種說法是否正確？為什么？為什么？第七

42、節(jié)第七節(jié) 工程材料的其它性能工程材料的其它性能 （一）、金屬的物理性能（一）、金屬的物理性能 1. 1. 密度密度 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。密度小于單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度。密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3 的金屬稱為輕金屬的金屬稱為輕金屬, , 如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金屬稱為重金屬的金屬稱為重金屬, , 如鐵、鉛、鎢等。輕金如鐵、鉛、鎢等。輕金屬多用于航天航空器上。屬多用于航天航空器上。 2. 2. 熔點熔點 金屬從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點，純金屬都有

43、固金屬從固態(tài)向液態(tài)轉變時的溫度稱為熔點，純金屬都有固定的熔點。定的熔點。 熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來熔點高的金屬稱為難熔金屬，如鎢、鉬、釩等，可以用來制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方制造耐高溫零件，如在火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等方面得到廣泛應用。面得到廣泛應用。 熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。絲和防火安全閥零件等。3. 3. 導熱性導熱性 金屬的導熱性以銀為最好金屬的導熱性以銀為最好, , 銅、鋁次之。銅、鋁次之。 合金的導熱性比純金屬差。合金的導熱性

44、比純金屬差。 在熱加工和熱處理時，必須考慮金屬材料的導熱性，防止在熱加工和熱處理時，必須考慮金屬材料的導熱性，防止材料在加熱或冷卻過程中形成過大的內(nèi)應力，以免零件變形或材料在加熱或冷卻過程中形成過大的內(nèi)應力，以免零件變形或開裂。導熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器與開裂。導熱性好的金屬散熱也好，在制造散熱器、熱交換器與活塞等零件時，要選用導熱性好的金屬材料活塞等零件時，要選用導熱性好的金屬材料。 4. 4. 導電性導電性 傳導電流的能力稱導電性，用電阻率來衡量傳導電流的能力稱導電性，用電阻率來衡量 金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。 合金的導電性比純

45、金屬差。合金的導電性比純金屬差。 電阻率小的金屬電阻率小的金屬( (純銅、純鋁純銅、純鋁) )適于制造導電零件和電線。適于制造導電零件和電線。電阻率大的金屬或合金電阻率大的金屬或合金( (如鎢、鉬、鐵、鉻、鋁如鎢、鉬、鐵、鉻、鋁) )適于做電熱元適于做電熱元件。件。5. 5. 熱膨脹性熱膨脹性 金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件。由膨脹系數(shù)大的材料制造的零件, , 在溫度變化時在溫度變化時, , 尺寸和形尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺狀變化較大。軸和軸瓦之間要根據(jù)其膨

46、脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時也要考慮材料的熱膨脹影響寸；在熱加工和熱處理時也要考慮材料的熱膨脹影響, , 以減少以減少工件的變形和開裂。工件的變形和開裂。 6. 6. 磁性磁性 鐵磁性材料鐵磁性材料 在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等。在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等。 順磁性材料順磁性材料 在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等。 抗磁性材料抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。如銅、鋅等。 鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等?？勾盆F磁性材料可用于制造變壓器、電動機、測量儀表等?？勾判圆牧蟿t用于要求避免電磁場干擾的零件和結構材料，如航海性材料則用于要求避免電磁場干擾的零件和結構材料，如航海羅盤。羅