第一章機械零件的失效形式

1、第一章 機械零件的失效分析本章主要內容本章主要內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蠕變變形和斷裂失效的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、介質下，保持）在一定的壓力、溫度、介質下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；規(guī)定的形狀和尺寸； （2 2）實現規(guī)定的機械運動；）實現規(guī)定的機械運動； （3 3）傳遞力和能。）傳遞

2、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零件失去設計所要求的效能（功能）稱為失效。（功能）稱為失效。 常見的失效形式：常見的失效形式：過量變形、斷裂、過量變形、斷裂、磨損、腐蝕磨損、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

3、題一、材料的靜載性能指標一、材料的靜載性能指標 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能力零構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件截面積的乘積。等于材料彈性模量與零構件截面積的乘積。 剛度越大，零構件發(fā)生的彈性變形越小。剛度越大，零構件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）（在同樣的載荷下）2、強度、彈性塑性指標、強度、彈性塑性指標試樣的靜拉伸過程試樣的靜拉伸過程彈性變形、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

4、形性變形（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強度指標單位：強度指標單位：MPa（2）彈性和塑性指標）彈性和塑性指標彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。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。彈性指標：彈性能（彈性比功）彈性指標：彈性能（彈性比功）m m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 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

5、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）布氏硬度（布氏硬度（HBS)淬火鋼球淬火鋼球洛氏硬度洛氏硬度(HRC)（錐角為（錐角為120的金剛石圓錐體）的金剛石圓錐體）維氏硬度維氏硬度(HV)（錐面角為（錐面角為136 的金剛石四棱錐體為壓的金剛石四棱錐體為壓頭頭二、過量變形失效二、過量變形失效 過量彈性變形及抗力指標過量彈性變形及抗力指標（1）零構件發(fā)生過量彈性變形失效：零構件發(fā)生過量彈性變形失效：

6、D Dl D Dl (拉壓或者彎曲條件下）拉壓或者彎曲條件下）或者或者 q q q q （扭轉條件下）（扭轉條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構件的剛度不夠）過量彈性變形的原因：零構件的剛度不夠（3）抗力指標：彈性模量）抗力指標：彈性模量E或者切變模量或者切變模量G 過量塑性變形及抗力指標過量塑性變形及抗力指標（1）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量（2）原因：偶而過載或者零構件本身抵抗塑）原因：偶而過載或者零構件本身抵抗塑性變形的能力不夠性變形的能力不夠（3）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服極限極限總總 結結零構件發(fā)

7、生過彈性變形的原因：零構件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足剛度不足抗力指標：抗力指標：彈性模量彈性模量E或者或者切變模量切變模量G強強 調！調！金屬和合金的金屬和合金的彈性模量不能彈性模量不能通過合金化和熱處理、通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。冷變形等方法改變。本節(jié)中本節(jié)中所講的所講的材料的材料的力學性力學性能指標能指標及應用及應用剛度剛度：在設計中，考慮構件在在設計中，考慮構件在受力時發(fā)生的彈性變形量，需受力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。主要力學性能是材要用剛度。主要力學性能是材料的料的彈性模量彈性模量。如鏜床的鏜桿、。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等齒輪軸等彈性指標彈性指標：彈性極限和彈性彈性

8、極限和彈性模量是設計彈性零件考慮的模量是設計彈性零件考慮的性能指標性能指標。如汽車板簧和各。如汽車板簧和各類彈簧等類彈簧等強度和塑性指標：屈服強度強度和塑性指標：屈服強度和塑性和塑性用于一般零件的抗斷用于一般零件的抗斷裂設計。裂設計。硬度硬度：在耐磨零件中必須考慮的在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)等等.第二節(jié)第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂問問 題題斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷裂的斷斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷

9、裂的斷裂過程的區(qū)別在哪里？裂過程的區(qū)別在哪里？什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學性能指標什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學性能指標有哪些？有哪些？1材料韌性指標的含義及應用？材料韌性指標的含義及應用？一、基本概念一、基本概念 靜載荷和沖擊載荷靜載荷和沖擊載荷 斷裂：斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩個以材料在外力作用下分為兩個或者兩個以上部分的現象。上部分的現象。 斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂斷裂的分類：韌性斷裂和脆性斷裂 斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展 韌性：韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。吸收能量的能力。韌

10、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二、沖擊韌性及衡量指標二、沖擊韌性及衡量指標沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強度和塑性的綜功和斷裂功的能力。是材料強度和塑性的綜合表現。合表現。衡量指標：沖擊吸收功衡量指標：沖擊吸收功Ak沖擊韌度沖擊韌度ak(ak Ak/Fk )應用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結應用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結合用于一般零件抗斷裂設計。合用于一般零件抗斷裂設計。低溫沖擊試驗：低溫沖擊試驗：(材料的韌脆轉變溫度材料的韌脆轉變溫度TK)材料韌脆

11、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三、斷裂韌性及衡量指標三、斷裂韌性及衡量指標斷裂韌度斷裂韌度KIC: 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力。 單位：單位：MPam 1/2 或者或者 MN m-3/2應用應用（判斷構件是否安全，合理選材）（判斷構件是否安全，合理選材）KI KIC 構件發(fā)生脆性斷裂構件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件構件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件3 應用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導彈應用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機

12、、導彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉子、大型發(fā)電機轉子等。子、大型發(fā)電機轉子等。四、影響脆性斷裂的因素四、影響脆性斷裂的因素 溫度和加載速度溫度和加載速度 應力集中應力集中 零件尺寸零件尺寸總總 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、材料韌脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價料韌脆轉變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應力脆性斷裂的設計。應力脆性斷

13、裂的設計。 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、基本概念交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經過長時間工疲勞斷裂：零件在交變載荷下經過長時間工作而發(fā)生斷裂的現象成為疲勞斷裂。作

14、而發(fā)生斷裂的現象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最后斷裂。最后斷裂。二、疲勞斷口的特點二、疲勞斷口的特點疲勞斷口示意圖示意圖疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(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疲疲勞勞裂裂紋紋擴擴展展區(qū)區(qū)疲疲勞勞源源區(qū)區(qū)三、疲勞抗力指標三、疲勞抗力指標無裂紋構件的疲勞抗力指標無裂紋構件的疲勞抗力指標：疲勞極限疲勞極限過載持久值過載持久值疲勞極限：材料經過無限次應力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應力。對應于疲勞曲線上水平部分對應的應力值。疲勞曲線 圖圖111 兩種類型的疲勞曲線兩種類型的疲勞曲線a)

15、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過載持久值：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。高周疲勞：高周疲勞：Nf105低周疲勞低周疲勞: Nf1052帶裂紋構件的疲勞抗力指標帶裂紋構件的疲勞抗力指標裂紋擴展速率（裂紋擴展速率（da/dN)疲勞裂紋擴展門檻值疲勞裂紋擴展門檻值(DKDKth）四、影響疲勞抗力的因素四、影響疲勞抗力的因素載荷類型載荷類型材料本質材料本質零件表面狀態(tài)零件表面狀態(tài)工作溫度工作溫度腐蝕介質腐蝕介質總總 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

16、很大種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構件設計中常用的疲勞抗力指標是疲勞無裂紋零構件設計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。 工作應力工作應力sss疲勞極限，構件在一定的周次下疲勞極限，構件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應力越大，工作應力越大，過載持久值越低。過載持久值越低。3 3 疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據斷口就可判斷擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。是否發(fā)生疲勞斷裂。第四節(jié)第四節(jié) 零件

17、的磨損失效零件的磨損失效 本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。一、磨損的基本概念磨損的基本概念產生磨損的條件產生磨損的條件1 磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質耗損的現象叫做磨損。變化和物質耗損的現象叫做磨損。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）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬

18、屑粒被拉拽下滑動中粘著處被破壞，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。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）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。（4）防止措施）防止措施合理選材，摩擦幅配對材料選用硬度差較大的異類合理選材，摩擦幅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：

19、又稱磨料磨損，在滑動摩擦時又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質磨粒，使磨面發(fā)生局部塑零件表面存在硬質磨粒，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損耗的一種磨損。導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。 （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）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）；減少磨粒數量（從工作狀況方面）減少磨粒數量（從工作狀況方面）。接觸疲勞

20、（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擦時，在零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞交變接觸壓應力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現象。的現象。（2 2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。 （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；提高零件心部和表面強度；提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。減小表面粗糙度。總 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

21、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發(fā)生化學反腐蝕：材料表面和周圍介質發(fā)生化學反應或者電化學反

22、應所引起的表面損傷現應或者電化學反應所引起的表面損傷現象。象。分類：分類：化學腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕電化學腐蝕二、腐蝕過程及防止二、腐蝕過程及防止1 化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）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否致密。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：加入提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結等元素，與氧結合形成致密的氧化物膜

23、，防止基體金屬進一步氧化。合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。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)通的電介質溶液中形成微電池?；ヂ?lián)通的電介質溶液中形成微電池。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三、零件防止腐蝕的措施三、零件防止腐蝕的措施 對于化學腐蝕，常采用以下方式：選擇對于化學腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。材料等；零件表面涂層。 對于電化學腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表對于電化學腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學保護；加緩蝕劑面涂層；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些？如