白背底機械工程材料-第1章失效分析

1、第一章FAILURE機械零件的失效分析YSIS OF MACHINE ELEMENTS 常見失效方式 Exsive deformation過量變形Fracture斷裂FatigueWear疲勞磨損High temperature creep高溫蠕變Corro腐蝕第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形 1. 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變行為OA: ABC: CDE: E:彈性變形屈服塑性變形斷裂一、工程材料在靜拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變行為退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線2.其他類型材料的應(yīng)力應(yīng)變行為其他材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線1純金屬, 2脆性材料, 3高彈性材料二、靜載性能指標 1. 剛度零（構(gòu)）件受力時抵抗彈性變形的能力單向拉伸

2、(或壓縮):P A EAE 彈性模量純剪切: A GAPG 切變模量 2. 強度 p 比例極限 e 彈性極限 s 屈服強度 b 抗拉強度 k 斷裂強度退火態(tài)低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線 3. 彈性 E EG正彈模量切彈模量G 最大彈性應(yīng)變彈性能eu21212 u e Eee彈性能 e 4. 塑性 L L0100%斷后伸長率L0A0 A 100%斷面收縮率A0 5. 硬度 材料抵抗壓入或刻劃的能力布氏硬度 HBS洛氏硬度 HRC維氏硬度 HV三、過量彈性變形失效一定載荷下，零件的彈性變形量超過了規(guī)定值零件剛度 1. 現(xiàn)象 2. 原因P EA 3. 防止措施選用彈性模量E 高的材料增大零件的截面積A四、過

3、量塑性變形失效 一定載荷下不允許發(fā)生塑性變形的零件發(fā)生了塑性變形或塑性變形量超過了規(guī)定值 1. 現(xiàn)象 強度 2. 原因 P , e , s 3. 防止措施 用強度高的材料提高材料的強度第二節(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 1. 韌性斷裂 斷裂前發(fā)生明顯塑性變形的斷裂斷口特征：杯錐狀，暗灰色 2. 脆性斷裂 斷裂前未發(fā)生明顯塑性變形的斷裂斷口特征：杯錐狀，暗灰色二、沖擊韌性及其度量指標 1. 沖擊實驗 沖擊實驗的試樣沖擊實驗示意圖 2. 沖擊韌性 材料在沖擊載荷下吸收沖擊功（塑性變形功和斷裂功）的能力3. 沖擊韌度aK沖擊功與試樣斷面面積的比值 AK(J cm2 )aKF

4、K沖擊功AK -(J )(cm2 )F試樣斷面面積-K 4. 沖擊韌度與溫度的關(guān)系 沖擊韌度隨溫度降低而減小存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度 TK三種鋼的沖擊韌度隨溫度變化曲線示意圖 三、影響脆斷的 1. 材料本性和加載方式 2. 溫度和加載速度屈服強度隨溫度變化示意圖 3. 應(yīng)力集中 缺口處應(yīng)力集中示意圖4. 零件尺寸 截面越大,越易脆斷第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂 一、疲勞的基本概念 1. 交變載荷 方向及大小隨時間周期性變化的載荷幾種常見的交變應(yīng)力 2. 疲勞斷裂的特點 s低應(yīng)力突然性疲勞斷裂過程疲勞裂紋萌生裂紋擴展最終破斷二、疲勞斷口的特征疲勞斷口的形貌疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū)最后斷裂區(qū)分三個區(qū)域

5、1. 疲勞裂紋源區(qū) 缺陷（夾雜物，孔洞）形成于應(yīng)力集中處加工缺陷不當設(shè)計(刀痕,微裂紋)(截面突然變化) 2. 疲勞裂紋擴展區(qū) 有疲勞條紋，呈“貝紋狀”“海灘狀” 3. 最后斷裂區(qū) 有放射狀線或疲勞斷口示意圖 三、無裂紋零（構(gòu)）件的疲勞抗力指標 1. 疲勞極限和過負荷持久值 1)疲勞曲線旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實驗疲勞曲線示意圖兩種類型疲勞曲線:a)鋼鐵材料;b)部分有色金屬(如鋁合金等) 12)疲勞極限經(jīng)受無限多次應(yīng)力循環(huán)也不斷裂的最大應(yīng)力條件疲勞極限不存在疲勞極限時，規(guī)定循環(huán)基數(shù) N 0 時的斷裂應(yīng)力3)過負荷持久值高于疲勞極限的應(yīng)力下，在4)規(guī)定斷裂所對應(yīng)的應(yīng)力 2. 疲勞缺口敏感度 q 缺口處的應(yīng)

6、力集中及其對疲勞極限的影響: (a)靜載下缺口處的應(yīng)力集中,(b)光滑試樣與缺口試樣的疲勞極限1 1 maxq K fKK(0q1)tfK 11Nmt光滑試樣的疲勞極限 1 1N 缺口試樣的疲勞極限 max 應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力 m應(yīng)力集中處的平均應(yīng)力smooth specimennotched specimen 四、影響疲勞抗力的 1P 0.85 1(鋼) 1. 載荷類型拉-壓疲勞扭轉(zhuǎn)疲勞 1P 0.65 1(鑄鐵) 1 1 0.551(鋼及輕合金) 0.8 1(鑄鐵) 2. 材料本質(zhì) 1) 不同材料有不同的疲勞極限 1幾種材料的疲勞曲線2)材料組織類型對疲勞極限的影響3)材料純度對疲勞極限

7、有明顯影響4043鋼純度對疲勞曲線的影響 3. 零件表面狀態(tài)的影響 1)表面光潔度2)表面應(yīng)力狀態(tài)表面殘余壓應(yīng)力有利則 1 ，q 則 1 ，q T , 4. 溫度的影響 T , 5. 腐蝕性介質(zhì)的影響 第四節(jié)零件的磨損失效WEAR FALAURE OF COMPONENT黏著磨損磨粒磨損腐蝕磨損接觸疲勞一、黏著磨損 螺栓與螺母, 蝸輪與蝸桿冷焊” 拉1.現(xiàn)象如: 2. 磨損機理 粘著磨損示意圖摩擦副正確配對減小摩擦系數(shù)或提高表面硬度 3. 防止措施 減小接觸壓應(yīng)力拽 二、磨粒磨損 1. 現(xiàn)象 如:內(nèi)燃機汽缸套內(nèi)燃機偏心輪硬質(zhì)磨粒嵌入切削 2. 磨損機理 磨粒磨損示意圖提高零件表面硬度 3. 防

8、止措施 磨粒磨損時相對耐磨性與材料硬度的關(guān)系 三、腐蝕磨損 1. 氧化磨損 1)現(xiàn)象零件表面氧化膜反復(fù)形成脫落2)原因氧化膜疏松、與基體結(jié)合力差提高零件表面硬度防止措施使零件表面形成致密氧化膜3) 2. 微動磨損 1)2)現(xiàn)象原因:如:嵌合連接的鍵、肖等的磨損交變載荷振動作用下的微小相對滑動磨損緊配合軸微動磨損的發(fā)生3)防止措施提高嵌合處表面硬度采用墊襯改進設(shè)計減小應(yīng)力集中壓配合軸設(shè)計示例四、接觸疲勞 1. 現(xiàn)象 在接觸應(yīng)力和交變應(yīng)力的聯(lián)合作下，零件表面局部剝落或產(chǎn)生麻點如齒輪、 滾動軸承等 2. 形成機理 裂紋形成擴展剝落 3. 防止措施 提高零件表面硬度提高材料純凈度提高零件表面光潔度增大

9、潤滑油黏度提高零件心部硬度和強度第五節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂CREEP DEFORMATION AND FRACTURE OF COMPONENHIGH TEMPARATURE高溫蠕變現(xiàn)象蠕變抗力指標 高溫蠕變的防止 一、高溫蠕變現(xiàn)象 即使應(yīng)力小于屈服強度，但在長 1. 現(xiàn)象 時間、恒應(yīng)力作用下，零件也會慢慢產(chǎn)生塑性變形和斷裂如內(nèi)燃機汽缸蓋螺栓等 2. 蠕變曲線 1)典型的蠕變曲線分三階段：蠕變恒速蠕變加速蠕變典型的蠕變曲線2)應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響應(yīng)力和溫度對蠕變曲線的影響(a)恒定溫度下改變應(yīng)力(b)恒定應(yīng)力下改變溫度 二、蠕變抗力指標 1. 蠕變極限 高溫長期載荷作用下，材料對蠕變變形的抵抗能力 T 給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定蠕變速