緒論與機(jī)械零件的失效分析.ppt

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緒論,機(jī)械工程材料的定義、分類和常用的性能指標(biāo)；學(xué)習(xí)本門課程的目的。,一機(jī)械工程材料的定義和分類,1、定義機(jī)械工程材料主要指用于機(jī)械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等領(lǐng)域的材料。,2、分類（按化學(xué)成分分類）金屬材料(綜合性能好，用量最大、應(yīng)用范圍最廣)高分子材料(質(zhì)輕、耐腐蝕，常用于化工、機(jī)械、航空航天等)陶瓷材料（高電強(qiáng)、高硬度、耐腐蝕、絕緣，用于電器、化工、航空航天等等）復(fù)合材料（輕、高的比強(qiáng)度、比剛度，結(jié)合兩種材料的性能優(yōu)點(diǎn)，用于航空航天等領(lǐng)域）,二機(jī)械工程材料的常用性能,三、學(xué)習(xí)《機(jī)械工程材料》的目的,（1）獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基本理論知識，了解各種機(jī)械工程材料的基本特性和應(yīng)用范圍；（2）在了解材料性能和設(shè)計之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，可根據(jù)零件的工作條件和失效形式，正確設(shè)計和合理選材；（3）能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、外界條件（溫度、環(huán)境介質(zhì)）改變對材料性能的影響，正確制定零件的冷、熱加工工藝路線。,第一章機(jī)械零件的失效分析,本章主要內(nèi)容零件的過量變形以及性能指標(biāo)零件的斷裂及性能指標(biāo)零件在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標(biāo)零件的磨損失效以及防止零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,關(guān)于失效的基本概念,1零件（構(gòu)件）的功能（1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸；（2）實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動；（3）傳遞力和能。,失效的定義和形式定義:零件失去設(shè)計所要求的效能（功能）稱為失效。常見的失效形式：過量變形、斷裂、磨損、腐蝕,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過量變形,材料的靜載性能指標(biāo)有哪些?什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設(shè)計時應(yīng)選擇什么性能指標(biāo)?發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標(biāo)有哪些?,問題,一、材料的靜載性能指標(biāo),剛度和強(qiáng)度指標(biāo)彈性和塑性指標(biāo)硬度指標(biāo)韌性指標(biāo)（放在斷裂中講）,1、剛度,剛度：零構(gòu)件載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。,2、強(qiáng)度、彈性塑性指標(biāo),試樣的靜拉伸過程,（1）強(qiáng)度：材料抵抗變形或者斷裂的能力,比例極限sp彈性極限se屈服強(qiáng)度ss抗拉強(qiáng)度sb斷裂強(qiáng)度sk,（2）彈性和塑性指標(biāo)彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力,彈性指標(biāo)：彈性能（彈性比功）m塑性指標(biāo)：斷后伸長率d斷面收縮?,硬度硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度指標(biāo)：物理意義與試驗(yàn)方法有關(guān),滑痕法硬度值（莫氏硬度）彈性回跳法硬度值（肖氏硬度）壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛）布氏硬度（HBS)淬火鋼球洛氏硬度(HRC)（錐角為120的金剛石圓錐體）維氏硬度(HV)（錐面角為136的金剛石四棱錐體為壓頭,二、過量變形失效,過量彈性變形及抗力指標(biāo)（1）零構(gòu)件發(fā)生過量彈性變形失效：Dl?[Dl](拉壓或者彎曲條件下）或者q?[q]（扭轉(zhuǎn)條件下）（2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠（3）抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G,過量塑性變形及抗力指標(biāo)（1）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(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠（3）抗力指標(biāo)：比例極限、彈性極限和屈服極限,總結(jié),零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足抗力指標(biāo)：彈性模量E或者切變模量G,強(qiáng)調(diào)！金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。,本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標(biāo)及應(yīng)用,剛度：剛度設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零構(gòu)件,彈性指標(biāo)：彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車板簧和各類彈簧等,屈服強(qiáng)度和塑性：一般零件的抗斷裂設(shè)計。,硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承等.,,,,,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,問題斷裂可分為幾類？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(xué)性能指標(biāo)有哪些？材料韌性指標(biāo)的含義及應(yīng)用？,一、基本概念,靜載荷和沖擊載荷斷裂：材料在外力作用下分為兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。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(kuò)展韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。,韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌,韌性斷口,脆性斷口,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),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(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標(biāo)：沖擊吸收功Ak沖擊韌度ak(ak＝Ak/Fk)應(yīng)用：評價材料韌性的好壞，與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計。低溫沖擊試驗(yàn)：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK),材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),斷裂韌度KIC:是評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位：MPam1/2或者M(jìn)Nm-3/2應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材）KIKIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI＝KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件3應(yīng)用場合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。,四、影響脆性斷裂的因素,溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸,總結(jié),材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標(biāo)：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)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應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計。材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方法改變。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,問題什么是疲勞斷裂？疲勞斷口由哪幾個部分組成？疲勞抗力指標(biāo)有哪些？在設(shè)計中如何使用這些指標(biāo)？,一、基本概念,交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。,二、疲勞斷口的特點(diǎn),疲勞斷口,示意圖,疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌,三、疲勞抗力指標(biāo),無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo)：,疲勞極限過載持久值,疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。,疲勞曲線,圖1－11兩種類型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬（如鋁合金）,過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。,高周疲勞：Nf>105低周疲勞:Nf<105,2帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo),裂紋擴(kuò)展速率（da/dN)疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值(DKth）,四、影響疲勞抗力的因素,載荷類型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì),總結(jié),疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感度。工作應(yīng)力s疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)力越大，過載持久值越低。3疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。,第四節(jié)零件的磨損失效,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(jī)理以及防止措施。,一、磨損的基本概念產(chǎn)生磨損的條件磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。,二、磨損的過程和機(jī)理,粘著磨損（1）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。,（2）過程,（3）粘著磨損的特點(diǎn)：磨損速度大；破壞嚴(yán)重。,（4）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材料；提高表面硬度；合理設(shè)計減小接觸壓應(yīng)力；減小表面粗糙度。,磨粒磨損（1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦?xí)r零件表面存在硬質(zhì)磨粒，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導(dǎo)致零件表面逐漸損耗的一種磨損。,（2）過程,（4）防止措施提高表面硬度（從選材方面）；減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。,接觸疲勞（疲勞磨損，麻點(diǎn)磨損）（1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。（2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴(kuò)展過程。,（3）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(qiáng)度；減小表面粗糙度。,總結(jié),磨損是機(jī)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(jī)理不同，因此其主要的預(yù)防措施也不同。提高零件表面硬度，合理設(shè)計減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。,第五節(jié)零件的腐蝕失效,問題1什么是腐蝕？可分為幾類？高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是什么？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,腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕,二、腐蝕過程及防止化學(xué)腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）,高溫氧化過程：（1）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（3）金屬離子和氧離子結(jié)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。提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進(jìn)一步氧化。,電化學(xué)腐蝕條件：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。,電化學(xué)腐蝕的過程,陽極：失去電子，M?Mn++ne(被腐蝕）陰極：發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng),三、零件防止腐蝕的措施,對于化學(xué)腐蝕，常采用以下方式：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等；零件表面涂層。對于電化學(xué)腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面涂層；電化學(xué)保護(hù)；加緩蝕劑,第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,問題金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)？什么是蠕變？評價金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些？高溫下零件的失效方式有哪些？如何防止？,一、材料在高溫下的力學(xué)行為,1材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。2高溫下材料的強(qiáng)度隨時間的延長而降抵。高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。蠕變：材料在長時間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。,二、評價材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限：高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力指標(biāo)成為蠕變極限。表示方法（1）在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，符號為,（2）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d的應(yīng)力值，符號為：,,持久強(qiáng)度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。表示方法：用給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時的應(yīng)力表示，sTtt---時間；T----溫度；,三、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）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施：正確選材；（選熔點(diǎn)高、組織穩(wěn)定的材料）表面處理（表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等）,