第1章 机械零件的失效分析-1.ppt

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1、机械工程材料机械工程材料甘肃农业大学甘肃农业大学 工学院工学院主讲主讲 赵春花赵春花 教授教授绪论绪论绪论绪论材料科学的重要地位材料科学的重要地位什么是材料科学什么是材料科学工程材料简介工程材料简介0.1 材料科学的重要地位材料科学的重要地位材材料料是是人人类类社社会会生生活活中中广广泛泛使使用用的的物物质质，是是社社会会发发展展和和进进步步的重要标志；的重要标志；人类使用材料的七个时代；人类使用材料的七个时代；人类使用材料的七个时代起始时间起始时间时代名称时代名称100,000 BC 石器时代石器时代3,000 BC 青铜器时代青铜器时代1,000 BC 铁器时代铁器时代0 AD 水泥时代水

2、泥时代1800 AD 钢时代钢时代1950 AD 硅时代硅时代1990 AD 新材料时代新材料时代现现代代技技术术的的三三大大支支柱柱：能能源源、信信息、材料；息、材料；材材料料的的品品种种、数数量量和和质质量量已已成成为为衡衡量量一一个个国国家家科科技技和和国国民民经经济济水水平及国防力量的重要标志。平及国防力量的重要标志。02 02 什么是材料科学什么是材料科学材材料料科科学学是是研研究究材材料料的的结结构构、制制备备加加工工工工艺艺与性能之间关系的科学。与性能之间关系的科学。材料科学与工程的四要素材料科学与工程的四要素使用性能使用性能成分成分/组织组织固有性能固有性能制备制备/加加工工材

3、料结构所包括的四个层次：原子结构、结合键、原子排列方式和组织 成分成分/组织组织制备制备/加工加工制备、加工方法及其对性能的影响材料本身所具有的物理、化学及力学性能固有性能固有性能使用性能使用性能将材料的固有性能和产品设计、工程应用能力等联系起来。如寿命、速度、能量利用率、安全可靠性机械工程材料机械工程材料机械工程材料主要指用于机机械械工工程程、电电器器工工程程、建建筑筑工工程程、化化工工工工程程、航航空空航航天天工工程程等领域的材料。机械工程材料的常用性能机械工程材料的常用性能 两方面材料使用性能材料使用性能材料工艺性能材料工艺性能力学性能力学性能（强度、塑性韧性等）强度、塑性韧性等）物理性

4、能物理性能（光、热、电、磁等）（光、热、电、磁等）化学性能化学性能（氧化、腐蚀等）（氧化、腐蚀等）生物性能（生物性能（相容性、自恢复性等）相容性、自恢复性等）加工性能加工性能（切削、锻造等）（切削、锻造等）铸造性能铸造性能（适合铸造与否）（适合铸造与否）焊接性能焊接性能（容易焊接与否）（容易焊接与否）热处理性能热处理性能（可热处理强化）（可热处理强化）03 03 工程材料简介工程材料简介分类分类金属材料金属材料非金属材料非金属材料金属材料金属材料 Metallic Materials金属材料金属材料钢铁材料钢铁材料Ferrous metals有色金属材料有色金属材料Non-ferrous me

5、tals用量占用量占80%非金属材料非金属材料 Non-metallic Materials分类分类陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料功能材料功能材料陶瓷材料陶瓷材料 Ceramic Materials陶瓷陶瓷传统陶瓷传统陶瓷结构陶瓷结构陶瓷高分子材料高分子材料 Polymeric Materials又称聚合物，按照用途可分为：又称聚合物，按照用途可分为：塑料塑料 Plastic Materials合成纤维合成纤维 Synthetic fibres橡胶橡胶 Rubbers 金金属属、聚聚合合物物、陶陶瓷瓷优优点点缺缺点点都都非非常常明明显显，如如果果把把两两种种材材料料结结合

6、合在在一一起起，发发挥挥各各自自的的长长处处，又又可可以以在在一一定定程程度度下下克克服服了了它它们们的的弱弱点点，就产生了复合材料。就产生了复合材料。复合材料复合材料 Composite Materials功能材料功能材料 Functional Materialsu电功能材料u磁功能材料u热功能材料u光功能材料u其它功能材料简介材料性能与内部结构的关系材料性能与内部结构的关系 材材料料的的不不同同性性能能都都是是由由其其内内部部结结构构来来决决定定的的，从从材材料料的的内内部部结结构构来料加工看，可分为四个层次：来料加工看，可分为四个层次：原子结构原子结构结合键结合键原子排列方式原子排列方式

7、显微组织显微组织四层次的关系四层次的关系原子结构是基础；原子结构是基础；结合键不同性能也不同；结合键不同性能也不同；原原子子排排列列方方式式（晶晶体体和和非非晶晶体体）的的差差别别，可可以以改改变变材材料料的的整整个个性性能；能；显微组织是研究材料性能的基础。显微组织是研究材料性能的基础。本课程的要求和基本内容本课程的要求和基本内容A.获得常用材料的获得常用材料的基础理论知识基础理论知识，了解各种，了解各种机械工程材料的机械工程材料的基本特性和应用范围基本特性和应用范围；B.在了解材料成分、组织、性能关系的基础在了解材料成分、组织、性能关系的基础上，可根据零件的工作条件和失效形式，上，可根据零

8、件的工作条件和失效形式，正确设计和合理选材正确设计和合理选材；C.了解结构、工艺、外界条件（温度、环境了解结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）对材料性能的影响，介质）对材料性能的影响，正确制定零件正确制定零件的冷、热加工工艺路线的冷、热加工工艺路线。要求要求A.金属学、热处理原理，基础与金属学、热处理原理，基础与工艺；工艺；B.材料（钢铁材料，有色金属及材料（钢铁材料，有色金属及其合金，高分子材料，陶瓷材其合金，高分子材料，陶瓷材料，复合材料）；料，复合材料）；C.重点重点 成分成分组织组织性能。性能。基本内容基本内容教材教材实验实验实验一实验一 金相样品的制备及金相金相样品的制备及金相显微

9、镜的使用显微镜的使用 2 学时学时 实验二实验二 钢铁材料显微组织的观钢铁材料显微组织的观察与分析察与分析 2 学时学时 实验三实验三 综合实验综合实验 4 学时学时 主要参考书主要参考书材料科学基础工程材料学工程材料性能机械工程材料与设计选材金属学及热处理材料工程基础物理冶金学原理The science and design of engineering materials第一章第一章 机械零件的失效分析机械零件的失效分析在一定的压力、温度、介质下，在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；保持规定的形状和尺寸；实现规定的机械运动；实现规定的机械运动；传递力和能。传递力和能。零件零件

10、失去设计所要求的效能失去设计所要求的效能（功能）称为失效。（功能）称为失效。常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀零件（构件）的功能零件（构件）的功能本章的内容本章的内容常温静载下的过量变形失效常温静载下的过量变形失效静载和冲击载荷下的断裂失效静载和冲击载荷下的断裂失效交变载荷下的疲劳断裂失效交变载荷下的疲劳断裂失效磨损失效磨损失效高温下的蠕变变形和断裂失效高温下的蠕变变形和断裂失效第一节第一节 零件在常温静载下的过量变形零件在常温静载下的过量变形材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。变形变形变形变形弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形外力去除后可恢

11、复外力去除后可恢复外力去除后不可恢复外力去除后不可恢复常温静载试验方法静拉伸压缩弯曲扭转硬度一、工程材料静拉伸时的应力-应变行为应力 应变 低碳钢拉伸应力-应变曲线e e:弹性变形p s:均匀塑性变形 达到b:集中塑性变形，产生颈缩变形量达k 点后，发生断裂应变应变应应力力弹弹性性变变形形屈服屈服塑性塑性变形变形均匀均匀塑性变形塑性变形不均匀集中不均匀集中塑性变形塑性变形断裂断裂e：弹性极限p：比例极限s：屈服极限，屈服强度b：强度极限，抗拉强度以上力学性能指标均对成分、组织以上力学性能指标均对成分、组织敏感敏感低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具

12、有上图所示的应力-应变行为。即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。应力 应变 其它类型材料的应力其它类型材料的应力-应变曲线应变曲线大多数纯金属大多数纯金属(Al,Cu,Au,Ag)变形分为三个阶段，无屈服塑性变形阶段脆性材料脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢及高碳合金钢）高碳钢及高碳合金钢）只有弹性变形阶段只有弹性变形阶段高弹材料高弹材料(橡胶橡胶)只只有有非非线线性性弹弹性性变变形形一一个个阶阶段段，且且弹弹性性变变形形能能力力强强，弹弹性性变变形形率率可可达达1001000。衡量材料塑性的指标伸长率、

13、断面收缩率L0、A0：拉伸试样的原始标距长度、原始截面积；拉伸试样的原始标距长度、原始截面积；L、A：拉伸试样断裂后的标距长度、颈缩处最小拉伸试样断裂后的标距长度、颈缩处最小截面积截面积二、过量变形失效二、过量变形失效过量弹性变形过量塑性变形（一）过量弹性变形（一）过量弹性变形镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；工零件的精度甚至造成废品；齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；常啮合，加速磨损，增加噪声；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用

14、。能驱动作用。零零件件在在在在一一定定载载荷荷作作用用下下，只只允允许许一一定定量量的的弹性变形，过量弹性变形会造成零件失效。弹性变形，过量弹性变形会造成零件失效。零零件件在在受受力力时时抵抵抗抗弹弹性性变变形形的的能能力力称称为为零零件的刚度。件的刚度。零件的形状零件的形状-截面积截面积材料抵抗弹性材料抵抗弹性变形的能力变形的能力选材选材设计设计材料抵抗弹性变形的性能指标弹弹性性变变形形阶阶段段，-曲曲线线的的斜斜率率tanE，称称为为材材料料的的拉拉伸伸弹弹性性模模量量，它它表表示示材材料料抵抵抗抗弹弹性性变变形的能力。形的能力。应力应力 应变应变 当材料受纯剪切时，同样有：G为切变弹性模

15、量表1-1 各类材料室温弹性模量材料E/GPa材料E/GPa金刚石1020 Cu126硬质合金460670 Al70SiC460 混凝土4551W410 木材（纵向）917镍合金130240 聚酯塑料15铁及低碳钢200 有机玻璃3.4铸铁173194 聚乙烯0.20.7低合金钢204210 橡胶0.010.1影响弹性模量的因素材料的原子本性和原子间结合力决定E/G;材料熔点高低反映了原子间结合力的强弱，也反映了E/G的大小T原子间结合力 E/G；金属材料的E/G对成分、组织不敏感；陶瓷、高分子、复合材料的E/G对成分、组织敏感。（二）过量塑性变形零件设计准则多数零件在使用过程中都处于弹性变形状态，不允许产生塑性变形。多数工程材料为弹塑性材料，弹性变形和塑性变形间无明显的分界点。条件比例极限条件弹性极限条件屈服极限p:p=0.0010.01%e:p=0.0050.05%s:p=0.010.5%应力 应变 pep 塑性应变量材料抵抗塑性变形的抗力指标比例极限弹性极限屈服极限