机械工程材料-课件-110417.pptx

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1、绪 论 工程材料及其类别工程材料及其类别 机械工程材料机械工程材料 本课程的目的本课程的目的 本课程的主要内容本课程的主要内容旧石器时代旧石器时代 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代一、材料科学与社会发展 铁器时代（铁器时代（1400年前，春秋战国）年前，春秋战国）生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进生产工具由青铜器过渡到铁器，其重大发展对社会进步起了巨大的推动作用。步起了巨大的推动作用。汉代汉代“先炼铁后炼钢先炼铁后炼钢”技术居世界领先地位。技术居世界领先地位。铁器物品铁制车轮一、材料科学与社会发展 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前）人类在地球

2、上出现之后，最早使用的工具是石头。人类在地球上出现之后，最早使用的工具是石头。一、材料科学与社会发展1.材料与人类生活材料与人类生活人类社会依据制造人类社会依据制造生产工具的材料生产工具的材料来进行历史划分来进行历史划分 材料科学与社会发展材料科学与社会发展一、材料科学与社会发展 旧石器时代（旧石器时代（250万年前）万年前）石头石头石器石器一、材料科学与社会发展 新石器时代（新石器时代（1万年前）万年前）原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷陶瓷。精美石器陶器人类第一种合成材料一、材料科学与社会发展 青铜器时代（青铜器时代（4000年前）年前）奴隶社

3、会，青铜冶炼技术得到很大发展。奴隶社会，青铜冶炼技术得到很大发展。我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平我国青铜冶炼始于夏代，商周时代，达到较高水平 青铜（铜锡合金）青铜（铜锡合金）人类发明的第一种合金人类发明的第一种合金一、材料科学与社会发展 其他材料其他材料与陶瓷材料和金属材料发展的同时与陶瓷材料和金属材料发展的同时天然高分子材料天然高分子材料 棉、麻、丝绸材料棉、麻、丝绸材料功能材料功能材料 磁铁磁铁指南针指南针 新石器（制陶）新石器（制陶）东汉（制磁）东汉（制磁）唐（釉）唐（釉）唐（顶峰）唐（顶峰）陶瓷的发展陶瓷的发展一、材料科学与社会发展2.材料科学发展与现代文明的联系材料科学

4、发展与现代文明的联系 18世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。世纪世界工业迅速发展，对材料提出了更高要求。1863年光学显微镜，年光学显微镜，1912年年X射线衍射技术和射线衍射技术和1932年年电子显微镜等仪器出现电子显微镜等仪器出现 金属学日趋完善金属学日趋完善，大大推动了金属材料的发展，大大推动了金属材料的发展 一、材料科学与社会发展2.材料科学发展与现代文明的联系材料科学发展与现代文明的联系 现代社会文明的三大支柱：能源、信息和现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料材料 信息时代是建立在信息时代是建立在材料材料的基础上的基础上 硅半导体硅半导体晶体管晶体管集成电路集成电路计算

5、机计算机 磁性材料磁性材料信息贮存信息贮存 激光材料激光材料+光导纤维光导纤维信息传输信息传输信息网络信息网络 能源技术以能源技术以材料材料为支撑为支撑 再生能源、核能、燃料电池等再生能源、核能、燃料电池等信息时代信息时代一、材料科学与社会发展3.现代材料学现代材料学 现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料现代材料学是以金属学、高分子材料、陶瓷材料为基础，为基础，研究所有固体材料的成分、组织和性能之研究所有固体材料的成分、组织和性能之间关系的的一门科学。间关系的的一门科学。现代社会对材料的要求：现代社会对材料的要求：具有高性能或具有特殊具有高性能或具有特殊性能的金属、非金属及复合材料。性能

6、的金属、非金属及复合材料。一、材料科学与社会发展信息社会的材料产业结构及材料发展趋势：信息社会的材料产业结构及材料发展趋势：从工业社会向信息社会过渡中从工业社会向信息社会过渡中 产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集产业结构从劳动密集型、资金密集型向技术密集型和知识密集型发展型和知识密集型发展 劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非劳动对象的结构中金属材料比重下降、而无机非金属材料、有机合成材料的比重越来越大。金属材料、有机合成材料的比重越来越大。一、材料科学与社会发展新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的新材料新技术的应用的程度决定一个国家和地区的经济发展水平。经济发展水平。硅

7、片的发展及现状硅片的发展及现状 集成度越来越高集成度越来越高 直径越来越大直径越来越大 国外：国外：16英寸以上英寸以上 中国：中国：6-8英寸为主流英寸为主流二、工程材料及其类别1.工程材料的含义：工程材料的含义：工程材料是以用于工程材料是以用于工程结构和机器零件及元器件工程结构和机器零件及元器件的的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。造工程构件和机械零件的材料。二、工程材料及其类别2.工程材料的类别：工程材料的类别：工程材料

8、是以用于工程结构和机器零件及元器件的材料为研究对象。主要包括：机械、船舶、化工、建筑、车辆、仪表、航空航天等工程领域中用于制造工程构件和机械零件的材料。二、工程材料及其类别2.工程材料的类别：工程材料的类别：二、工程材料及其类别2.工程材料的性能：工程材料的性能：使用性能：使用性能：材料在使用条件下具有的性能材料在使用条件下具有的性能（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）（力学性能、物理性能、化学性能及生物功能）工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中下具有的性能材料在加工过程中下具有的性能（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接（且削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能

9、等）性能和热处理性能等）三、机械工程材料1.机械工程材料含义：机械工程材料含义：机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是机械工程材料顾名思义就机械工程中应用的材料问题，应该是跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料跨越机械和材料两个学科，以机械工业的需求出发，推动材料科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技科学技术的发展，同时材料科学的新进展又推动了机械工程技术的革新和发展。术的革新和发展。三、机械工程材料2.材料技术对机械工程发展的促进：材料技术对机械工程发展的促进：四、课程的目的 随着机械工业的发展，对于产品要求越来越高，无论随着机械工业的发展，对

10、于产品要求越来越高，无论是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要求产是制造机床还是建造轮船、石油化工设备、都要求产品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此在产品品技术先进，质量高、寿命长、造价低。因此在产品设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料和材料加设计和制造过程中，会遇到越来越多的材料和材料加工方面的问题。这就要求机械工程技术人员掌握必要工方面的问题。这就要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学和材料工程知识，具备准确的选择材料和的材料科学和材料工程知识，具备准确的选择材料和加工方法，合理安排加工工艺路线。加工方法，合理安排加工工艺路线。四、课程的目的机械制造与材料：结构机械制造与材料：结

11、构性能性能加工工艺加工工艺u内部结构与性能：内部结构与性能：材料的性能来源于该材料的材料的性能来源于该材料的内部结构内部结构，这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。这是对工程师和学者最具有重要价值的一个原则。u加工工艺与性能：加工工艺与性能：材料必须进行加工，以满足工程师对所材料必须进行加工，以满足工程师对所设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制设计产品的要求，目的是要了解结构变化的本质，以便于制定适当的工艺流程。定适当的工艺流程。u使用行为：使用行为：在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而且要考虑使那些材料内部结构发生变化，从而导致

12、材料性能发要考虑使那些材料内部结构发生变化，从而导致材料性能发生变化的使用条件。生变化的使用条件。四、课程的目的课程的目的：课程的目的：获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非金属材料获得有关工程结构和机器零件常用的金属材料，非金属材料的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据零件工作条件的基本理论知识和性能特点，并初步具备根据零件工作条件和失效方式，合理选材与使用材料，正确制定零件的冷、热和失效方式，合理选材与使用材料，正确制定零件的冷、热加工工艺路线的能力。加工工艺路线的能力。l 了解材料的性能与设计的关系了解材料的性能与设计的关系l了解各种材料的基本特性和应用范围了解各种材料的基本特性

13、和应用范围四、课程的目的五、课程的主要内容1.机械零件的失效形式；机械零件的失效形式；2.金属材料的基本知识、热处理基本原理、常用金金属材料的基本知识、热处理基本原理、常用金属材料的性能特点及应用；属材料的性能特点及应用；3.非金属材料（高分子材料、陶瓷材料、复合材料）非金属材料（高分子材料、陶瓷材料、复合材料）和功能材料的基本知识和性能特点及引用；和功能材料的基本知识和性能特点及引用；4.材料改性新技术；材料改性新技术；5.机械零（构）件设计、选材的基本方法及工程材机械零（构）件设计、选材的基本方法及工程材料在典型机械上的应用。料在典型机械上的应用。主要参考文献第一章 机械零件（或器件）的失

14、效分析第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的基本概念失效的基本概念 1.零件（构件）的功能：零件（构件）的功能：（1 1）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸；）在一定的载荷、介质、温度作用下保持一定几何形状和尺寸；（2 2）实现规定的机械运动；）实现规定的机械运动；（3 3）传递力和能量。）传递力和能量。2.失效失效的定义和形式：的定义和形式：定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。定义：零件失去设计所要求的效能即为失效。应用前、应用中、突发第一章 机械零件（或器件）的失效分析学习失效的目的学习失效的目的 机械设计者机械设计者为了防止零件失效为了防止零件失效 设计正确设计

15、正确选材恰当选材恰当工艺合理工艺合理工作条件工作条件-对材料的性能要求对材料的性能要求正确选材正确选材制定制定工艺路线工艺路线确定失效的抗力指标确定失效的抗力指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的例子失效的例子 断裂的大桥断裂的大桥第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的原因失效的原因 结构设计结构设计多方面因素多方面因素材料选择材料选择加工制造加工制造装配调整装配调整使用与保养使用与保养第一章 机械零件（或器件）的失效分析失效的本质失效的本质 1.失效的本质：失效的本

16、质：外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。外界载荷、温度、介质等损害作用超过了材料抵抗损害的能力。2.常见的常见的失效失效形式：形式：过量变形、断裂、磨损和腐蚀过量变形、断裂、磨损和腐蚀第一章 机械零件（或器件）的失效分析本章主要内容本章主要内容 过量变形过量变形 断裂断裂 疲劳断裂疲劳断裂 磨损失效磨损失效 腐蚀失效腐蚀失效 蠕变变形和断裂失效蠕变变形和断裂失效第一节 零件在常温静载下的过量变形变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析外力去除变形恢复？弹性变

17、形：变形能够恢复弹性变形：变形能够恢复塑性变形：变形不能够恢复塑性变形：变形不能够恢复第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为由第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.

18、工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为低碳钢拉伸时应力低碳钢拉伸时应力-应变曲线应变曲线第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章

19、 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为oaoa段比例极限段比例极限 abab段弹性极限段弹性极限（一）四个阶段（一）四个阶段1、弹性阶段abcccc应应力力不不增增加加，变变形形不不断断增增加加称称为为屈屈服服，该该段段的的最最低低应应力力称称为为屈屈服服应应力力 ，在在材材料料屈屈服服后后若若卸卸载载出出现现不能恢复的变形成为塑性变形。不能恢复的变形成为塑性变形。2、屈 服 阶 段cc第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效

20、分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为（一）四个阶段3、强化阶段ce4、局部变形阶段ef材材料料恢恢复复抵抵抗抗变变形形的的能能力力称称为强化强度极限为强化强度极限变变形形集集中中于于某某一一局局部部范范围围颈颈缩缩断裂断裂第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析1.低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为（一）四个阶段低碳钢在拉伸应力作用下的变形过程分为：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四个阶

21、段。第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析低碳钢拉伸曲线的低碳钢拉伸曲线的4个阶段、个阶段、3个特征点个特征点OB：弹性阶段（卸载可逆）：弹性阶段（卸载可逆）P e s bABCCDEO A：比例极限：比例极限 PB：弹性极限：弹性极限 eBC：屈服阶段：屈服阶段（出现塑性变形）（出现塑性变形）（两者很接近）（两者很接近）=E =E E=tan C：屈服极限：屈服极限 s第一节 零件在常温静载下的过量变形 CD:强化阶段强化阶段D：强度极限：强度极限 b DE：缩颈阶段：缩颈阶段（局部收缩阶

22、段）（局部收缩阶段）0 p e t e:弹性应变弹性应变，p:塑性应变（不可逆的残余应变）塑性应变（不可逆的残余应变）P e s bABCCDEO =E 卸载曲线卸载曲线卸载曲线卸载曲线卸载后再加载曲线卸载后再加载曲线卸载后再加载曲线卸载后再加载曲线屈服极限提高：屈服极限提高：冷作硬化冷作硬化，在，在CD段内卸载曲线为弹性直线段内卸载曲线为弹性直线E：断裂点：断裂点第一节 零件在常温静载下的过量变形一一.工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力-应变行为应变行为第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为弹性变形、塑弹性变形、塑性变形性

23、变形弹性变形弹性变形非线性弹非线性弹性变形性变形1纯金属纯金属（Al、Cu、Ag等）等）2脆性材料脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢）3高弹性材料高弹性材料（橡胶）（橡胶）第一节 零件在常温静载下的过量变形第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.其他类型材料的应力其他类型材料的应力-应变行为应变行为1234102030e e(%)0100200300400500600700800900(MPa)1、锰钢、锰钢 2、硬铝、硬铝 3、退火球墨铸铁、退火球墨铸铁 4、低碳钢、低碳钢特点：特点：d d 较大，为塑性材料。无明显屈服阶段。O e eA0.2%S无明显屈服阶

24、段的，规定以塑性应变 =0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标刚度和强度指标2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标3.硬度指标硬度指标第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标刚度和强度指标（1）刚度刚度定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力定义：刚度是指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力 等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。等于材料弹性模量与零（构）件截面积的乘积。单向拉伸时：单向拉

25、伸时：即即纯剪切时：纯剪切时：即即EAEA（或（或GAGA）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。）为零件的刚度，代表产生单位弹性变形所需载荷的大小。弹性模量弹性模量E E(或切变模量或切变模量G G)是表征材料是表征材料刚度的性能指标刚度的性能指标(why)(why)第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析1.刚度和强度指标刚度和强度指标（2）强度强度定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力定义：强度是指材料抵抗变形或断裂的能力第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效

26、分析1.刚度和强度指标刚度和强度指标（2）强度强度是材料应力和应变成正比的最大应力是材料应力和应变成正比的最大应力是材料不产生塑性变形的最大应力是材料不产生塑性变形的最大应力是材料开始产生塑性变形的应力是材料开始产生塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料产生最大均匀塑性变形的应力是材料发生断裂的应力是材料发生断裂的应力第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（1）弹性：指材料弹性变形的大小。弹性：指材料弹性变形的大小。弹性能为应力弹性能为应力-应变曲线下面弹性变形部分所包围的面积。应变曲线

27、下面弹性变形部分所包围的面积。通常用弹性变形时的吸收能通常用弹性变形时的吸收能 u 来表示。来表示。材料的弹性极限材料的弹性极限e 越高、弹性模量越高、弹性模量E越低，弹性能越大，越低，弹性能越大，材料的弹性越好。材料的弹性越好。弹性指标弹性指标弹性能弹性能第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（2）塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。塑性：指材料断裂前发生塑性变形的能力。、越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。通常用断后伸长率通常用断后伸长率和断面收缩率和断面收缩率来衡量。来衡量。伸长率伸长

28、率塑性指标塑性指标伸长率伸长率和断面收缩率和断面收缩率断面收缩率断面收缩率第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标国家标准规定金属拉伸试验方法（GB2282002)LL=10d L=5d对圆截面试样：对矩形截面试样：第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3）硬度：表征材料软硬程度

29、的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。物理意义由试验方法决定。物理意义由试验方法决定。莫氏硬度莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。表示矿物硬度的一种标准。应用应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物矿物的表面而发生划痕的表面而发生划痕 用测得的划痕的深度分十级来表示硬度硬度 第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标莫氏硬度莫氏硬度表示矿物硬度的一种标准。表示矿物硬度的一种标准。第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效

30、分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标肖氏硬度肖氏硬度弹性回跳法硬度值表征材料弹性功的大小。弹性回跳法硬度值表征材料弹性功的大小。应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而应用弹性回跳法将撞销从一定高度落到所试材料的表面上而 发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得发生回跳。撞销是一只具有尖端的小锥，尖端上常镶有金刚钻。用测得的撞销回跳的高度来表示硬度。的撞销回跳的高度来表示硬度。第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标压入法硬度值压入法硬度值表征材料的塑性变形抗力及应变硬

31、化能力表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力（3）硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。工业中应用最广泛工业中应用最广泛以硬质合金或金刚石锥体为压头以硬质合金或金刚石锥体为压头布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3）硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。布氏硬度布氏硬度HBWP材料为淬火钢和硬质合金材料为淬火钢和硬质合金第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第

32、一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3）硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。洛氏硬度洛氏硬度HRC常用洛氏硬度为常用洛氏硬度为C级，用级，用150kgf的载荷将一个的载荷将一个120圆锥形金刚石压头圆锥形金刚石压头压入金属表面压入金属表面A级载荷为级载荷为60kgf,B级为级为100kgf第一节 零件在常温静载下的过量变形二二.静载性能指标静载性能指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析2.弹性和塑性指标弹性和塑性指标（3）硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度：表征材料软硬程度的一种性能。维氏硬度维氏硬度HV以一定大小的载荷以一

33、定大小的载荷P,将一个金刚石四棱锥将一个金刚石四棱锥压入金属表面，单位压痕面积上的载荷即压入金属表面，单位压痕面积上的载荷即为金属的维氏硬度，单位为金属的维氏硬度，单位kgf/mm第一节 零件在常温静载下的过量变形三三.过量变形失效过量变形失效第一章第一章 机械零件（或器件）的失效分析机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1.过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标镗床镗杆镗床镗杆被加工零被加工零件的精度件的精度较小弹性变形较小弹性变形本身由于本身由于刚度不足刚度不足过量弹性变形过量弹

34、性变形镗出的孔偏小、锥度，影响加工精度、废品镗出的孔偏小、锥度，影响加工精度、废品齿轮轴过量变形齿轮轴过量变形加速齿轮磨损，增加噪声加速齿轮磨损，增加噪声弹簧过量变形弹簧过量变形不能达到承载能力不能达到承载能力零件产生过量变形的根本原因：零件产生过量变形的根本原因：刚度不够刚度不够第一节 零件在常温静载下的过量变形三三.过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1.过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标刚度：零构件受力时抵抗弹性变形的能力。刚度：零构件受力

35、时抵抗弹性变形的能力。（一）零构件过量弹性变形的条件（一）零构件过量弹性变形的条件拉压条件下：拉压条件下：弯曲条件下：弯曲条件下：扭转条件下：扭转条件下：许可弹性变形量，扭转角第一节 零件在常温静载下的过量变形三三.过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1.过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标（二）过量弹性变形的原因（二）过量弹性变形的原因零构件的刚度不够零构件的刚度不够（三）抗力指标（三）抗力指标弹性模量弹性模量E 或切变模或切变模G（三）不同材料

36、的弹性模量（三）不同材料的弹性模量第一节 零件在常温静载下的过量变形三三.过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效1.过量弹性变形及其抗力指标过量弹性变形及其抗力指标弹性模量弹性模量E 或切变模或切变模G,主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点越高，弹性模量也越高，随温度升高而降低。点越高，弹性模量也越高，随温度升高而降低。金属材料的金属材料的E取决于基体金属的性质，取决于基体金属的性质，不能不能通过合金化、热处理、

37、冷变通过合金化、热处理、冷变形等方法使之改变。形等方法使之改变。第一节 零件在常温静载下的过量变形三三.过量变形失效过量变形失效第一章 机械零件（或器件）的失效分析概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效概念：由于弹性或塑性变形超过了允许量而导致零（构）件失效2.过量塑性变形及其抗力指标过量塑性变形及其抗力指标第一节 零件在常温静载下的过量变形总总 结结第一章 机械零件（或器件）的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形应应 用用第一章 机械零件（或器件）的失效分析第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的

38、失效分析断裂：断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上的部分现象材料在应力作用下分为两个或两个以上的部分现象第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析宏观变形量宏观变形量的大小的大小韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂断裂前发生明显的宏观塑形变形断裂前发生明显的宏观塑形变形断裂前不发生塑形变形断裂前不发生塑形变形断裂前第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂没有明显征兆，脆性断裂没有明显征兆，危害性极大

39、。危害性极大。断裂前发生明显塑性变形，警告断裂前发生明显塑性变形，警告人们注意，不会造成严重事故人们注意，不会造成严重事故两种断裂的危害性对比两种断裂的危害性对比第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂断裂后断口齐平，由无数断裂后断口齐平，由无数的小平面组成的小平面组成足够的伸长量才断裂，断口为足够的伸长量才断裂，断口为杯形，呈暗灰色纤维状杯形，呈暗灰色纤维状第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断

40、裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹源或微裂纹逐渐扩展裂纹源或微裂纹逐渐扩展到一临界长度的过时，立到一临界长度的过时，立刻发生断裂刻发生断裂1.1.材料在外力下的微裂纹材料在外力下的微裂纹2.2.原有的内部缺陷（微裂原有的内部缺陷（微裂纹、空孔、杂质等）纹、空孔、杂质等）裂纹源裂纹源第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹亚稳扩展阶段裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力大，

41、扩展速度较慢裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢失稳扩展阶段失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段裂纹达到临界长度后的扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹萌生和裂纹扩展的过程裂纹亚稳扩展阶段裂纹亚稳扩展阶段：裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段裂纹自形成到扩展至临界扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力大，扩展速度较慢裂纹扩展阻力大，扩展

42、速度较慢失稳扩展阶段失稳扩展阶段：裂纹达到临界长度后的扩展阶段裂纹达到临界长度后的扩展阶段特点：特点：裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度裂纹扩展阻力小，扩展速度快，可达声音在该材料中的传播速度第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念一、韧断和脆断的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析韧性：韧性：材料在塑性变形

43、和断裂过程中吸收能量的能力，是材料轻度和塑性的综合表现。评定材料韧性的力学性能是：评定材料韧性的力学性能是：冲击韧性和断裂韧性第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击载荷与静载荷的主要区别：冲击载荷与静载荷的主要区别：在加载速率不同，前者加载速率高，后者加载速率低。应变速率增加，使材料变脆倾向增大。冲击韧性：冲击韧性：用来评定材料在冲击载荷下的脆断倾向。冲击韧性：冲击韧性：用指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用标准试样的冲击吸收功Ak表示。第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标

44、二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击韧性试验：冲击韧性试验：基本原理：用一定质量的物体以一定的速度冲击一定形状的试样，测量断裂试样需要的能量，以此能量值表示该材料的冲击韧性。势能摆锤的运动速率为5m/s,试样的应变速率约为第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂二、冲击韧性及衡量指标二、冲击韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析冲击韧度：冲击韧度：衡量材料冲击韧性的力学性能指标第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析针对防止脆性断裂：针对防止脆性断裂：传统的设计方法要求：1.要求零件的

45、工作应力2.要求材料有足够的塑性、和韧性不可能可靠地保证零件不发生低应力脆断。原因：没考虑一般材料中都存在着微小的宏观裂纹。第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂力学的发展：断裂力学的发展：提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标：断裂韧度度度第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂韧度 ：材料的固有特性，基本力学常数，对成分、组织敏感，可以通过合金化、热处理来改变。第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性

46、及衡量指标第一章 机械零件（或器件）的失效分析断裂力学的发展：断裂力学的发展：提出评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标：断裂韧度第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析脆性断裂脆性断裂韧性断裂韧性断裂一定条件一定条件决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：加载方式和材料本质：加载方式和材料本质：温度和加载速度温度和加载速度 应力集中应力集中 零件尺寸零件尺寸第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要

47、因素：1.加载方式和材料本质：加载方式和材料本质：xyzxyxyn 以主平面为单元体的各面则称为主单元体以主平面为单元体的各面则称为主单元体xy从变形体内任意点取出的单元体称为原始单元体从变形体内任意点取出的单元体称为原始单元体主单元体的各表面上只主单元体的各表面上只有正应力，没有切应力有正应力，没有切应力对平面应力状态，对平面应力状态，z平平面也为一个主平面，面也为一个主平面，其上的主应力为零。其上的主应力为零。故平面应力状态有三个故平面应力状态有三个故平面应力状态有三个故平面应力状态有三个主应力：主应力：主应力：主应力：按代数值大小排列为按代数值大小排列为 1 1 2 2 3 3分别称为分

48、别称为第一主应力，第二主应力，第三主应力，第一主应力，第二主应力，第三主应力，第一主应力，第二主应力，第三主应力，第一主应力，第二主应力，第三主应力，第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：1.加载方式和材料本质：加载方式和材料本质：最大切应力：最大切应力：最大正应力：最大正应力：第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：2.温度和加载速度：温度和加载

49、速度：屈服强度：屈服强度：正断强度：正断强度：韧脆转变温度韧脆转变温度第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：3.应力集中：应力集中：由于构件几何形状突变造成局部应力急剧增高由于构件几何形状突变造成局部应力急剧增高 max应力集中的程度由应力集中因数应力集中的程度由应力集中因数K K 表示表示第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：3.应力集中：应力

50、集中：第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂四、影响脆断的因素四、影响脆断的因素第一章 机械零件（或器件）的失效分析决定材料断裂类型的主要因素：决定材料断裂类型的主要因素：平面应力状态，在Z方向可以自由变形。平面应变状态，Z方向弹性约束阻止了该方向的变形。第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂总总 结结第一章 机械零件（或器件）的失效分析第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一.疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一一.疲劳的基本概念疲劳的基本概念第一章 机械零件（或器件）的失效分析交变载荷：载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。交