第1章 机械零件的失效分析-1.ppt

机械工程材料,甘肃农业大学工学院,主讲赵春花教授,绪论,材料科学的重要地位什么是材料科学工程材料简介,0.1材料科学的重要地位,材料是人类社会生活中广泛使用的物质，是社会发展和进步的重要标志；人类使用材料的七个时代；,人类使用材料的七个时代,现代技术的三大支柱：能源、信息、材料；材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家科技和国民经济水平及国防力量的重要标志。,02什么是材料科学,材料科学是研究材料的结构、制备加工工艺与性能之间关系的科学。,材料科学与工程的四要素,材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/组织,制备/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,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,机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。,机械工程材料的常用性能,两方面,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能（强度、塑性韧性等）物理性能（光、热、电、磁等）化学性能（氧化、腐蚀等）生物性能（相容性、自恢复性等）,加工性能（切削、锻造等）铸造性能（适合铸造与否）焊接性能（容易焊接与否）热处理性能（可热处理强化）,03工程材料简介,分类,金属材料,非金属材料,金属材料MetallicMaterials,金属材料,钢铁材料Ferrousmetals,有色金属材料Non-ferrousmetals,用量占80%,非金属材料Non-metallicMaterials,分类,陶瓷材料,高分子材料,复合材料,功能材料,陶瓷材料CeramicMaterials,陶瓷,传统陶瓷,结构陶瓷,高分子材料PolymericMaterials,又称聚合物，按照用途可分为：,塑料PlasticMaterials合成纤维Syntheticfibres橡胶Rubbers,金属、聚合物、陶瓷优点缺点都非常明显，如果把两种材料结合在一起，发挥各自的长处，又可以在一定程度下克服了它们的弱点，就产生了复合材料。,复合材料CompositeMaterials,功能材料FunctionalMaterials,电功能材料磁功能材料热功能材料光功能材料其它功能材料简介,材料性能与内部结构的关系,材料的不同性能都是由其内部结构来决定的，从材料的内部结构来料加工看，可分为四个层次：,原子结构结合键原子排列方式显微组织,四层次的关系,原子结构是基础；结合键不同性能也不同；原子排列方式（晶体和非晶体）的差别，可以改变材料的整个性能；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,获得常用材料的基础理论知识，了解各种机械工程材料的基本特性和应用范围；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，正确设计和合理选材；了解结构、工艺、外界条件（温度、环境介质）对材料性能的影响，正确制定零件的冷、热加工工艺路线。,要求,金属学、热处理原理，基础与工艺；材料（钢铁材料，有色金属及其合金，高分子材料，陶瓷材料，复合材料）；重点成分组织性能。,基本内容,教材,实验,实验一金相样品的制备及金相显微镜的使用2学时实验二钢铁材料显微组织的观察与分析2学时实验三综合实验4学时,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Thescienceanddesignofengineeringmaterials,第一章机械零件的失效分析,在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；实现规定的机械运动；传递力和能。,零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀,零件（构件）的功能,本章的内容,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交变载荷下的疲劳断裂失效磨损失效高温下的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,材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。,变形,变形,弹性变形,塑性变形,外力去除后可恢复,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,低碳钢拉伸应力-应变曲线,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,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,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。,其它类型材料的应力-应变曲线,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（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢及高碳合金钢）,只有弹性变形阶段,高弹材料(橡胶),只有非线性弹性变形一个阶段，且弹性变形能力强，弹性变形率可达1001000。,衡量材料塑性的指标,伸长率、断面收缩率,L0、A0：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、颈缩处最小截面积,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,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；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；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。,零件在在一定载荷作用下，只允许一定量的弹性变形，过量弹性变形会造成零件失效。,零件在受力时抵抗弹性变形的能力称为零件的刚度。,材料抵抗弹性变形的性能指标,弹性变形阶段，-曲线的斜率tanE，称为材料的拉伸弹性模量，它表示材料抵抗弹性变形的能力。,当材料受纯剪切时，同样有：,G为切变弹性模量,表1-1各类材料室温弹性模量,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