机械零件失效问题

1、零件材料的力学性能与失效性能工艺性能：铸造性能、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性等使用性能力学性能力学性能：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度、高温性能等化学性能：抗氧化性和耐腐蚀性物理性能：密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和 磁性等机械零件在外力作用下所表现出的 抵抗能力力学性能力学性能变形失效变形失效塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形断裂失效断裂失效蠕变断裂蠕变断裂韧性断裂韧性断裂脆性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳断裂表面损伤失效表面损伤失效腐蚀失效腐蚀失效磨损失效磨损失效 零件失效的形式零件失效的形式 在载荷作用下材料抵抗塑性变形和断裂的能力。测定方法： 拉伸试验力学性能一、 强度 S

2、trength注： （依载荷不一样仍有区分，但一般多指抗拉强度，简称强度。）强度单位: MPa ( MN/m2 )力学性能拉伸试验设备及标准试样 低碳钢拉伸时的应力-应变 The Stress-strain behavior of low carbon steelspecimen 低碳钢拉伸时的三个阶段The Stress-strain behavior of low carbon steelOA段: 弹性变形elastic deformationABC段: 屈服 yield CDE段: 塑性变形plastic deformation E: 断裂 fracture 拉伸三个阶段弹性变形阶段弹性

3、变形阶段0-p-e弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-b b-k断裂断裂 koFs拉力bksspe 伸长量mmD l Fb拉伸曲线力学性能拉伸三个阶段弹性变形阶段弹性变形阶段0-p-e弹塑性变形阶段弹塑性变形阶段 (屈服-强化-颈缩） e-s s-s s-b b-k断裂断裂k力学性能osMPabksspe e =D L/Lob应力应力：试样单位面积上所承受的力应变应变：试样单位长度上的伸长量力学性能强度的指标 材料所能承受的极限应力 = F / A 强度 Strengthn 屈服强度yield strengthn 抗拉强度tensile strengthSt

4、ress-strain curve of annealed low carbon steel ssbs1. 屈服强度 Yield Strength（p 表示比例极表示比例极限；限； e 表示表示弹性极限弹性极限）osMPabksspe e =D l/Lob屈服强度屈服强度( s )指材料产生屈服时的最小应力。力学性能2. 抗拉强度 (b ) Tensile Strength 指材料拉伸所能承受的最大应力。 p 比例极限 e 弹性极限 s 屈服极限 b 强度极限osMPabksspe e =D l/Lob力学性能应用与判断：应用与判断：W s 不发生塑变不发生塑变W b 不发生断裂不发生断裂力学

5、性能思考：思考： 有了强度指标，是否有了强度指标，是否我们就可以成功的完成飞我们就可以成功的完成飞机的设计制造任务了呢？机的设计制造任务了呢？例如：设计飞机机翼时例如：设计飞机机翼时W s 只弹变不塑变，是否就可以了呢？只弹变不塑变，是否就可以了呢？ 力学性能二. 刚度与弹性模量刚度rigidity是指零件或构件抵抗弹性变形的能力。（取决于材质与结构形状；材质方面取决于它的弹性模量）力学性能o1 2弹性模量 modulus of elasticity是指在比例极限(p )范围内，应力与应变之比。 E=s/e 力学性能三 、 塑 性 p l a s t i c i t y 在外力作用下材料产生永

6、久变形而不被破坏的能力。断面收缩率()。即： A0-A1 y = 100 A0 伸长率() L1-L0 = 100 L0力学性能lodol1d1n 截面收缩率 nContraction ratio of area at fracture face 塑性 Plasticityn 延伸率 nTensile elongation00100%L LLd-=00100%A AAy-=注：试样分长短两种，同一材料的 5 10 。与试样的尺寸无关，、值越大，表示金属的塑性越好。力学性能(、不直接用于工程设计)良好的塑性可以顺利地完成某些成型工艺，如翼肋、火焰筒的冷冲压及涡轮盘、涡轮轴的锻造等。良好的塑性还可

7、以在一定程度上保证零件的工作安全，在零件使用时万一超载，塑性变形引起的强化作用使零件不致于突然断裂。过高地追求塑性，会降低材料的强度 四、硬度 Hardness材料抵抗表面划伤、磨损或局部塑性变形及破坏的能力。常用硬度测定方法: 硬物压入法布氏硬度: Brinell Hardness (HB)洛氏硬度:Rockwell Hardness (HR)力学性能 1. 布氏硬度(HB) 硬物：球形压头(D = 10、5、2.5、2、1mm)载荷：P ( kgf )P D h dHBSHBS:普通淬火钢球硬度值在450以下HBW:硬质合金球硬度值在450650 HBS(HBW)= PF力学性能布氏硬度布

8、氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度F载荷 （Force）A面积 （Area )HB= FA特点：压坑面积大，受材料不均匀度影响小，故测量误差小，硬度值准确、真实。布氏硬度(HB) 布氏硬度计布氏硬度计 2. 洛氏硬度(HR)硬物： 顶角 120金钢石圆锥或直径为1.588mm淬火钢球力学性能洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwell hardness )h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计 HR (Hardness Rockwell)载荷：初载荷10kg并压入深度h1主载荷(50kg或90kg 或140kg)使压

9、入深度达h2 ；卸除主载荷、保留初载荷，压入深度减小为h3 。洛氏硬度的计算深度值h= h3 -h1。 HR = 01230 1 2 3 h1 h3 h2 K= 0.2压头被测材料硬物：顶角120金钢石圆锥(或1.588mm淬火钢球)K-h0.002洛氏硬度(HR) 特点：测量简便迅速，直接读数，表面压痕小误差稍大，需多点测量取平均值。压头主载荷 测量范围 应用材料HRA 金刚石50kg2088表面硬化层硬质合金等HRB淬火钢球淬火钢球 90kg20100有色金属，退火、正火钢等HRC 金刚石140kg2070淬火钢、调质钢等洛氏硬度(HR)几种常用洛氏硬度标度压头F测量范围应用材料HRAdi

10、amond490N2088Surface hard steel HRBSteel ball882N20100Soft steel, non-ferrous metals HRCdiamond1372N2070Quenching steel 维氏硬度维氏硬度 HV ( Vickers Hardness )HV= FA硬度的应用: 对于工具、模具和有耐磨性要求的零件的使用性能指标，(例如：高速钢车刀、铣刀、钻头等）零件强度的估算，如对于低碳钢，也可采用硬度与强度换算表(见手册)。力学性能另外一种表面失效： 腐蚀 化学腐蚀 电化学腐蚀1. 化学腐蚀化学腐蚀 金属与周围介质发生纯化学作用产生的腐蚀金属

11、在干燥气体中的腐蚀。如高温燃气对涡轮喷气式发动机零部件的腐蚀。金属在非电解液中的腐蚀。如飞机管路系统受汽油、滑油的腐蚀。特点：腐蚀过程中不产生电流。腐蚀速度慢、危害小。化学性能条件：必须有两相或两种电极电位不同的金属有电解液三者相互接触i2. 电化学腐蚀电化学腐蚀指金属和周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。特点：伴有电流产生，腐蚀速度快，危害大化学性能报道（I）北京日报消息：2001年 9月，中国民航一架客机起飞后感觉情况异常，随后在密云上空指定区域将所有航空煤油放掉，放掉，然后降落。力学性能报道(II)北京电台消息：2002年 8月北京飞往莫斯科的俄罗斯航空公司的一架伊尔86客机，在飞抵中蒙

12、边境后，由于意外原因不得不返回北京，返回后，又由于重量原因，在北京首都机场上空盘旋了1小时 20分钟后，才重新降落北京首都机场。力学性能力学性能五、 冲击韧性 Impact Toughness零件材料抵抗冲击载荷的能力。 大能量一次冲击试验5510855108 240 3022横梁式悬梁式力学性能冲击试验机冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图impact testAk=G(H-h) ak = (J/cm2)冲击 h试样摆锤 H备注：P.6 金属材料的ak 不能直接用于零件的设计计算冲击吸收功（AK）：冲断试样所消耗的功(J)冲击韧性（aK）：冲断试样横截面单位面积上所消耗

13、的功(J/cm2)AkS力学性能 冲击韧性冲击韧性ak Ak - Impact work ( J ) S - Area of fracture face（cm 2） Ak ak = (J/cm2) S19世纪瓦特发明了蒸汽机，随后火车得到应用，再随后一段时间，火车轮轴成批断裂 失效分析考查结果失效分析考查结果 W s 历史事件历史事件力学性能六、疲劳断裂和疲劳强度 机械零件在交变载荷作用下，其工作应力远小于抗拉强度，甚至小于屈服强度时，在长时间工作后发生突然断裂的现象称为: 疲劳断裂疲劳断裂 力学性能机理：缺陷处首先产生疲劳裂纹，并随应力循环不断扩展，直至突然断裂。 疲劳断口图疲劳源裂纹扩展最

14、终破断区力学性能疲劳实验 试样负荷计数器电机轴承支座力学性能疲劳曲线是维勒Wohler在1860年为解决火车车轴断裂失效时首先提出的，所以也称维勒曲线 一般钢铁的循环基数N取107 次，有色金属的循环基数N取108 次。材料承受对称循环交变应力时的疲劳强度用-1 表示。钢材的-1 只有b 的50左右。 疲劳曲线 107力应-1力学性能疲劳强度 fatigue strength是指材料经无限多次应力循环仍不断裂时的最大应力。疲劳强度表征了材料抵抗疲劳断裂的能力。采取改进设计(避免尖角连接、降低表面粗糙度值等)采取表面强化工艺(表面淬火、化学热处理、喷丸、滚压等) 加强原材料和零件成品的内部缺陷检

15、查也可减少或避免疲劳断裂。七、高温力学性能 Thermal Properties当约比温度当约比温度T/ /Tm m大于大于0.50.5时为高温，反之为低温时为高温，反之为低温。蠕变 就是金属材料长时间的在一定温度、一定应力作用下，即使应力小于0.2 或 s ,也会缓慢地发生塑性变形的现象。典型的蠕变曲线分为三个阶段。蠕变减速阶段。稳态蠕变阶段。蠕变加速阶段， 直至断裂。aabcdo变形第二阶段第三阶段第一阶段时间温度压力恒定力学性能1. 蠕变强度蠕变强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗塑性变形的能力。(1)在规定时间内达到规定变形量的蠕变强度，单位（Mpa） 记为 / t 例如: 0.2/1

16、000 = 60MPa (2)稳态蠕变速度达到规定值时的蠕变强度，记为 T v 例如: 110 -5 = 60MPa 800T600力学性能2. 持久强度持久强度持久强度是指材料在高温长时载荷作用下抵抗断裂的能力。记为记为T T / t 例如 1000 = 30MPa700650 高温疲劳材料在高温测得的疲劳强度。 例如 -1 = 40MPa3. 高温疲劳强度高温疲劳强度力学性能例：碳钢的力学性能 碳钢： 理论含碳量 0.02% - 2.11% 实际含碳量 0.1 - 1.3%碳钢机械性能400MPa800MPa1200MPaHB(100HB)(200HB)(300HB)00.40.81.2akdysbsbHB60%14J/cm2d,y40%12J/cm220%8J/cm2ak C % 含碳量的百分数变化的课堂练习课堂练习1.按按GB699规定，规定，15号钢材出厂时，力学性能号钢材出厂时，力学性能指标应不低于下列数值：指标应不低于下列数值：b =372MPas=