机械工程材料-课件-

绪论工程材料及其类别机械工程材料本课程的目的本课程的主要内容旧石器时代新石器时代青铜器时代铁器时代一、材料科学与社会发展

铁器时代（1400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步起了巨大的推动作用。汉代“先炼铁后炼钢”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（250万年前）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材料与人类生活人类社会依据制造生产工具的材料来进行历史划分

材料科学与社会发展一、材料科学与社会发展

旧石器时代（250万年前）石头——石器一、材料科学与社会发展

新石器时代（1万年前）原始社会末期，开始用火烧制陶器，发展成陶瓷。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（4000年前）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，达到较高水平青铜（铜锡合金）人类发明的第一种合金一、材料科学与社会发展

其他材料与陶瓷材料和金属材料发展的同时天然高分子材料

棉、麻、丝绸材料功能材料

磁铁—指南针

新石器（制陶）—东汉（制磁）—唐（釉）—唐（顶峰）

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

18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，1912年X射线衍射技术和1932年电子显微镜等仪器出现

金属学日趋完善，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

现代社会文明的三大支柱：能源、信息和材料信息时代是建立在材料的基础上硅半导体→晶体管→集成电路→计算机磁性材料→信息贮存激光材料+光导纤维→信息传输→信息网络能源技术以材料为支撑再生能源、核能、燃料电池等信息时代一、材料料科学与与社会发发展3.现代材料料学现代材料料学是以以金属学学、高分分子材料料、陶瓷瓷材料为为基础，，研究究所有固固体材料料的成分分、组织织和性能能之间关关系的的的一门科科学。现代社会会对材料料的要求求：具有高性性能或具具有特殊殊性能的的金属、、非金属属及复合合材料。。一、材料料科学与与社会发发展信息社会会的材料料产业结结构及材材料发展展趋势：：从工业社社会向信信息社会会过渡中中产业结构构从劳动动密集型型、资金金密集型型向技术术密集型型和知识识密集型型发展劳动对象象的结构构中金属属材料比比重下降降、而无无机非金金属材料料、有机机合成材材料的比比重越来来越大。。一、材料料科学与与社会发发展新材料新新技术的的应用的的程度决决定一个个国家和和地区的的经济发展展水平。。硅片的发发展及现现状集成度越越来越高高直径越来来越大国外：16英寸以上上中国：6-8英寸为主主流二、工程程材料及及其类别别工程材料料的含义义：工程材料料是以用用于工程结构构和机器器零件及及元器件件的材料为为研究对对象。主主要包括括：机械械、船舶舶、化工工、建筑筑、车辆辆、仪表表、航空空航天等等工程领领域中用用于制造造工程构构件和机机械零件件的材料料。二、工工程材材料及及其类类别2.工程材材料的的类别别：工程材材料是是以用用于工工程结结构和和机器器零件件及元元器件件的材材料为为研究究对象象。主主要包包括：：机械械、船船舶、、化工工、建建筑、、车辆辆、仪仪表、、航空空航天天等工工程领领域中中用于于制造造工程程构件件和机机械零零件的的材料料。二、工工程材材料及及其类类别2.工程材材料的的类别别：二、工工程材材料及及其类类别2.工程材材料的的性能能：使用性性能：：材料在在使用用条件件下具具有的的性能能（力学学性能能、物物理性性能、、化学学性能能及生生物功功能））工艺性性能：：材料在在加工工过程程中下下具有有的性性能（且削削加工工性能能、铸铸造性性能、、压力力加工工性能能、焊焊接性性能和和热处处理性性能等等）三、机机械工工程材材料1.机械工工程材材料含含义：：机械工工程材材料顾顾名思思义就就机械械工程程中应应用的的材料料问题题，应应该是是跨越越机械械和材材料两两个学学科，，以机机械工工业的的需求求出发发，推推动材材料科科学技技术的的发展展，同同时材材料科科学的的新进进展又又推动动了机机械工工程技技术的的革新新和发发展。。三、机机械工工程材材料2.材料技技术对对机械械工程程发展展的促促进：：四、课课程的的目的的随着机机械工工业的的发展展，对对于产产品要要求越越来越越高，，无论论是制制造机机床还还是建建造轮轮船、、石油油化工工设备备、都都要求求产品品技术术先进进，质质量高高、寿寿命长长、造造价低低。因因此在在产品品设计计和制制造过过程中中，会会遇到到越来来越多多的材材料和和材料料加工工方面面的问问题。。这就就要求求机械械工程程技术术人员员掌握握必要要的材材料科科学和和材料料工程程知识识，具具备准准确的的选择择材料料和加加工方方法，，合理理安排排加工工工艺艺路线线。四、课课程的的目的的机械制制造与与材料料：结结构—性能—加工工工艺内部结结构与与性能能：材料的的性能能来源源于该该材料料的内部结结构，这是是对工工程师师和学学者最最具有有重要要价值值的一一个原原则。。加工工工艺与与性能能：材料必必须进进行加加工，，以满满足工工程师师对所所设计计产品品的要要求，，目的的是要要了解解结构构变化化的本本质，，以便便于制制定适适当的的工艺艺流程程。使用行行为：：在材料料的选选用中中，不不仅要要考虑虑初始始要求求，而而且要要考虑虑使那那些材材料内内部结结构发发生变变化，，从而而导致致材料料性能能发生生变化化的使使用条条件。。四、课课程的的目的的课程的的目的的：获得有有关工工程结结构和和机器器零件件常用用的金金属材材料，，非金金属材材料的的基本本理论论知识识和性性能特特点，，并初初步具具备根根据零零件工工作条条件和和失效效方式式，合合理选选材与与使用用材料料，正正确制制定零零件的的冷、、热加加工工工艺路路线的的能力力。了解材材料的的性能能与设设计的的关系系了解各各种材材料的的基本本特性性和应应用范范围四、课课程的的目的的五、课课程的的主要要内容容机械零零件的的失效效形式式；金属材材料的的基本本知识识、热热处理理基本本原理理、常常用金金属材材料的的性能能特点点及应应用；；非金属属材料料（高高分子子材料料、陶陶瓷材材料、、复合合材料料）和和功能能材料料的基基本知知识和和性能能特点点及引引用；；材料改改性新新技术术；机械零零（构构）件件设计计、选选材的的基本本方法法及工工程材材料在在典型型机械械上的的应用用。主要参参考文文献第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的基本本概念念1.零件（（构件件）的的功能能：（1）在一一定的的载荷荷、介介质、、温度度作用用下保保持一一定几几何形形状和和尺寸寸；（2）实现现规定定的机机械运运动；；（3）传递递力和和能量量。2.失效的定义义和形形式：：定义：：零件件失去去设计计所要要求的的效能能即为为失效效。应用前前、应应用中中、突突发第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析学习失失效的的目的的机械设设计者者→→为了防防止零零件失失效↓↓设计正正确选材恰恰当工艺合合理工作条条件-对材料料的性性能要要求→→正确选选材→→制定工工艺路路线→→确定失失效的的抗力力指标标第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的例子子第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的例子子第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的例子子断裂的的大桥桥第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的原因因结构设设计多方面面因素素材料选选择加工制制造装配调调整使用与与保养养第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析失效的的本质质1.失效的的本质质：外界载载荷、、温度度、介介质等等损害害作用用超过过了材材料抵抵抗损损害的的能力力。2.常见的的失效形式：：过量变变形、、断裂裂、磨磨损和和腐蚀蚀第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析本章主主要内内容过量变变形断裂疲劳断断裂磨损失失效腐蚀失失效蠕变变变形和和断裂裂失效效第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形变形：：材料料在外外力作作用下下产生生的形形状或或尺寸寸的变变化第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析外力去去除变形恢恢复？弹性变变形：：变形形能够够恢复复塑性变变形：：变形形不能能够恢恢复第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形一.工程材材料在在静拉拉伸时时的应应力-应变行行为第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析1.低碳钢钢的应应力-应变行行为由第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形一.工程材材料在在静拉拉伸时时的应应力-应变行行为第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析1.低碳钢的的应力-应变行为为低碳钢拉拉伸试验验第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.低碳钢的的应力-应变行为为低碳钢拉拉伸试验验第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.低碳钢的的应力-应变行为为低碳钢拉拉伸时应应力-应变曲线线第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.低碳钢的的应力-应变行为为oa段比例极极限ab段弹性极极限（一）四四个阶段段1、弹性阶阶段abcc’应力不增增加，变变形不断断增加称称为屈服服，该段段的最低低应力称称为屈服服应力，，在在材料屈屈服后若若卸载出出现不能能恢复的的变形成成为塑性性变形。。2、屈服阶阶段cc’第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.低碳钢的的应力-应变行为为（一）四四个阶段段3、强化阶阶段ce4、局部变变形阶段段ef材料恢复复抵抗变变形的能能力称为为强化强强度极限限变形集中中于某一一局部范范围颈缩缩断裂第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.低碳钢的的应力-应变行为为（一）四四个阶段段低碳钢在在拉伸应应力作用用下的变变形过程程分为：：弹性变形形、屈服塑性性变形、均匀塑性性变形、不均匀集集中塑性性变形四个阶段段。第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析低碳钢拉拉伸曲线线的4个阶段、、3个特征点点OB：弹性阶阶段（卸卸载可逆逆）PesbABCC’DEOA：比例极极限PB：弹性极极限eBC’：屈服阶阶段（出出现塑性性变形））（两者很很接近））=E=EE=tanC：屈服极极限s第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形C’D:强化阶段段D：强度极极限bDE：缩颈阶阶段（局局部收缩缩阶段））0pete:弹性应变变，p:塑性应变变（不可可逆的残残余应变变）PesbABCC’DEO=E卸载曲线线卸载后再再加载曲曲线屈服极限限提高：：冷作硬硬化，在C’D段内卸载载曲线为为弹性直直线E：断裂点点第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形一.工程材料料在静拉拉伸时的的应力-应变行为为第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.其他类型型材料的的应力-应变行为为弹性变形形、塑性性变形弹性变形形非线性弹弹性变形形1—纯金属（Al、Cu、Ag等）2—脆性材料料（陶瓷、、白口铸铸铁、淬淬火高碳碳钢）3—高弹性材材料（橡胶））第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.其他类型型材料的的应力-应变行为为1234102030e(%)0100200300400500600700800900s(MPa)1、锰钢2、硬铝3、退火球球墨铸铁铁4、低碳钢钢特点：d较大，为为塑性材材料。无明显屈屈服阶段段。OseA0.2%S无明显屈服阶段的，规定以塑性应变

=0.2%所对应的应力作为名义屈服极限，记作第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析刚度和强强度指标标弹性和塑塑性指标标硬度指标标第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.刚度和强强度指标标（1）刚度度定义：刚刚度是指指零（构构）件在在受力时时抵抗弹弹性变形形的能力力等于材料料弹性模模量与零零（构））件截面面积的乘乘积。单向拉伸伸时：即纯剪切时时：即EA（或GA）为零件件的刚度度，代表表产生单单位弹性性变形所所需载荷荷的大小小。弹性模量量E(或切变模模量G)是表征材材料刚度的性性能指标标(why)第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.刚度和强强度指标标（2）强度度定义：强强度是指指材料抵抵抗变形形或断裂裂的能力力第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析1.刚度和强强度指标标（2）强度度是材料应应力和应应变成正正比的最最大应力力是材料不不产生塑塑性变形形的最大大应力是材料开开始产生生塑性变变形的应应力是材料产产生最大大均匀塑塑性变形形的应力力是材料发发生断裂裂的应力力第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标（1）弹性性：指材材料弹性性变形的的大小。。弹性能为为应力-应变曲线线下面弹弹性变形形部分所所包围的的面积。。通常用弹弹性变形形时的吸吸收能u来表示。。材料的弹弹性极限限σe越高、弹弹性模量量E越低，弹弹性能越越大，材材料的弹弹性越好好。弹性指标标→弹性能第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标（2）塑性性：指材材料断裂裂前发生生塑性变变形的能能力。δ、ψ越大，材材料的塑塑性越好好。通常用断断后伸长长率δ和断面收收缩率ψ来衡量。。伸长率塑性指标标→伸长率δ和断面收收缩率ψ断面收缩缩率第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标国家标准准规定《金属拉伸伸试验方方法》（GB228—2002)LL=10dL=5d对圆截面面试样：：对矩形截截面试样样：第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标（3）硬度度：表征征材料软软硬程度度的一种种性能。。物理意义义由试验验方法决决定。莫氏硬度度—表示矿物物硬度的的一种标标准。应用划痕法将将棱锥形形金刚钻钻针刻划划所试矿物的表面而而发生划划痕用测得的的划痕的的深度分十级来来表示硬度第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标莫氏硬度度—表示矿物物硬度的的一种标标准。第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标肖氏硬度度—弹性回跳跳法硬度度值表征征材料弹弹性功的的大小。。应用弹性性回跳法法将撞销销从一定定高度落落到所试试材料的的表面上上而发发生回跳跳。撞销销是一只只具有尖尖端的小小锥，尖尖端上常常镶有金金刚钻。。用测得得的撞销销回跳的的高度来来表示硬硬度。第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标压入法硬硬度值—表征材料料的塑性性变形抗抗力及应应变硬化化能力（3）硬度度：表征征材料软软硬程度度的一种种性能。。工业中应应用最广广泛以硬质合合金或金金刚石锥锥体为压压头布氏硬度度、洛氏氏硬度、、维氏硬硬度第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标（3）硬度度：表征征材料软软硬程度度的一种种性能。。布氏硬度度—HBWP材料为淬淬火钢和和硬质合合金第一节零零件在在常温静静载下的的过量变变形二.静载性能能指标第一章机机械零零件（或或器件））的失效效分析2.弹性和塑塑性指标标（3）硬度度：表征征材料软软硬程度度的一种种性能。。洛氏硬硬度—HRC常用洛洛氏硬硬度为为C级，用用150kgf的载荷荷将一一个120°圆锥形形金刚刚石压压头压压入金金属表表面A级载荷荷为60kgf,B级为100kgf第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形二.静载性性能指指标第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析2.弹性和和塑性性指标标（3）硬硬度：：表征征材料料软硬硬程度度的一一种性性能。。维氏硬硬度—HV以一定定大小小的载载荷P,将一个个金刚刚石四四棱锥锥压入入金属属表面面，单单位压压痕面面积上上的载载荷即即为金金属的的维氏氏硬度度，单单位kgf/mm第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形三.过量变变形失失效第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析概念：：由于于弹性性或塑塑性变变形超超过了了允许许量而而导致致零（（构））件失失效1.过量弹弹性变变形及及其抗抗力指指标镗床镗镗杆被加工工零件件的精精度较小弹弹性变变形本身由由于刚刚度不不足过量弹弹性变变形镗出的的孔偏偏小、、锥度度，影影响加加工精精度、、废品品齿轮轴轴过量量变形形加速齿齿轮磨磨损，，增加加噪声声弹簧过过量变变形不能达达到承承载能能力零件产产生过过量变变形的的根本本原因因：刚度不不够第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形三.过量变变形失失效第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析概念：：由于于弹性性或塑塑性变变形超超过了了允许许量而而导致致零（（构））件失失效1.过量弹弹性变变形及及其抗抗力指指标刚度：：零构构件受受力时时抵抗抗弹性性变形形的能能力。。（一））零构构件过过量弹弹性变变形的的条件件拉压条条件下下：弯曲条条件下下：扭转条条件下下：[许可弹弹性变变形量量，扭扭转角角]第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形三.过量变变形失失效第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析概念：：由于于弹性性或塑塑性变变形超超过了了允许许量而而导致致零（（构））件失失效1.过量弹弹性变变形及及其抗抗力指指标（二））过量量弹性性变形形的原原因零构件件的刚刚度不不够（三））抗力力指标标弹性模模量E或切变变模G（三））不同同材料料的弹弹性模模量第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形三.过量变变形失失效第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析概念：：由于于弹性性或塑塑性变变形超超过了了允许许量而而导致致零（（构））件失失效1.过量弹弹性变变形及及其抗抗力指指标弹性模模量E或切变变模G,主要取取决于于材料料中原原子本本性和和原子子间结结合力力。熔熔点越越高，，弹性性模量量也越越高，，随温温度升升高而而降低低。金属材材料的的E取决于于基体体金属属的性性质，，不能通过合合金化化、热热处理理、冷冷变形形等方方法使使之改改变。。第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形三.过量变变形失失效第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析概念：：由于于弹性性或塑塑性变变形超超过了了允许许量而而导致致零（（构））件失失效2.过量塑塑性变变形及及其抗抗力指指标第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形总结结第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析第一节节零零件在在常温温静载载下的的过量量变形形应用用第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析断裂：：材料在在应力力作用用下分分为两两个或或两个个以上上的部部分现现象第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析宏观变变形量量的大大小韧性断断裂脆性断断裂断裂前前发生生明显显的宏宏观塑塑形变变形断裂前前不发发生塑塑形变变形断裂前前第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性断断裂脆性断断裂脆性断断裂没没有明明显征征兆，，危害害性极极大。。断裂前前发生生明显显塑性性变形形，警警告人人们注注意，，不会会造成成严重重事故故两种断断裂的的危害害性对对比第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性断断裂脆性断断裂断裂后后断口口齐平平，由由无数数的小小平面面组成成足够的的伸长长量才才断裂裂，断断口为为杯形形，呈呈暗灰灰色纤纤维状状第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性断断裂脆性断断裂裂纹源源或微微裂纹纹逐渐渐扩展展到一一临界界长度度的过过时，，立刻刻发生生断裂裂1.材料在在外力力下的的微裂裂纹2.原有的的内部部缺陷陷（微微裂纹纹、空空孔、、杂质质等））裂纹源源第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性断断裂脆性断断裂裂纹萌萌生和和裂纹纹扩展展的过过程裂纹亚亚稳扩扩展阶阶段：裂纹自自形成成到扩扩展至至临界界扩展展阶段段特点：：裂纹扩扩展阻阻力大大，扩扩展速速度较较慢失稳扩扩展阶阶段：裂纹达达到临临界长长度后后的扩扩展阶阶段特点：：裂纹扩扩展阻阻力小小，扩扩展速速度快快，可可达声声音在在该材材料中中的传传播速速度第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性断断裂脆性断断裂裂纹萌萌生和和裂纹纹扩展展的过过程裂纹亚亚稳扩扩展阶阶段：裂纹自自形成成到扩扩展至至临界界扩展展阶段段特点：：裂纹扩扩展阻阻力大大，扩扩展速速度较较慢失稳扩扩展阶阶段：裂纹达达到临临界长长度后后的扩扩展阶阶段特点：：裂纹扩扩展阻阻力小小，扩扩展速速度快快，可可达声声音在在该材材料中中的传传播速速度第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂一、韧韧断和和脆断断的基基本概概念第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析韧性：：材料在在塑性性变形形和断断裂过过程中中吸收收能量量的能能力，，是材材料轻轻度和和塑性性的综综合表表现。。评定材材料韧韧性的的力学学性能能是：：冲击韧韧性和和断裂裂韧性性第二节节零零件在在静载载和冲冲击载载荷下下的断断裂二、冲冲击韧韧性及及衡量量指标标第一章章机机械零零件（（或器器件））的失失效分分析冲击载载荷与与静载载荷的的主要要区别别：在加载载速率率不同同，前前者加加载速速率高高，后后者加加载速速率低低。应变速速率增增加，，使材材料变变脆倾倾向增增大。。冲击韧韧性：：用来评定材材料在冲击击载荷下的的脆断倾向向。冲击韧性：：用指材料在在冲击载荷荷作用下吸吸收塑性变变形功和断断裂功的能能力。用标标准试样的的冲击吸收收功Ak表示。第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂二、冲击韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析冲击韧性试试验：基本原理：：用一定质量量的物体以以一定的速速度冲击一一定形状的的试样，测测量断裂试试样需要的的能量，以以此能量值值表示该材材料的冲击击韧性。势能摆锤的运动动速率为5m/s,试样的应变变速率约为为第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂二、冲击韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析冲击韧度：：→衡量材料冲冲击韧性的的力学性能能指标第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂三、断裂韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析针对防止脆脆性断裂：：传统的设计计方法要求求：1.要求零件的的工作应力力2.要求材料有有足够的塑塑性δ、ψ和韧性不可能可靠靠地保证零零件不发生生低应力脆脆断。原因：没考考虑一般材材料中都存存在着微小小的宏观裂裂纹。第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂三、断裂韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析断裂力学的的发展：提出评定材材料抵抗脆脆性断裂的的力学性能能指标：—断裂韧度度第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂三、断裂韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析断裂韧度：：材料的的固有特性性，基本力力学常数，，对成分、、组织敏感感，可以通通过合金化化、热处理理来改变。。第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂三、断裂韧韧性及衡量量指标第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析断裂力学的的发展：提出评定材材料抵抗脆脆性断裂的的力学性能能指标：—断裂韧度第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析脆性断裂韧性断裂一定条件决定材料断断裂类型的的主要因素素：加载方式和和材料本质质：温度和加载载速度应力集中零件尺寸第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：1.加载方式和和材料本质质：xyzxyxyn以主平面为为单元体的的各面则称称为主单元元体xy从变形体内内任意点取取出的单元元体称为原原始单元体体主单元体的的各表面上上只有正应应力，没有有切应力对平面应力力状态，z平面也为一一个主平面面，其上的的主应力为为零。故平面应力力状态有三三个主应力力：按代数值大大小排列为为123分别称为第一主应力力，第二主主应力，第第三主应力力，第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：1.加载方式和和材料本质质：最大切应力力：最大正应力力：第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：2.温度和加载载速度：屈服强度：：正断强度：：韧脆转变温温度第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：3.应力集中：：由于构件几几何形状突突变造成局局部应力急急剧增高max应力集中的的程度由应应力集中因因数K表示第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：3.应力集中：：第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂四、影响脆脆断的因素素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析决定材料断断裂类型的的主要因素素：平面应力状状态，在Z方向可以自自由变形。。平面应变状状态，Z方向弹性约约束阻止了了该方向的的变形。第二节零零件在静载载和冲击载载荷下的断断裂总结结第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析交变载荷：：载荷的大大小、方向向随时间发发生周期性性变化的载载荷。参量：最大应力最小应力：：应力幅平均应力应力比应力变程第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析交变载荷：：载荷的大大小、方向向随时间发发生周期性性变化的载载荷。火车轴（弯弯曲）曲轴（扭转转）连杆小拉大压第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析交变载荷：：载荷的大大小、方向向随时间发发生周期性性变化的载载荷。齿轮齿根（弯曲）缸盖螺钉大拉小压第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析交变载荷：：载荷的大大小、方向向随时间发发生周期性性变化的载载荷。齿轮齿根（弯曲）缸盖螺钉大拉小压第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂一.疲劳的基本本概念第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析疲劳断裂之之特点（较之静载和和冲击载荷荷下的断裂裂）①引起疲劳的的应力很低低，通常低低于静载下下的屈服强强度；②断裂时无明明显的宏观观塑性变形形；即使在静载载和冲击载载荷下有大大量塑性变变形的塑性性材料，疲疲劳断裂也也表现出脆脆断的宏观观特征，危危险性极大大③疲劳断口能能清楚地显显示出裂纹纹的形成、、扩展和最最后断裂三三个阶段第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂二.疲劳断口的的特征第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析典型的疲劳劳断口形貌貌由疲劳源区、疲劳裂纹扩扩展区和最后断裂区区三部分组成成。第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂二.疲劳断口的的特征第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析1.疲劳源区:材料内部缺缺陷→零件局部区区域造成应应力集中→该区域产生生疲劳裂纹纹2.疲劳裂纹扩扩展区:疲劳裂纹形形成后→继续扩展长长大→载荷大小的的改变→裂纹张开和和闭合→扩展区留下下一条条光光亮的弧线线（疲劳裂裂纹前沿线线）贝壳状—海滩状3.最后断裂区区:疲劳裂纹不不断扩展→零件有效截截面逐渐减减小→应力增加→超过材料断断裂强度时时→放射状断裂裂。第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析无裂纹零件件的疲劳带裂纹零件件的疲劳经历扩展和和最后断裂裂两个阶段段经历裂纹形形成、扩展展和最后断断裂三个阶阶段疲劳不同的抗力力指标第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析疲劳极限、、过载持久久值、疲劳劳缺口敏感感度材料承受的的交变应力力与断裂循循环周次之之间的关系系曲线1.无裂纹零件件的疲劳抗抗力指标σ愈大，循环环周次愈小小；σ愈小，断裂裂循环周次次愈大。低周疲劳高周疲劳第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析（1）疲劳极限限和过载持持久值1.无裂纹零件件的疲劳抗抗力指标疲劳极限：：当应力低于于时时，即即使循环无无限多次也也不会发生生疲劳断裂裂，曲线水水平部分对对应的应力力，，就是是疲劳极限限。过载持久值值：材料在高于于疲劳极限限的应力作作用下发生生疲劳断裂裂的应力循循环周次。。疲劳曲线越越陡，值越越高第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析（2）疲劳缺口口敏感度1.无裂纹零件件的疲劳抗抗力指标疲劳缺口敏敏感度：缺口类型：：孔、圆角、、槽、台阶阶等理论应力集集中系数：：有效应力集集中系数：：光滑件疲劳劳极限：缺口件疲劳劳极限：第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析（2）疲劳缺口口敏感度1.无裂纹零件件的疲劳抗抗力指标q=0时：缺口不降低低疲劳极限限q=1时：缺口严重降降低疲劳极极限第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析含有原始裂裂纹或缺陷陷的零件，，裂纹扩展是决定疲劳劳寿命的主主要因素2.带裂纹零件件的疲劳抗抗力指标疲劳裂纹扩扩展曲线：：裂纹长度度随应力循循环周次N的变化。第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析2.带裂纹零件件的疲劳抗抗力指标疲劳裂纹扩扩展曲线：：裂纹长度度随应力循循环周次N的变化。疲劳裂纹扩扩展速率：：增大到无限限大裂纹失稳扩扩展，试样样断裂，断断裂循环周周次为第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析2.带裂纹零件件的疲劳抗抗力指标与应力幅Δσ、裂纹长度度a有关。疲劳裂纹扩扩展速率：：裂纹尖端应应力场强度度因子：疲劳裂纹尖尖端应力场场强度因子子幅ΔK：控制疲劳裂裂纹扩展的的力学参数数做出曲线：：第三节零零件在交变变载荷下的的疲劳断裂裂三.疲劳抗力指指标及其影影响因素第一章机机械零件（（或器件））的失效分分析2.带裂纹零件件的疲劳抗抗力指标曲线分分为三三个阶阶段：：1.裂纹初初始扩扩展阶阶段为交变变应力力作用用下裂裂纹不不扩展展的最最大应应力场场强度度因子子幅值值,称为为疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展门门槛槛值值。。第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂三.疲劳劳抗抗力力指指标标及及其其影影响响因因素素第一一章章机机械械零零件件（（或或器器件件））的的失失效效分分析析2.带裂裂纹纹零零件件的的疲疲劳劳抗抗力力指指标标曲线线分分为为三三个个阶阶段段：：2.疲劳劳裂裂纹纹亚亚稳稳扩扩展展阶阶段段两条条直直线线3.疲劳劳裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展阶阶段段第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂三.疲劳劳抗抗力力指指标标及及其其影影响响因因素素第一一章章机机械械零零件件（（或或器器件件））的的失失效效分分析析3.影响响疲疲劳劳抗抗力力的的因因素素（1）.载荷荷类类型型同种种材材料料，，载载荷荷类类型型不不一一样样，，其其应应力力状状态态不不一一样样，，疲疲劳劳极极限限也也不不同同。。第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂三.疲劳劳抗抗力力指指标标及及其其影影响响因因素素第一一章章机机械械零零件件（（或或器器件件））的的失失效效分分析析3.影响响疲疲劳劳抗抗力力的的因因素素（2）.材料料本本质质材料料不不同同，，其其疲疲劳劳曲曲线线不不同同，，则则疲疲劳劳极极限限和和过过载载持持久久值值不不同同。。材料料的的疲疲劳劳极极限限主主要要取取决决于于材材料料的的抗抗拉拉强强度度。。材料料一一定定时时，，其其纯纯度度和和组组织织状状态态对对疲疲劳劳抗抗力力有有显显著著影影响响。。夹夹杂杂物物成成为为疲疲劳劳裂裂纹纹源源，，导导致致疲疲劳劳抗抗力力下下降降。。组织织状状态态不不同同，，强强度度高高者者，，疲疲劳劳极极限限高高。。第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂三.疲劳劳抗抗力力指指标标及及其其影影响响因因素素第一一章章机机械械零零件件（（或或器器件件））的的失失效效分分析析3.影响响疲疲劳劳抗抗力力的的因因素素（3）.零件件表表面面状状态态零件件在在冷冷、、热热加加工工过过程程中中产产生生的的缺缺陷陷：：脱脱碳碳、、裂裂纹纹、、刀刀痕痕、、碰碰伤伤等等，，使使疲疲劳劳极极限限降降低低。。零件件表表面面粗粗糙糙，，还还使使疲疲劳劳曲曲线线左左移移，，即即缩缩短短了了过过载载下下的的疲疲劳劳寿寿命命。。第三三节节零零件件在在交交变变载载荷荷下下的的疲疲劳劳断断裂裂三.疲劳劳抗抗力力指指标标及及其其影影响响因因素素第一一章章机机械械零零件件（（或或器器件件））的的失失效效分分析析3.影响响疲疲劳劳抗抗力力的的因因素素（4）.工作作温温度度高温温使使材材料料的的屈屈服服强强度度降降低低，，疲疲劳劳裂裂纹纹易易形形成成和和扩扩展展，，顾顾降降低低了了疲疲劳劳极极限限和和疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展值值，，增增加加了了疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展速速率率。。（5）.腐蚀蚀介介质质零件件在在腐腐蚀蚀介介质质（（酸酸、、碱碱、、盐盐水水、、海海水水等等））中中工工作作时时，，表表面面的的腐腐蚀蚀坑坑成成为为疲疲劳劳裂裂纹纹源源，，使使疲疲劳劳极极限限和和门门槛槛值值，，裂裂纹纹扩扩展展率率提提高高。。使使钢钢铁铁材材料料疲疲劳劳曲曲线线上上的的水水平平部部分分消消失失。。第四四节节零零件件的的磨磨损损失失效效磨损损：：零件件在在摩摩擦擦过过程程中中其其表表面面发发生生尺尺寸寸变变化化和和物物质质损损耗耗的的表表现现磨损损是是零零件件失失效效的的一一种种形形式式，，也也是是决决定定机机械械寿寿命命的的重重要要因因素素。。发动机中中气缸套套的磨损损量超过过允许值值或活塞塞环受磨磨损后其其开口间间隙明显显增大，，都引起起发动机机功率不不足，耗耗油量增增加，产产生噪音音和故障障等，此此时必须须更换气气缸套和和活塞环环。汽缸套筒筒磨损量量大小决决定发动动机的大大修期。第四节零零件的的磨损失失效磨损的基基本类型型：粘着磨损损、磨粒粒磨损、、腐蚀磨磨损、麻麻点磨损损（接触触疲劳））1.粘着磨损损：滑动动摩擦时时摩擦副副接触面面局部发发生金属属粘着，，在随后后相对滑滑动中粘粘着处被被破坏，，有金属属屑粒从从零件表表面被拉拉拽下来来或零件件表面被被擦伤的的一种磨磨损形式式。一.磨损的基基本类型型第四节零零件的的磨损失失效磨损的基基本类型型：粘着着磨损、、磨粒磨磨损、腐腐蚀磨损损、麻点点磨损（（接触疲疲劳）粘着磨损损是在滑滑动摩擦擦条件下下，力学学性能相相差不大大的两种种金属之之间发生生的最常常见的磨磨损形式式。如图图滑动一.磨损的基基本类型型第四节零零件的的磨损失失效2.磨粒磨损损：也叫磨料料磨损，，是指滑滑动摩擦擦时，在在零件表表面摩擦擦区存在在硬质磨粒粒（外界进进入的磨磨料或表表面剥落落的碎屑屑）使使磨面发发生局部部塑性变形形、磨粒嵌嵌入和被被磨粒切切割等过过程，以以致磨面面材料逐逐渐损耗耗的一种种磨损，，如图第四节零零件的的磨损失失效2.磨粒磨损损：磨粒磨损损是机械械零件中中普遍存存在的一一种磨损损形式，，磨损速速度较大大，可达达例子：1.农业机械械和矿山山机械的的齿轮常常发生严严重的磨磨粒磨损损；2.汽车、拖拖拉机气气缸进入入灰尘，，润滑油油带入污污物发生生磨粒磨磨损。第四节零零件的的磨损失失效3.腐蚀磨损损：腐蚀磨损损是在摩摩擦力和和环境介介质联合合作用下下，金属属表层的的腐蚀产产物剥落落和金属属磨面间间的机械械磨损（（粘着磨磨损和磨磨粒磨损损）相结结合的一一种磨损损。腐蚀气氛氛的腐蚀蚀磨损氧化磨损损机件嵌合合部位的的微动磨磨损水利机中中的冲蚀蚀磨损包括：第四节零零件的的磨损失失效氧化磨损损：当摩擦副副表面相相对运动动时，在在发生塑塑性变形形的同时时，零件件表面已已形成的的氧化膜膜在摩擦擦接触点点处遭到到破坏，，紧接着着又在该该处立即即形成新新的氧化化膜，这这种氧化化膜不断断从金属属表面脱脱离又反反复形成成，造成成金属表表面物质质不断损耗的过程。。普遍性：：1.不论任何何摩擦过过程；任任何摩擦擦速度；；2.接触压力力大小；；3.是否存在在润滑油油都会发生生第四节零零件的的磨损失失效2).微动磨损损：在机械的的嵌合部部位，如如嵌合连连接的汽汽轮机叶叶片的叶叶根部位位，以及及紧配合合处，如如轴套与与轴的配配合处（（图）虽然配配合面之之间没有有明显的的相对位位移，但但在外部部交变载载荷作用用和震动动的影响响下却产产生微小的相相对滑动动dl(2-20μm),此时配合合表面上上产生大大量褐色色（钢质质机件表表面）或或黑色（（铝或镁镁合金机机件表面面）的粉粉末状磨磨损产物物。特点：微微动磨损损集中在在局部区区域，两两摩擦表表面不脱脱离，磨磨损物不不容易排排除，兼兼有氧化化磨损、、磨粒磨磨损和黏黏着磨损损的作用用。危害:在微动动磨损损区形形成一一定深深度的的磨痕痕蚀坑坑，叫叫咬蚀蚀。精度、、性能能下降降、引引起应应力集集中，，促使使疲劳劳。第四节节零零件的的磨损损失效效4.接触疲疲劳：：零件（（如齿齿轮、、滚动动轴承承、钢钢轨和和轮箍箍等））两接接触面面作滚滚动或或滚动动加滑滑动摩摩擦时时，在在交变变接触触压应应力的的长期期作用用下，，引起起的一一种表表面疲疲劳剥落破坏而而使物物质损耗的现象象，表表现为为接触触表面面上出出现许许多针针状或或痘状状的凹凹坑，，称为为麻点点也叫叫麻点点磨损损或疲疲劳磨磨损。。少数麻麻点时时，仍仍能工工作，，麻点点剥落