《工程材料及成型》模块1 工程材料性能及选用-项目6 机械零件的失效分析

《工程材料及成型》课程导论模块一

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工程材料性能及选用模块二

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|减材制造模块四

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增材制造课程目录CONTENTS《工程材料及成型》课程2026年6月22日主讲教师：贾颖莲模块一工程材料性能及选用1【学习导览】目

录CONTENTS2项目1工程材料性能及检测3项目2铁碳合金相图分析4项目3金属材料的热处理项目5非金属材料及其选用5项目4金属材料及其选用67目

录CONTENTS8项目6机械零件的失效分析9项目7材料及成型工艺选择10【延伸学习】【课后习题】11【内容小结】【学习导览】工程材料堪称经济社会前行的根基，犹如装备制造业的“养分”。装备制造业作为我国经济高质量发展的关键支撑，是推进中国式现代化和制造强国建设的坚实力量。1.工程材料概述工程材料是指用于机械工程、土木工程或其他工程项目中的材料，通常是具有一定强度、硬度、刚度、塑性或其他性能与功能的材料。2.工程材料的发展随着装备制造业的升级换代和结构调整，工程材料今后的发展趋势是传统材料不断扩大品种规模、不断提高质量并降低成本，新材料特别是人工合成材料等将得到快速发展，从而形成传统材料与新材料竞相发展的格局。本模块的教学目标和主要内容目标了解工程材料的力学性能以及其他性能；掌握金属材料的性能与其化学成分、显微组织及加工工艺之间的变化规律；掌握金相试样的制备流程与金相显微镜的基本操作；熟悉金属材料的热处理工艺及其应用领域；掌握毛坯选用方法；能根据零件用途选择合适的材料及成型工艺。内容工程材料的性能及检测；铁碳合金相图分析；金属材料的热处理；金属材料及其选用；非金属材料及其选用；机械零件的失效分析；材料及成型工艺选择。项目6机械零件的失效分析在各类工程中，零部件失去原有设计所规定的功能称为失效，包括完全丧失原定功能、功能降低、有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性。失效会引发事故甚至重大的或灾难性的事故、造成危害、生命财产的损失（直接经济损失与间接经济损失）。齿轮失效轴承失效雪铁龙断轴任务1机械零件失效原因分析1.失效分析的步骤及方法失效分析工作涉及多门学科的知识，且具有较强的实践性。要想快速准确地获得分析结果须采取正确的失效分析步骤和方法。①现场调查。②整理分析。③断口分析。④成分、组织、性能的分析与测试。⑤判定成因。2.机械零件失效的原因（1）设计原因（2）制造原因（3）材料原因（4）使用原因任务2机械零件失效形式分析一般机械零件常见的失效形式有三种：断裂失效、表面损伤失效、变形失效。1.断裂失效机械零件因断裂而产生的失效属于断裂失效，常见的断裂有以下五类。（1）过载断裂（2）韧性断裂（3）脆性断裂（4）疲劳断裂（5）蠕变断裂2.表面损伤失效由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效，常见的有以下三类。（1）磨损失效（2）表面疲劳（3）腐蚀失效3.变形失效（1）弹性变形失效不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的主要措施有增加零件截面、采用弹性模量高的材料、防止超载等。（2）塑性变形失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形（永久变形）。防止零件塑性变形失效的措施有采用屈服强度高的材料、进行合理的热处理、防止超载等。任务3机械零件的断裂分析断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下其连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。疲劳是机械零件常见的失效形式，据统计资料分析，在不同类型的零件失效中，有50%～80%的失效属于疲劳失效。疲劳断裂在破坏前，零件往往不会产生明显的变形和预先的征兆，但破坏却往往是致命的，会酿成重大事故。疲劳损坏产生及发展有其特点，最终形成为疲劳断裂。下面以某断裂的双头螺柱为例进行分析，如图1-6-3所示。从图1-6-3（a）双头螺柱断口的形状宏观现象可知：①断口的下方左右二侧有凹凸不规则状形态出现，左侧有弧线凸状缺口；右侧的沿表面有锯齿状多个微小缺口存在；最下端弧面形成锋利的刀口状态。②在广大的中间区（扩展区），许多条贝纹状线条清晰可见。③在初始区与广大的贝纹区的断面出现锈迹。④在瞬时断裂区有明显的剪切唇口，而且剪切唇区的组织细腻；并且这个区域的断面光滑明亮，没有出现锈迹（说明瞬断时间不长）。⑤在断裂螺栓的下方区域，螺杆光滑明亮，磨擦痕迹十分明显，是经过反复摩擦而形成的光滑的弧面，且断口处的杆径尺寸变化不明显，如图1-6-3（b）所示。1.宏观原因分析①裂纹源产生在下侧，下边光滑切口及左右锯齿形、弧形缺口，是产生裂纹的源头。②断裂试样断口中，裂纹的扩展区域，贝纹线清晰，下段（初期）贝纹线间隙距离比较小，在切向应力反复作用下缓慢扩展，上段区域贝纹线间距扩大，反映裂纹扩展速度在加快，如图1-6-3（a）所示。③在瞬时断裂区域，如图1-6-3（a）所示，形成光滑明亮的剪切唇区，剪切唇宽大明显，显示出延性断口的特征，说明螺栓的强韧性配合比较好。④侧向光滑，螺柱的侧面经过反复的侧向应力，不断来回摆动，和孔壁反复地摩擦，形成光滑弧面。综上所述，从断口来看是比较典型的由弯曲产生的疲劳断裂，并且从瞬断区显示出延性断口的性状。2.微观原因分析为了进一步查明疲劳断裂的原因，需要进一步做微观分析。经由电子显微镜的观察，了解双头螺柱断口不同视野的内部组织状况，如图1-6-4所示。从扫描电镜进行观察，断口的裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹，这是疲劳断裂的微观形态主要的特征，与宏观的贝纹线遥相呼应。图1-6-4中的（a）（b）（c）三个电镜照片中的白色线条清晰可见疲劳辉纹。从图1-6-4中的（a）、（d）中的两张照片中，明显地可见多处韧窝的存在；这是扫描电镜照片中，反映产品强度与韧性配合比较恰当的微观显像，与宏观照片中的瞬时断裂区有较大的剪切唇区相互对应，说明双头螺栓的强度与塑性配合比较理想。电镜图片没有出现解理图像，只有在图1-6-4（c）中的部分区域才呈现准解理现象；而且准解理与韧窝，在同一图片中同时交错出现。也表明了紧固件的脆性现象不明显，强度与韧性配合比较良好。由此可见，螺柱表面有车刀切削痕迹，粗糙度比较大，在反复承受切向弯曲应力后，双头螺柱一侧的车削痕迹经过摩擦，磨成光滑弧面，反映出双头螺柱经受了反复的弯曲、碰撞、摩擦。在经受来回摆动的过程中，长期的高频次的弯曲疲劳，在表面比较粗糙的地方首先打破缺口，形成了裂纹源，然后随反复弯曲形成切向应力，使裂纹逐步扩展，直至疲劳断裂。从以上宏观图片与微观分析遥相呼应，可以得出如下结论：双头螺柱在反复承弯曲中产生疲劳，在弯曲疲劳产生累积效应，至直突发疲劳断裂。3.实地考察分析为了更清楚地了解双头螺柱断裂情况，需要到设备现场进行考察与实地调研，了解双头螺柱的使用（初次安装时间及检修）、安装（方向、位置）、断裂（断口实际状况及具体部位）等情况。在风机设备现场发现，三十多台1.5兆瓦的风能发电机运转了三年多时间，只出现一根双头螺柱产生断裂的状况，断裂现象属于个例。断裂螺柱的一侧无间隙，紧紧地贴在齿轮孔的一端；另一侧却有较大的缝隙，这是由于安装时没有准确地定位，形成螺柱偏离中心位置。双头螺柱会随风产生弯曲及来回摆动，产生了隐患。为了更好地反映断裂的状况，需要从齿轮反面观察断裂螺柱的情况。在紧贴齿轮孔的一侧，发现螺柱的一侧紧贴齿轮孔（没有任何缝隙），而另一端却存在较大的间隙。无缝隙的一侧切向应力非常巨大，也导致拆卸工作难度极大。在垂直于轴向的巨大应力作用下，在风机不停的运转过程中，双头螺柱紧贴齿轮孔弧面的一侧，经受了对齿孔壁的来回反复的弯曲撞击，经过较长时间的撞击和摩擦，螺柱的一侧显得光滑明亮，磨擦痕迹十分明显，完全消除了车削加工痕迹。风力发电机以17r/min的转速度旋转，以每天工作15小时计算，一天转动1.53万转。长期来承受侧向应力和弯曲疲劳导致该双头螺柱发生断裂，符合低应力、高循环次数的疲劳规律，是弯曲疲劳产生断裂的典型案例。4.分析总结经宏观分析、微观分析以及现场考察，可最终确定该双头螺柱的断裂原因属于弯曲疲劳产生的断裂。断裂的产生是由于安装不当，形成螺柱一端紧贴齿孔，单向侧面受到切应力，在长期反复运转中产生的弯曲疲劳断裂。任务4机械零件的磨损分析通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等多种形式。1.粘着磨损当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损，又称粘附磨损。按照粘着结点的强度和破坏位置不同，粘着磨损有不同的形式。（1）轻微粘着磨损：当粘结点的强度低于摩擦副两材料的强度时，剪切发生在界面上，此时虽然摩擦系数增大，但磨损却很小，材料转移也不显著。通常在金属表面有氧化膜、硫化膜或其它涂层时发生这种粘着磨损。（2）一般粘着磨损：当粘结点的强度高于摩擦副中较软材料的剪切强度时，破坏将发生在离结合面不远的软材料表层内，因而软材料转移到硬材料表面上。这种磨损的摩擦系数与轻微粘着磨损的差不多，但磨损程度加重。（3）擦伤磨损：当粘结点的强度高于两对磨材料的强度时，剪切破坏主要发生在软材料的表层内，有时也发生在硬材料表层内。转移硬材料上的粘着物又使软材料表面出现划痕，所以擦伤主要发生在软材料表面。（4）胶合磨损：如果粘结点的强度比两对磨材料的剪切强度得多，而且粘结点面积较大时，剪切破坏发生在对磨材料的基体内。此时，两表面出现严重磨损，甚至使摩擦副之间咬死而不能相对滑动。2.磨料磨损磨料磨损是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，又称磨粒磨损，其特征是在接触表面上有明显的切削痕迹。由于磨料磨损主要是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，故其影响因素就取决于这两方面：一是磨料，磨料磨损与磨料的相对硬度、