緒論與機(jī)械零件的失效分析.ppt
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緒論,機(jī)械工程材料的定義、分類(lèi)和常用的性能指標(biāo);學(xué)習(xí)本門(mén)課程的目的。,一機(jī)械工程材料的定義和分類(lèi),1、定義機(jī)械工程材料主要指用于機(jī)械工程、電器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等領(lǐng)域的材料。,2、分類(lèi)(按化學(xué)成分分類(lèi))金屬材料(綜合性能好,用量最大、應(yīng)用范圍最廣)高分子材料(質(zhì)輕、耐腐蝕,常用于化工、機(jī)械、航空航天等)陶瓷材料(高電強(qiáng)、高硬度、耐腐蝕、絕緣,用于電器、化工、航空航天等等)復(fù)合材料(輕、高的比強(qiáng)度、比剛度,結(jié)合兩種材料的性能優(yōu)點(diǎn),用于航空航天等領(lǐng)域),二機(jī)械工程材料的常用性能,三、學(xué)習(xí)《機(jī)械工程材料》的目的,(1)獲得常用的金屬材料、非金屬材料的基本理論知識(shí),了解各種機(jī)械工程材料的基本特性和應(yīng)用范圍;(2)在了解材料性能和設(shè)計(jì)之間關(guān)系的基礎(chǔ)上,可根據(jù)零件的工作條件和失效形式,正確設(shè)計(jì)和合理選材;(3)能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)、工藝、外界條件(溫度、環(huán)境介質(zhì))改變對(duì)材料性能的影響,正確制定零件的冷、熱加工工藝路線。,第一章機(jī)械零件的失效分析,本章主要內(nèi)容零件的過(guò)量變形以及性能指標(biāo)零件的斷裂及性能指標(biāo)零件在交變載荷下的疲勞斷裂及性能指標(biāo)零件的磨損失效以及防止零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,關(guān)于失效的基本概念,1零件(構(gòu)件)的功能(1)在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下,保持規(guī)定的形狀和尺寸;(2)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的機(jī)械運(yùn)動(dòng);(3)傳遞力和能。,失效的定義和形式定義:零件失去設(shè)計(jì)所要求的效能(功能)稱(chēng)為失效。常見(jiàn)的失效形式:過(guò)量變形、斷裂、磨損、腐蝕,第一節(jié)零件在常溫靜載下的過(guò)量變形,材料的靜載性能指標(biāo)有哪些?什么是過(guò)量彈性變形失效?發(fā)生過(guò)量彈性變形的原因是什么?設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇什么性能指標(biāo)?發(fā)生過(guò)量塑性變形的原因是什么?抗力指標(biāo)有哪些?,問(wèn)題,一、材料的靜載性能指標(biāo),剛度和強(qiáng)度指標(biāo)彈性和塑性指標(biāo)硬度指標(biāo)韌性指標(biāo)(放在斷裂中講),1、剛度,剛度:零構(gòu)件載受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。,2、強(qiáng)度、彈性塑性指標(biāo),試樣的靜拉伸過(guò)程,(1)強(qiáng)度:材料抵抗變形或者斷裂的能力,比例極限sp彈性極限se屈服強(qiáng)度ss抗拉強(qiáng)度sb斷裂強(qiáng)度sk,(2)彈性和塑性指標(biāo)彈性:材料發(fā)生彈性變形的大小。塑性:材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力,彈性指標(biāo):彈性能(彈性比功)m塑性指標(biāo):斷后伸長(zhǎng)率d斷面收縮?,硬度硬度:表征材料軟硬程度的一種性能。硬度指標(biāo):物理意義與試驗(yàn)方法有關(guān),滑痕法硬度值(莫氏硬度)彈性回跳法硬度值(肖氏硬度)壓入法硬度值(工業(yè)中應(yīng)用廣泛)布氏硬度(HBS)淬火鋼球洛氏硬度(HRC)(錐角為120的金剛石圓錐體)維氏硬度(HV)(錐面角為136的金剛石四棱錐體為壓頭,二、過(guò)量變形失效,過(guò)量彈性變形及抗力指標(biāo)(1)零構(gòu)件發(fā)生過(guò)量彈性變形失效:Dl?[Dl](拉壓或者彎曲條件下)或者q?[q](扭轉(zhuǎn)條件下)(2)過(guò)量彈性變形的原因:零構(gòu)件的剛度不夠(3)抗力指標(biāo):彈性模量E或者切變模量G,過(guò)量塑性變形及抗力指標(biāo)(1)發(fā)生條件:塑性變形量超過(guò)允許變形量(2)原因:偶而過(guò)載或者零構(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠(3)抗力指標(biāo):比例極限、彈性極限和屈服極限,總結(jié),零構(gòu)件發(fā)生過(guò)彈性變形的原因:剛度不足抗力指標(biāo):彈性模量E或者切變模量G,強(qiáng)調(diào)!金屬和合金的彈性模量不能通過(guò)合金化和熱處理、冷變形等方法改變。,本節(jié)中所講的材料的力學(xué)性能指標(biāo)及應(yīng)用,剛度:剛度設(shè)計(jì)中,考慮構(gòu)件在受力時(shí)發(fā)生的彈性變形量。主要力學(xué)性能是材料的彈性模量。如精密機(jī)床主軸等零構(gòu)件,彈性指標(biāo):彈性極限和彈性模量是設(shè)計(jì)彈性零件考慮的性能指標(biāo)。如汽車(chē)板簧和各類(lèi)彈簧等,屈服強(qiáng)度和塑性:一般零件的抗斷裂設(shè)計(jì)。,硬度:在耐磨零件中必須考慮的性能指標(biāo)。如滾珠軸承等.,,,,,第二節(jié)零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,問(wèn)題斷裂可分為幾類(lèi)?韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分?斷裂過(guò)程分為幾個(gè)階段?韌性斷裂和脆性斷裂的斷裂過(guò)程的區(qū)別在哪里?什么是材料的韌性?評(píng)價(jià)材料韌性的力學(xué)性能指標(biāo)有哪些?材料韌性指標(biāo)的含義及應(yīng)用?,一、基本概念,靜載荷和沖擊載荷斷裂:材料在外力作用下分為兩個(gè)或者兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象。斷裂的分類(lèi):韌性斷裂和脆性斷裂斷裂過(guò)程:裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展韌性:表示材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。,韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌,韌性斷口,脆性斷口,二、沖擊韌性及衡量指標(biāo),沖擊韌性:材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力,是材料強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)。衡量指標(biāo):沖擊吸收功Ak沖擊韌度ak(ak=Ak/Fk)應(yīng)用:評(píng)價(jià)材料韌性的好壞,與屈服強(qiáng)度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計(jì)。低溫沖擊試驗(yàn):(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK),材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用,三、斷裂韌性及衡量指標(biāo),斷裂韌度KIC:是評(píng)定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo),指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位:MPam1/2或者M(jìn)Nm-3/2應(yīng)用(判斷構(gòu)件是否安全,合理選材)KIKIC構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KI=KIC構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件3應(yīng)用場(chǎng)合:主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件,或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。,四、影響脆性斷裂的因素,溫度和加載速度應(yīng)力集中零件尺寸,總結(jié),材料的斷裂分為:韌性斷裂和脆性斷裂材料的韌性指標(biāo):沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度,前三個(gè)用于評(píng)價(jià)材料韌性的好壞;斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計(jì)。材料的以上韌性指標(biāo)均可用合金化和熱處理等方法改變。,第三節(jié)零件在交變載荷下的疲勞斷裂,問(wèn)題什么是疲勞斷裂?疲勞斷口由哪幾個(gè)部分組成?疲勞抗力指標(biāo)有哪些?在設(shè)計(jì)中如何使用這些指標(biāo)?,一、基本概念,交變載荷:載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂:零件在交變載荷下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過(guò)程:裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、最后斷裂。,二、疲勞斷口的特點(diǎn),疲勞斷口,示意圖,疲勞源區(qū)和疲勞擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌,三、疲勞抗力指標(biāo),無(wú)裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo):,疲勞極限過(guò)載持久值,疲勞極限:材料經(jīng)過(guò)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對(duì)應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。,疲勞曲線,圖1-11兩種類(lèi)型的疲勞曲線a)鋼鐵材料b)部分有色金屬(如鋁合金),過(guò)載持久值:材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。,高周疲勞:Nf>105低周疲勞:Nf<105,2帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標(biāo),裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)疲勞裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值(DKth),四、影響疲勞抗力的因素,載荷類(lèi)型材料本質(zhì)零件表面狀態(tài)工作溫度腐蝕介質(zhì),總結(jié),疲勞斷裂是零構(gòu)件常見(jiàn)的一種失效形式,它是一種脆性斷裂,危害很大。無(wú)裂紋零構(gòu)件設(shè)計(jì)中常用的疲勞抗力指標(biāo)是疲勞極限、過(guò)載持久值和疲勞缺口敏感度。工作應(yīng)力s疲勞極限,構(gòu)件在一定的周次下斷裂,該周次稱(chēng)為過(guò)載持久值。工作應(yīng)力越大,過(guò)載持久值越低。3疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以,根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。,第四節(jié)零件的磨損失效,本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過(guò)程、機(jī)理以及防止措施。,一、磨損的基本概念產(chǎn)生磨損的條件磨損的定義:在摩擦過(guò)程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。,二、磨損的過(guò)程和機(jī)理,粘著磨損(1)又稱(chēng)咬合磨損,在滑動(dòng)摩擦條件下,摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著,在隨后的相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞,有金屬屑粒被拉拽下來(lái)或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。,(2)過(guò)程,(3)粘著磨損的特點(diǎn):磨損速度大;破壞嚴(yán)重。,(4)防止措施合理選材,摩擦幅配對(duì)材料選用硬度差較大的異類(lèi)材料;提高表面硬度;合理設(shè)計(jì)減小接觸壓應(yīng)力;減小表面粗糙度。,磨粒磨損(1)定義:又稱(chēng)磨料磨損,在滑動(dòng)摩擦?xí)r零件表面存在硬質(zhì)磨粒,使磨面發(fā)生局部塑性變形,磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導(dǎo)致零件表面逐漸損耗的一種磨損。,(2)過(guò)程,(4)防止措施提高表面硬度(從選材方面);減少磨粒數(shù)量(從工作狀況方面)。,接觸疲勞(疲勞磨損,麻點(diǎn)磨損)(1)定義:零件工作面作滾動(dòng)或滾動(dòng)加滑動(dòng)摩擦?xí)r,在交變接觸壓應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。(2)過(guò)程:類(lèi)似于疲勞斷裂,是裂紋萌生和擴(kuò)展過(guò)程。,(3)主要防止措施提高材料硬度;提高材料純度;提高零件心部和表面強(qiáng)度;減小表面粗糙度。,總結(jié),磨損是機(jī)械零件常見(jiàn)的一種失效形式,總是從零件表面開(kāi)始發(fā)生。各種磨損的過(guò)程和機(jī)理不同,因此其主要的預(yù)防措施也不同。提高零件表面硬度,合理設(shè)計(jì)減小壓應(yīng)力,以及提高表面光潔度等對(duì)降低磨損都有利。,第五節(jié)零件的腐蝕失效,問(wèn)題1什么是腐蝕?可分為幾類(lèi)?高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中?耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力?發(fā)生電化學(xué)腐蝕的條件是什么?改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么,一、腐蝕的定義和分類(lèi),腐蝕:材料表面和周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或者電化學(xué)反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。分類(lèi):化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕,二、腐蝕過(guò)程及防止化學(xué)腐蝕過(guò)程(以高溫氧化腐蝕為主),高溫氧化過(guò)程:(1)金屬失去電子成為金屬離子(2)氧原子吸收電子成為氧離子(3)金屬離子和氧離子結(jié)合為金屬氧化物,基體金屬能否繼續(xù)氧化,取決于氧化物薄膜是否致密。提高鋼抗氧化能力:加入Al、Si、Cr等元素,與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜,防止基體金屬進(jìn)一步氧化。,電化學(xué)腐蝕條件:存在電極電位差,并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。,電化學(xué)腐蝕的過(guò)程,陽(yáng)極:失去電子,M?Mn++ne(被腐蝕)陰極:發(fā)生析氫反應(yīng)或者吸氧反應(yīng),三、零件防止腐蝕的措施,對(duì)于化學(xué)腐蝕,常采用以下方式:選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等;零件表面涂層。對(duì)于電化學(xué)腐蝕:選擇耐腐蝕材料;表面涂層;電化學(xué)保護(hù);加緩蝕劑,第六節(jié)零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效,問(wèn)題金屬材料在高溫下的力學(xué)行為有哪些特點(diǎn)?什么是蠕變?評(píng)價(jià)金屬材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)有哪些?高溫下零件的失效方式有哪些?如何防止?,一、材料在高溫下的力學(xué)行為,1材料的強(qiáng)度隨溫度的升高而降抵。2高溫下材料的強(qiáng)度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降抵。高溫下材料的變形量隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。蠕變:材料在長(zhǎng)時(shí)間恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。,二、評(píng)價(jià)材料高溫力學(xué)性能指標(biāo)蠕變極限:高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料對(duì)塑性變形的抗力指標(biāo)成為蠕變極限。表示方法(1)在規(guī)定溫度下使試樣產(chǎn)生規(guī)定穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值,符號(hào)為,(2)給定溫度下,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定蠕變總變形量d的應(yīng)力值,符號(hào)為:,,持久強(qiáng)度:材料在高溫長(zhǎng)期載荷作用下抵抗斷裂的能力。表示方法:用給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)試樣發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力表示,sTtt---時(shí)間;T----溫度;,三、高溫下零件的失效和防止高溫下零件的失效形式:過(guò)量塑性變形(蠕變變形)、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。防止措施:正確選材;(選熔點(diǎn)高、組織穩(wěn)定的材料)表面處理(表面渡硬鉻、熱噴涂鋁和陶瓷等),- 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