第一章机械零件(金属材料)的性能指标与失效分析课件.ppt
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- 第一章 机械零件 金属材料 性能指标 失效 分析 课件
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1、第一章第一章 机械零件机械零件(金属材料)的性金属材料)的性能指标与失效分析能指标与失效分析本章主要内容本章主要内容零件的零件的过量变形过量变形以及性能指标以及性能指标零件的零件的断裂断裂及性能指标及性能指标零件在交变载荷下的零件在交变载荷下的疲劳断裂疲劳断裂及性能指标及性能指标零件的零件的磨损失效磨损失效以及防止以及防止零件在零件在高温下高温下的的蠕变变形和断裂失效蠕变变形和断裂失效关于失效的基本概念关于失效的基本概念1 1 零件(构件)的功能零件(构件)的功能 (1 1)在一定的压力、温度、介质下,保持)在一定的压力、温度、介质下,保持规定的形状和尺寸;规定的形状和尺寸;(2 2)实现规定
2、的机械运动;)实现规定的机械运动;(3 3)传递力和能。)传递力和能。2 2 失效的定义和形式失效的定义和形式 定义定义:零件失去设计所要求的效能(功能)零件失去设计所要求的效能(功能)称为失效。称为失效。常见的失效形式常见的失效形式:过量变形、断裂、磨损、过量变形、断裂、磨损、腐蚀腐蚀第一节第一节 零件在常温静载下的过量变形零件在常温静载下的过量变形材料的静载性能指标有哪些材料的静载性能指标有哪些?什么是过量弹性变形失效什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性变形的原因是发生过量弹性变形的原因是什么什么?设计时应选择什么性能指标设计时应选择什么性能指标?发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变
3、形的原因是什么?抗力指标有哪些抗力指标有哪些?问问 题题一、工程材料在静拉伸时的应力工程材料在静拉伸时的应力应变行为应变行为低碳钢的应力低碳钢的应力-应变行为应变行为 拉伸试验及应力应变曲线拉伸试验及应力应变曲线 将圆柱形或板状光滑试样装夹在拉伸试验机上 拉伸机拉伸机图图2-2 拉伸试拉伸试验设备验设备图图2-3 圆柱形圆柱形拉伸试样拉伸试样比例极限比例极限 s sp弹性极限弹性极限 s se屈服强度屈服强度 s ss抗拉强度抗拉强度 s sb断裂强度断裂强度 s sk材料单位面积上的内力材料单位面积上的内力称为称为应力应力(PaPa),以),以表示。表示。二、材料的静载性能指标二、材料的静载
4、性能指标刚度和强度指标刚度和强度指标弹性和塑性指标弹性和塑性指标硬度指标硬度指标韧性指标(放在断裂中讲)韧性指标(放在断裂中讲)1、刚度、刚度刚度:刚度:零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。与零构件截面积的乘积。E=/E=(P/A)/EA=P/(1)强度:)强度:材料抵抗材料抵抗变形变形或者或者断裂断裂的能力的能力弹性极限弹性极限 s se屈服强度屈服强度 s ss抗拉强度抗拉强度 s sb断裂强度断裂强度 s sk2、强度、弹性塑性指标、强度、弹性塑性指标2022年11月26日21时41分材料与成形技术 1
5、.1 概述10 比例极限比例极限p p与弹性极限与弹性极限e ep p-在在-曲线上曲线上开始偏离直线时的应开始偏离直线时的应力。力。e e-由弹性变形过渡由弹性变形过渡到弹到弹-塑性变形时的应塑性变形时的应力。力。11 屈服现象与屈服强度屈服现象与屈服强度屈服现象屈服现象:在试验外力不增加或上下波动:在试验外力不增加或上下波动的情况下,试件应变明显增加的现象。不的情况下,试件应变明显增加的现象。不同材料或在不同试验条件下得到的同材料或在不同试验条件下得到的-曲线类型如图所示。曲线类型如图所示。2022年11月26日21时41分12 屈服强度(屈服极限屈服强度(屈服极限)s s a)如屈服时-
6、有齿状曲折线段,则下屈服点对应的应力确定为屈服强度s。b)若屈服时-曲线上有平坦水平线段,则该水平线所对应的应力为s;13c)c)若无明显水平线段若无明显水平线段,则取产生规定微量塑性变形所对应的应力作为条件屈服强度;根据需要,微量塑性变形可取0.05%、0.1%、0.2%等,对应的条件屈服强度分别记作0.05、0.1、0.2等。14 条件屈服强度条件屈服强度0.2 0.2(脆性(脆性材料屈服极限)材料屈服极限)根据GB228-87要求,对没有明显屈服现象的材料,规定取非比例伸长与原标距长非比例伸长与原标距长度度之比为0.2%时的应力,作为屈服强度指标。称为条件屈服强度,用0.2 表示。15
7、抗拉强度(抗拉极限)抗拉强度(抗拉极限)b b 指拉伸过程试件所能承受的最大应力。在拉伸过程中,当载荷继续增加到b点时,试件横截面出现局部变细的颈缩现象。这时的应力称为抗拉强度(抗拉极限)b。16(2)塑性指标)塑性指标塑性塑性:材料断裂前发生塑性变形的能力材料断裂前发生塑性变形的能力塑性指标:断后伸长率塑性指标:断后伸长率d d 断面收缩断面收缩 =(L 1-L0)/L0 100%=(A0-A1)/A0 100%和和值愈大愈好。金属材料有一定的塑性是进行塑性值愈大愈好。金属材料有一定的塑性是进行塑性加工的必要条件,也是提高零件工作可靠性的重要前提。加工的必要条件,也是提高零件工作可靠性的重要
8、前提。10%属塑性材料属塑性材料防止过载断裂;塑性变形可以缓防止过载断裂;塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。解应力集中、削减应力峰值。3硬度硬度硬度:表征材料软硬程度的一种性能。硬度:表征材料软硬程度的一种性能。硬度指标:物理意义与试验方法有关硬度指标:物理意义与试验方法有关滑痕法硬度值(莫氏硬度)滑痕法硬度值(莫氏硬度)弹性回跳法硬度值(肖氏硬度)弹性回跳法硬度值(肖氏硬度)压入法硬度值(工业中应用广泛)压入法硬度值(工业中应用广泛)常见的硬度表示方法有:常见的硬度表示方法有:1 1、布氏硬度、布氏硬度 2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 3 3、维氏硬度、维氏硬度(1).(1).布氏硬度(布
9、氏硬度(HB)HB)(物理意义:压痕表面上单位面积所承受的压力)在力在力P P的作用下把直径为的作用下把直径为D D的钢球压入被测材料,布氏硬度值是载荷的钢球压入被测材料,布氏硬度值是载荷P P除以压除以压痕痕(球冠球冠)的面积的面积F F,用,用HBHB表示。即表示。即:B=P/F=2P/D-(D2-d2)1/2 B=P/F=2P/D-(D2-d2)1/2这种方法只适合于测量这种方法只适合于测量HBHBS S 450 10米每秒(飞机起飞和降落,锻压及锻造等)2 2、断裂:、断裂:(1 1)定义:)定义:材料在应力作用下分为两个或两个材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。以上部分的现
10、象。(2 2)分类)分类;根据断裂前产生的宏观变形量的大小,可以把断裂分为:韧性断裂、韧性断裂、脆性断裂脆性断裂变形量变形量 大大 没有没有端口形貌端口形貌 粗糙、灰暗粗糙、灰暗 杯形杯形 光滑、发亮光滑、发亮 平齐平齐 有征兆有征兆 无征兆无征兆韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性韧性断口断口脆性脆性断口断口(3 3)断裂过程)断裂过程 无论是韧性断裂还是脆性断裂,断裂过程都包括两个阶段:一是裂纹形成;二是裂纹扩一是裂纹形成;二是裂纹扩展。展。a.a.裂纹形成阶段:(相同)裂纹形成阶段:(相同)外力作用下形成微裂纹 a0 材料原有的缺陷(微裂纹、孔洞、杂质)裂
11、纹源b.裂纹扩展阶段裂纹扩展阶段:临界裂纹临界裂纹ac 韧性断裂:微裂纹 裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段 a0 a0Tk,TTk,韧性断裂;韧性断裂;TTk TTk时,发生脆性断裂时,发生脆性断裂。把这种现象称为低温脆变。不希望材料(零件)在工作温度下发生脆性断裂,选材时材料的韧脆转变温度Tk必须低于工作时的最低温度 材料韧脆转变温度材料韧脆转变温度TK的确定和应用的确定和应用图2-14 不同材料冲击韧性与温度的关系选材举例:由以构件工作中的最低温度选材举例:由以构件工作中的最低温度-20,-20,现有两种材料:现有两种材料:A:Tk=-50 A:Tk=-50 B:Tk=-10 B:Tk=-1
12、0 选那种材料更安全?选那种材料更安全?44 a ak k没有确切的力学意义,它表明在高应变速率时没有确切的力学意义,它表明在高应变速率时 ,材,材料的脆性发展趋势。料的脆性发展趋势。一次冲击试验能灵敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和一次冲击试验能灵敏地揭示材料的冶金及加工缺陷和产生的脆性。产生的脆性。不同温度下的系列冲击试验,可揭示材料的低温脆化不同温度下的系列冲击试验,可揭示材料的低温脆化倾向(冷脆转变)。倾向(冷脆转变)。材料碳含量愈高脆性愈大。材料碳含量愈高脆性愈大。冲击试验得到广泛应用,但冲击试验得到广泛应用,但A Ak k、a ak k不能直接用于计算。不能直接用于计算。冲击韧度小结:
13、冲击韧度小结:一般机械零件的抗断裂设计方法:一般机械零件的抗断裂设计方法:零件工作应力零件工作应力材料屈服强度材料屈服强度ss要求:(要求:(1 1)=1 k1 (2 2)足够的塑性、冲击韧性足够的塑性、冲击韧性 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂1 1、传统的设计方法:、传统的设计方法:零件工作应力零件工作应力材料屈服强度材料屈服强度ss要求:(1)=1 (2)足够的塑性、冲击韧性足够的塑性、冲击韧性 但发生断裂的应力远远小于材料的屈服强度但发生断裂的应力远远小于材料的屈服强度 因为:在传统的设计思想中认为材料是完整的、连续的;而实际上的材料存在一些微小的裂纹,正是这些裂纹裂
14、纹引起了低应力脆性断裂低应力脆性断裂 三、断裂韧性及衡量指标三、断裂韧性及衡量指标2、断裂韧度、断裂韧度KIC(1)定义:是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。是是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标,评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标,KIC,抵抗裂纹失稳扩展的能力 单位:单位:MPam 1/2 或者或者 MN m-3/2可通过试验测定。对于一定成分和组织状态的材料,对于一定成分和组织状态的材料,K1c 是一个定值,不是一个定值,不随外加拉应力、裂纹长度、试样尺寸的大小而变化。随外加拉应力、裂纹长度、试样尺寸的大小而变化。(2 2)脆性断裂的判据)脆性断裂的判据 1)裂纹
15、尖端应力场强度因子裂纹尖端应力场强度因子K KI I 描述裂纹尖端场强弱的量 KI=Ya1/2 Y:裂纹几何形状因子。:零件的工作应力 a:裂纹的半长度;(裂纹长度的一半)2 2)判据:)判据:K KI IKKIC IC 发生脆断;发生脆断;K KI I=K=KIC IC 临界状态;临界状态;K KI IKKIC IC 安全;安全;KIC:断裂韧度,材料性能指标只与材料有关。断裂韧度,材料性能指标只与材料有关。(可以通过合金化、热处理等改变)(可以通过合金化、热处理等改变)总总 结结材料的断裂分为:韧性断裂和脆性断裂材料的断裂分为:韧性断裂和脆性断裂材料的韧性指标:冲击吸收功、冲击韧度、材材料
16、的韧性指标:冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度,料韧脆转变温度和断裂韧度,前三个用于前三个用于评价材料韧性的好坏评价材料韧性的好坏;断裂韧度可用于材料断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设抵抗低应力脆性断裂的设计计。材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。方法改变。第三节第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂零件在交变载荷下的疲劳断裂问问 题题1什么是疲劳断裂?什么是疲劳断裂?2疲劳断口由哪几个部分组成?疲劳断口由哪几个部分组成?3疲劳抗力指标有哪些?在设计中如何使用这些指标?疲劳抗力指标有哪些?在设计中如何使用这些指标?一、基本概
17、念一、基本概念描述交变载荷特征参数:最大应力最大应力maxmax 最小应力最小应力minmin 应力幅:应力幅:a a=(=(maxmax-minmin)/2)/2 平均应力:平均应力:m m=(=(maxmax+minmin)/2)/2 应力比应力比 r=r=minmin/maxmax不同种类的交变载荷,上述几种参量是不一样的。1、交变载荷:交变载荷:指的是载荷大小、方向随时间发指的是载荷大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。生周期性变化的载荷。交变载荷变化一个周期交变载荷变化一个周期-称为一个循环周次。称为一个循环周次。2、疲劳断裂:、疲劳断裂:零件在交变载荷下经过长时间的工作而发生的断裂
18、的现象称为零件在交变载荷下经过长时间的工作而发生的断裂的现象称为疲劳断裂。疲劳断裂。3、疲劳断裂过程:、疲劳断裂过程:(1)引起疲劳断裂的应力很低,一般低于)引起疲劳断裂的应力很低,一般低于s (2)无明显的塑性变形、无预兆、突然发生;)无明显的塑性变形、无预兆、突然发生;(3)断口上显示疲劳断裂的三个过程断口上显示疲劳断裂的三个过程二、疲劳断口的特征二、疲劳断口的特征:疲劳断口包括三个部分:(一)、疲劳源区(一)、疲劳源区:疲劳裂纹产生的,应力集中或有夹杂物。靠近表面或位于表面。高应力或应力集中大,多个裂纹源;双向弯曲也有两个疲劳源区。(二)、疲劳裂纹扩展区:(二)、疲劳裂纹扩展区:有疲劳裂
19、纹,呈“海滩状”或“贝壳状”花样。应力高,该区域小;反之则大。(三)、最后断裂区:(三)、最后断裂区:呈放射状。该区面积较大,寿命短。靠近试样表面,与疲劳源区相对。疲劳断口示意图示意图疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌一个疲一个疲劳源劳源两个疲两个疲劳源劳源微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹三、疲劳抗力指标及影响因素:三、疲劳抗力指标及影响因素:(一)讨论无裂纹零件的疲劳抗力指标。(一)讨论无裂纹零件的疲劳抗力指标。1、疲劳极限和过载持久值、疲劳极限和过载持久值(1)疲劳曲线疲劳曲线 疲劳曲线是材料承受交变应力疲劳曲线是材料承受交变应力(max与与a)和相应的断裂循环周次之
20、间的关系曲线,)和相应的断裂循环周次之间的关系曲线,又称又称S-N曲线。曲线。疲劳寿命:从加载到最终断裂零件所承受疲劳寿命:从加载到最终断裂零件所承受的交变载荷的次数。的交变载荷的次数。用用Nf表示表示。疲劳极限:疲劳极限:材材料经过无限次料经过无限次应力循环不发应力循环不发生断裂的最大生断裂的最大应力。对应于应力。对应于疲劳曲线上水疲劳曲线上水平部分对应的平部分对应的应力值。应力值。疲劳曲线(2)(2)疲劳极限:疲劳极限:r称为疲劳极限疲劳极限;表示材料经过无限次应力循环不断裂的最大应力。单位:MPa.条件疲劳极限条件疲劳极限:如果疲劳曲线上无水平部分,即都是曲线,就人为的规定一个循环周次循
21、环周次N N0 0,(在该周次下断裂所对)N0对应力的应力成为条件疲劳极限。N0:循环基数循环基数,根据工作条件和使用寿命而定。对同一种材料,N0,条件疲劳极限。图图111 两种类型的疲劳曲线两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料钢铁材料 b)部分有色金属(如铝合金)部分有色金属(如铝合金)条件疲劳极限疲劳极限抗力指标 r 发生疲劳断裂 r 临界值火车轴:N0=5*107 汽车发动机轴:N0=12*107汽轮机叶片:N0 =25*1010 用旋转弯曲疲劳旋转弯曲疲劳试验方法测定,r=-1 疲劳极限用-1 表示(3 3)过载持久值:)过载持久值:材料在高于疲劳极限的应力作材料在高于疲劳极限的应力作用下发
22、生疲劳断裂的循环周次。用下发生疲劳断裂的循环周次。即疲劳曲线的斜线部分,而且疲劳曲线上倾斜部分愈陡,过载即疲劳曲线的斜线部分,而且疲劳曲线上倾斜部分愈陡,过载持久值越高。持久值越高。显然,在相同的应力下,显然,在相同的应力下,材料的过载持久值高。材料的过载持久值高。有些零件如飞机的起飞架,其使用次数不是无限有些零件如飞机的起飞架,其使用次数不是无限次,而是有限的次数,设计时没有必要用次,而是有限的次数,设计时没有必要用“疲劳疲劳极限极限”指标,采用指标,采用“过载持久值过载持久值”指标。指标。高周疲劳:高周疲劳:Nf105低周疲劳低周疲劳:Nf105(4)、疲劳缺口敏感度:)、疲劳缺口敏感度:
23、零件有台阶、圆角、键槽,产生应力集中,影响材料的疲劳度极限,通常用疲劳缺口敏感度q 来表示。0 q q q 铸铁铸铁 说明钢的疲劳极限对缺口的敏感度大于铸铁的说明钢的疲劳极限对缺口的敏感度大于铸铁的(2 2)疲劳极限与抗拉强度的关系:)疲劳极限与抗拉强度的关系:对中低强度钢、铸铁等材料对中低强度钢、铸铁等材料-1-1与与b b之间保持一之间保持一定的线性关系。定的线性关系。中低强度钢中低强度钢 :-1-1=0.5=0.5b b 灰铸铁:灰铸铁:-1-1=0.42=0.42b b高强度钢:高强度钢:无上述线性关系无上述线性关系 (原因是高强(原因是高强度钢中的残余应力促进裂纹萌生,降低了他的疲劳
24、极度钢中的残余应力促进裂纹萌生,降低了他的疲劳极限,破坏了限,破坏了-1-1与与b b之间的关系)之间的关系)。(3)、对过载持久值的影响 (指的是材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂所经历的疲劳周次)。过载持久值取决于材料的强度、塑性、韧性。高周疲劳:强度,Nf 低周疲劳:塑性、韧性,Nf 3、零件表面状态:、零件表面状态:无裂纹构件(零件):表面光洁度无裂纹构件(零件):表面光洁度,疲,疲劳极限劳极限,强度越高,表面状态对,强度越高,表面状态对-1 的影响的影响越大,表面强化处理(越大,表面强化处理(滚压,渗碳等)滚压,渗碳等)4、工作温度、工作温度 T ,s -1,da/dN T
25、,s -1 q;总总 结结1疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式,它是一疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式,它是一种脆性断裂,危害很大种脆性断裂,危害很大。2无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。工作应力工作应力sss疲劳极限,构件在一定的周次下断裂,疲劳极限,构件在一定的周次下断裂,该周次称为过载持久值。该周次称为过载持久值。工作应力越大,工作应力越大,过载持过载持久值越低。久值越低。3 3疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最
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