第1章失效及性能

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1、第一章第一章 机械零件机械零件( (金属材料）的金属材料）的性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

2、现规定的机械运动；）实现规定的机械运动； （3 3）传递力和能。）传递力和能。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?发生过量弹性发生过量弹性变形的原因是什么变形的原因是什么?设计时应选择什么性设计时应选择什么性能指标能指标?发生过量塑性变形的原因是什么发生过

3、量塑性变形的原因是什么?抗力指抗力指标有哪些标有哪些?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称为应力（材料单位面积上的内力称为应力（PaPa），以），以表示。表示。二、材料的静载性能指标二、材料的静

4、载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零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。能力。等于材料弹性模量与零构件截面等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。积的乘积。E =/ E =(P/A ) / EA =P / （1）强度：）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力材料抵抗变形或者断裂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*材料与成形技术 1.1 概述10 比例

5、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。 *12 屈服强度（屈服极限）屈服强度（屈服极限） a)如屈服时-有齿状曲折线段，则下屈服点对应的应力确定为屈服强度

6、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 抗拉强度（抗拉极限）抗拉强度（抗拉极限

7、）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加值愈大愈好。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。工的必要条件，也是提高零件工作可靠性的重要前提。 10

8、% 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。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（布氏

9、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

10、用下分为两个或两个以上部分的现象。以上部分的现象。（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

11、用下形成微裂纹 a0 材料原有的缺陷（微裂纹、孔洞、杂质） 裂纹源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