机械零件的失效分析

扭转载荷： α=0.8
α（ =τmax/σmax）：应力状态软性系数
α ＞1：软性应力状态
α =1：较软性应力状态 α＜1：硬性应力状态 应力状态图：能判断加载方式对断裂性质的影响
在α ＜0.5的三向不等拉伸状态下： 正断式脆断 在α =0.5的单向拉伸状态下： 正断式韧断 在α =0.8的扭转载荷作用下： 切断式韧断
材料在弹性变形范围内，应力和应变遵守虎克定律
单向拉伸时的弹性模量：
s P A E
EA＝P/ε
EA：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小 刚度：零件抵抗弹性变形的能力
材料抵抗过量弹性变形的指标：弹性模量
材料的弹性极限越高，弹性模量越低，弹性就越 好，在变形过程中吸收的弹性能就越多
金属材料的弹性模量是本身固有的性质
硬铝合金后，人类才能进行真正的航空事业 镍基高温合金的出现，使飞机制造业从此 迈进了能够制造特大型飞机的时代
半导体的出现，使人类文明迈上了新的台阶 单晶硅 → 大规模集成电路 → 信息时代
一根细丝能同时传输2000路通话
信号传输速度比铜缆快72000倍 光导纤维被誉为是百年不遇的重大发明
20世纪最后一次技术革命导致了超导技术的出现
为防止构件发生过量弹性变 形，设计时需使用刚度。如 镗床的镗杆等
力学 性能 指标 的应 用
弹性极限是弹性零件考虑的 性能指标。如汽车板簧等 屈服强度和塑性指标可用于 结构零件的抗断裂设计 硬度指标是耐磨零件考虑的 性能指标。如滚珠轴承等
第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
一、韧断和脆断的基本概念
低碳钢的断裂过程：包括弹性变形、塑 性变形和最后的断裂三个阶段
弹性极限（ se ）： 衡量材料最大弹性 变形的抗力指标 se＝Pe / Fo 比例极限（sp）： 保证材料的弹性变 形能按正比关系变 化的最大抗力指标
sp＝PP / Fo
低碳钢拉伸时的应力应变曲线
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标 为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
失效的表现：
① 完全丧失功能
② 功能衰退
③ 失去可靠性与安全性 过量变形
过量弹性变形、过量塑 性变形 一次加载断裂、循环加 载断裂等 粘着磨损、磨粒磨损等 化学腐蚀、电化学腐蚀
失 效 类 型
断 裂 磨 损 腐 蚀
2. 失效分析的任务
产品生产过程：
产品设计 材料选择 冷热加工 合格产品
可靠性和耐久性试验
表面，以压入深度的大小来度量材料硬度 布氏硬度（HB）：用钢球压入材料表面，以单位压 痕面积承受的载荷大小来度量材料硬度
硬度: 表征材料软硬 程度的性能指标
纯金属、陶瓷、橡胶 等材料的应力应变行 为与低碳钢不同
条件ss对应的塑性变形量为0.01～0.5%
二、过量变形失效 1.过量弹性变形失效及抗力指标
4. 材料科学与工程的基本要素
材料科学是一门着重于材料本质的发现、 分析和研究的科学 作用：解释材料内部结构与使用性能的关系 材料工程属于技术范畴 作用：确定合理的生产工艺来控制材料的内 部结构，优化材料的性能
基本要素：材料的成分、结构、制造工艺 和使用性能
5. 学习目的
① 了解材料成分、结构、制备工艺与性能的关系 ② 熟悉各种工程材料的特性 ③ 能够做到正确选材和用材
缺口试样的力线分布
缺口试样的应力集中现象
小结：
韧性断裂：经过大量塑性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑性变形发生的断裂 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力 加载方式不同，脆断倾向不同 材料不同，脆断倾向不同 工作温度越高，脆断倾向越小 加载速度越高，脆断倾向越大 应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸越大，脆断倾向越大
工程材料基础
主讲：于光
绪论
1．材料是社会进步的先导
材料对人类社会发展起着巨大的推动作用 石器时代 铜器时代 钢铁时代 陶器时代 铁器时代 新材料时代
2．材料与技术进步
能源、信息和材料是现代技术的三大支柱 很多技术都是通过老材料的改进或新材料 的开发而获得突破性进展的
1911年，德国开发出了强度与软钢相近的
工程材料的性能 使用性能
材料的力学性能、 物理和化学性能及 生物功能
工艺性能
材料的切削加工、 铸造、压力加工、 焊接和热处理性能
第一章 机械零件的失效分析
一、失效的定义和失效分析的任务 1. 失效的定义 机械产品的主要质量标志: 功能、寿命、重量/容量比、经济型、 安全性和外观
失效; 指零件失去了设计所要求的功能
以屈服强度为设计依据
未考虑零件中可能存在有原始缺陷
断裂力学特点：
把零件看作是裂纹体
认为零件中存在的宏观裂纹和冶金缺陷是造成其 发生低应力脆断的根本原因
2. K1c判据
K1 = Ysa1/2
单位： MPa·m1/2
K1C：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标
K1＝K1C 是零件发生低应力脆断的临界条件 当 K1 ≥ K1C 时，零件会发生低应力脆断 当 K1 ＜ K1C 时，零件处于安全状态 K1C对材料的成分和内部组织很敏感，可通过合金 化和热处理加以改变
三、冲击韧性
冲击载荷：在极短时间内具有很大变化幅度的载荷
高加载速率 塑性变形来不及进行 脆断倾向增大 冲击韧性Ak（J）：冲断V型缺口试样所消耗的功
冲击韧度ak（J/cm²）：U型缺口试样单位面积所
吸收的功
ak＝Ak /Fk
Ak和ak：材料在冲击载荷作用下吸怍塑性 变形功和断裂功的能力
高塑性材料：选用V型缺口试样 低塑性材料：选用U型缺口试样
形的极限抗力
强度：材料抵抗变形或断裂的能力
伸长率：指试样断裂后的残留变形Δ L 与试样原始长度Lo的百分比
δ = Lk － Lo / Lo ×100%
断面收缩率：指试样断裂后的截面收缩 量Δ F与试样原始截面积Fo的百分比 Ψ = Fo － Fk / Fo ×100%
洛氏硬度（HRC）：用钢球或金刚石锥压入材料
④ 裂纹向外扩展导致试样断裂
韧断：材料断裂前能发生大量塑性变形
脆断：材料断裂前没有明显塑性变形 韧性：材料在断裂过程中吸收能量的能力
材料在断裂过程中吸收的能量越多，材料 的韧性越好，脆断倾向越小 二、影响脆断的因素 1.加载方式和材料本质的影响
工件上任一点处的应力，都能分解成与受力面 平行的切应力和与受力面垂直的正应力两部分 切应力能导致塑性变形和断裂 正应力只能导致工件断裂 加载方式不同，最大切应力和最 大正应力的比值α不同 单向拉伸： α = 0.5
3. 失效分析的积极作用
① 能促进老材料的改进和新材料的开发
② 能促进产品结构的改进
③ 能促进生产工艺的改进
④ 有利于责任事故的仲裁
三、失效分析与防止的基本思路 1. 对不同服役条件下的零件做具体分析， 从中找出主要的失效方式和主要的失效 抗力指标
2. 运用金属学和材料强度学等知识，分 析主要失效抗力指标与材料成分和组 织结构的关系
3. 根据不同服役条件下，材料的强度、 塑性及韧性应具有不同配合的规律， 分析失效零件现行的选材和用材技术 条件所存在的问题，提出改进措施
第一节 零件在常温静载下的过量变形
一、工程材料在静拉伸时的应力应变行为
弹性：材料能够发生弹性变形的能力
塑性：材料在断裂前能够发生塑性变形 的能力 塑性变形：弹塑性变形
几种常见的交变应力
很多机件都会受到交变载荷的作用
疲劳断裂是机械零件的主要断裂方式
最近发生的疲劳断裂事故是美国的一架F15 战斗机在空中解体 事故原因：在飞机大梁的冶金缺陷处萌生了疲 劳裂纹 美军宣布：
低碳钢在静拉伸时，断裂过程包括了弹性变形、 弹塑性变形和断裂三个阶段 韧性断裂：经过大量塑 性变形后发生的断裂 脆性断裂：几乎不经塑 性变形发生的断裂
微裂纹→扩展至临界裂纹→快速扩展至断裂 裂纹亚稳扩展阶段 扩展速度慢 裂纹失稳扩展阶段 扩展速度快
韧性断裂经过以下阶段：
① 发生塑性变形产生缩颈 ② 在缩颈中心产生显微空洞 ③ 空洞聚合形成中心裂纹
2.过量塑性变形失效及抗力指标
产生过量塑性变形的原因： 偶然过载或零件自身抵抗塑性 变形的能力不足 炮筒： s ＜ sp/n n ＞1 紧固螺栓：s ＜ ss/n弹n ＞1 ＝ se
进一步提高材料强度，提高零件自身抵抗塑性 变形的能力
要求：
① 掌握加工硬化的定义和技术意义
② 掌握静拉伸指标的物理意义及用途
材料强度越高，K1C 越低 材料塑性越好，K1C 越高
由K1 = Ysa1/2 知 ：
已知零件的工作应力和零件中的最大裂纹长度
使 K1 ＜ K1C ，能保证零件安全
已知零件中的最大裂纹长度和材料的 K1C
使 s ＜ sc ， 能保证零件安全
已知零件的工作应力和材料的 K1C
使 a ＜ac ， 能保证零件安全
第三节
零件在交变载荷下的疲劳断裂
在欧州第一次工业革命期间，火车轴常在低于材 料屈服强度的应力作用下发生断裂
原因：由疲劳所引起
火车轴承受的交变载荷虽然低于材料的屈服强度， 但作用时间长了，火车轴就会产生疲劳而断裂
疲劳断裂：在交变载荷长期作用下发生的断裂
交变载荷：载荷大小或载荷大小与方向都随时 间发生周期性变化的载荷
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象 加工硬化的技术意义：
1.能提高机件的安全性 2.能获得截面均匀一致的产品
3. 是金属材料的一种有效强化方法
对热处理不能强化的金属，加工硬化是有效 的强化手段
当应力达到sb ，加工硬化导致的强度升高不 能补偿试样截面积减小所引起的承载能力降低 时，试样便会出现缩颈 抗拉强度（ sb＝Pb / Fo ）：材料对最大均 匀塑性变形的抗力指标 断裂强度( sk＝Pk / Fo ）：材料对塑性变
K1C的应用对象：飞机、火箭的重要零件，发电 机转子、汽轮机转子等大型构件
小结：
冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力 冲击试验的应用： ① 能显示材料的各种脆性 ② 能用来控制冶炼和热加工的工艺质量 Tk ：冲击韧性发生急剧变化所对应的温度 断裂韧性：能反映材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 K1＝K1C 是零件发生低应力脆断的临界条件
利用车中超导磁体与地面线圈之间的电磁 排斥力能制造出时速高达500Km的磁悬浮 列车
3. 工程材料及分类
按照材料的性能特点和用途分类：
以力学性能为主要使 用性能 以物理、化学和生物 功能为主要使用性能
工 程 材 料
结构材料 功能材料
按照材料属性分类，工程材料分为：
金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料
提高强度和塑性的因素都能提高材料的冲击韧性
冲击试验的应用： 1. 能显示材料的各种脆性 低温脆性 ：冲击韧性随温度降低而显著降低的现象 Tk ：冲击韧性发生急剧变化时所对应的温度
材料的Ak越高，Tk越低，脆断倾向越小
2. 能控制冶炼和热加工的工艺质量
冲击韧性是材料的重要力学性能指标，是选 材和用材的重要参考依据
零部件检验
失效分析的任务：
对零件失效原因进行分析和判断，为积极 预防失效找到有效途径
二、失效分析的重要性和作用 1. 失效的危害性
美国1983年统计：零件失效造成的经济损失每 年可达3400亿美元 德国：零件失效造成的损失每年可达700亿马克
2. 技术革命与失效研究 重大技术革命都与失效分析有关
四、断裂韧性
传统强度设计方法：
s≤[ s]＝ sS /n
n＞1
某些用高强度钢制作的零件以及用中、低强度钢 制造的大型构件，常会发生低应力脆断 美国北极星导弹爆炸、法国和英国核电站的压力 容器与大型锅炉开裂 ，都是由于机件发生了低应 力脆断所致 断裂力学为解决低应力脆断提供了有效判据
1. 断裂力学与传统强度设计的区别 传统强度设计：
材料的Tk越低 , 越不容 易发生脆性断裂 工作温度越高，材料脆断 倾向越小 加载速度越高，材料脆断 倾向越大 材料屈服强度随温度变化图
3.应力集中和零件尺寸的影响
应力集中：截面发生突变，局部地方出现应力 最大值的现象
应力集中对断裂性质的影响： 使缺口截面处的材料处于三向不等拉伸应力状 态，导致材料脆断倾向增大 缺口越尖锐，应力集中越严重，脆断倾向越大 零件尺寸大，塑性变形难，脆断倾向越大
应力状态不同，断裂类型不同。α越小，应力状态 越硬，材料脆断倾向越大
材料不同，应力状态图不同，断裂方式不同
材料对断裂性质的影响：
材料的ts越低，sk越高，越容易发生塑性 变形，越不容易发生脆断 α越小，材料脆断倾向越大 材料塑性越好，脆断倾向越小
2.温度和加载速度的影响
Tk：材百度文库的韧脆转变温度