机械零件的失效形式

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一、基本概念
• 静载荷和冲击载荷 • 断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以
上部分的现象。
• 断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂 • 断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展 • 韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中
吸收能量的能力。
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韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌
韧性 断口
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本节中 所讲的 材料的 力学性 能指标 及应用
刚度：在设计中，考虑构件在 受力时发生的弹性变形量，需 要用刚度。主要力学性能是材 料的弹性模量。如镗床的镗杆、 齿轮轴等
弹性指标：弹性极限和弹性 模量是设计弹性零件考虑的 性能指标。如汽车板簧和各 类弹簧等
强度和塑性指标：屈服强度 和塑性用于一般零件的抗断 裂设计。
硬度：在耐磨零件中必须考虑的
性能指标。如滚珠轴承、活塞环
等. 编辑ppt
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第二节 零件在静载和冲击载荷下的断裂
问题
1 断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？ 2 断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断
裂过程的区别在哪里？ 3 什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标
有哪些？ 4 材料韧性指标的含义及应用？
一个疲 劳源
疲 劳 源 区
疲劳 条纹
疲 劳 裂 纹 扩 展 区
两个疲 劳源
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用这些指标？
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一、基本概念
1 交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期 变化的载荷。
2 疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工 作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。
3 疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、 最后断裂。
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二、疲劳断口的特点
疲劳断口
示意图
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疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌
试样的静拉伸过程
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弹性变形
弹性变形、 塑性变形
非线性弹 性变形
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（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力
比例极限sp 弹性极限se 屈服强度ss 抗拉强度sb 断裂强度sk
强度指标单位：MPa
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（2）弹性和塑性指标
弹性：材料发生弹性变形的大小。 塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性 断口
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二、冲击韧性及衡量指标
1 冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综 合表现。
2 衡量指标：冲击吸收功Ak
3
冲击韧度ak(ak＝ Ak/Fk )
3 应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结
合用于一般零件抗断裂设计。
4 低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)
• 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、材料 韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料 韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆 性断裂的设计。
• 材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方 法改变。
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第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂
问题 1 什么是疲劳断裂？ 2 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
第一章 机械零件的失效分析
本章主要内容
零件的过量变形以及性能指标 零件的断裂及性能指标 零件在交变载荷下的疲劳断裂及性能指标 零件的磨损失效以及防止 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效
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关于失效的基本概念
1 零件（构件）的功能 （1）在一定的压力、温度、介质下，保持规 定的形状和尺寸； （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能。
维氏硬度(HV)（锥面角为136 °的金刚石四棱锥体为压 头
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二、过量变形失效
1 过量弹性变形及抗力指标
2 （1）零构件发生过量弹性变形失效： 3 Dl[Dl] (拉压或者弯曲条件下） 4 或者 q [q] （扭转条件下） 5 （2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够 6 （3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
2 失效的定义和形式
3 定义: 零件失去设计所要求的效能（功 能）称为失效。
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5 常见的失效形式：过量变形、断裂、
磨损、腐蚀
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第一节 零件在常温静载下的过量变形
问题
• 材料的静载性能指标有哪些? • 什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性
变形的原因是什么?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?抗力指 标有哪些?
• 弹性指标：弹性能（弹性比功）m 塑性指标：断后伸长率d
断面收缩
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3 硬度
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
• 滑痕法硬度值（莫氏硬度）
• 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）
布氏硬度（HBS)淬火钢球
洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体）
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2 过量塑性变形及抗力指标
3 （1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量 4 （2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑
性变形的能力不够 5 （3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服
极限
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总结
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足 抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
强 调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、 冷变形等方法改变。
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一、材料的静载性能指标
• 刚度和强度指标 • 弹性和塑性指标 • 硬度指标 • 韧性指标（放在断裂中讲）
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1、刚度
• 刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。 等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。
• 刚度越大，零构件发生的弹性变形越小。 （在同样的载荷下）
2、强度、弹性塑性指标
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KI >KIC 构件发生脆性断裂
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KI ＝KIC 构件发生低应力脆性断裂的临界条件
6 3 应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹
和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转
子、大型发电机转子等。
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四、影响脆性断裂的因素
• 温度和加载速度 • 应力集中 • 零件尺寸
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总结
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材料韧脆转变温度TK的确定和应用
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三、断裂韧性及衡量指标
1 断裂韧度KIC: 是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能 指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。
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单位：MPa·m 1/2 或者 MN ·m-3/2
2 应用（判断构件是否安全，合理选材）
3 KI < KIC 构件安全