机械零件的失效分析
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使用性能
制备/加工
成分/组织
固有性能
成分/组织
材料结构所包括的四个层次： 原子结构、结合键、原子排列 方式和组织
制备/加工
制备、加工方法及其对性能的影 响
固有性能 材料本身所具有的物理、化学 及力学性能
使用性能 将材料的固有性能和产品设计、 工程应用能力等联系起来。如 寿命、速度、能量利用率、安 全可靠性
陶瓷
传统陶瓷 结构陶瓷
高分子材料 Polymeric Materials 又称聚合物，按照用途可分为：
塑料 Plastic Materials 合成纤维 Synthetic fibres 橡胶 Rubbers
复合材料 Composite Materials
金属、聚合物、陶瓷优 点缺点都非常明显，如果把 两种材料结合在一起，发挥 各自的长处， 又可以在一定 程度下克服了它们的弱点， 就产生了复合材料。
第一节 零件在常温静载下的过量变形 变形
材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。
变形
弹性变形 外力去除后可恢复 塑性变形 外力去除后不可恢复
常温静载试验方法
• 静拉伸 • 压缩 • 弯曲 • 扭转 • 硬度
一、工程材料静拉伸时的应力-应 变行为
σ < σe: 弹性变形
σ < σp: σ = Eε σ ＝ σs: 屈服塑性变形 σb> σ > σs: 均匀塑性变形 σ达到σb: 集中塑性变形，
机械工程材料
绪论
• 材料科学的重要地位 • 什么是材料科学 • 工程材料简介
0.1 材料科学的重要地位
• 材料是人类社会生活中广泛使 用的物质，是社会发展和进步 的重要标志；
• 人类使用材料的七个时代；
人类使用材料的七个时代
起始时间
100,000 BC 3,000 BC 1,000 BC 0 AD 1800 AD 1950 AD 1990 AD
功能材料 Functional Materials
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料 其它功能材料简介
材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部 结构来决定的，从材料的内部结构 来料加工看，可分为四个层次：
原子结构——结合键——
原子排列方式——显微组织
四层次的关系
C. 了解结构、工艺、外界条件（温度、环境
介质）对材料性能的影响，正确制定零件 的冷、热加工工艺路线。
基本内容
A. 金属学、热处理原理，基础与
工艺；
B. 材料（钢铁材料，有色金属及
其合金，高分子材料，陶瓷材 料，复合材料）；
C. 重点 成分—组织—性能。
教材
实验
• 实验一 金相样品的制备及金相 显微镜的使用 2 学时
•原子结构是基础； •结合键不同性能也不同； •原子排列方式（晶体和非晶体）
的差别，可以改变材料的整个性 能；
•显微组织是研究材料性能的基础。
本课程的要求和基本内容
要求
A. 获得常用材料的基础理论知识，了解各种
机械工程材料的基本特性和应用范围；
B. 在了解材料成分、组织、性能关系的基础
上，可根据零件的工作条件和失效形式， 正确设计和合理选材；
时代名称
石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代
• 现代技术的三大支柱：能源、
信息、材料；
• 材料的品种、数量和质量已成
为衡量一个国家科技和国民经 济水平及国防力量的重要标志。
02 什么是材料科学
材料科学是研究材 料的结构、制备加工工艺 与性能之间关系的科学。
材料科学与工程的四要素
产生颈缩
变形量达k 点后，发生 断裂
应力 σ
σb
σe σs
k
σp
应变 ε 低碳钢拉伸应力-应变曲线
屈服 塑性 变形
应 力 σ
弹 性 变 形
均匀 塑性变形
不均匀集中 塑性变形
断裂
应变ε
• σe ：弹性极限 • σp：比例极限 • σs：屈服极限，屈服强度 • σb：强度极限，抗拉强度
以上力学性能指标均对成分、组织 敏感
• 实验二 钢铁材料显微组织的观 察与分析 2 学时
• 实验三 综合实验 4 学时
主要参考书
• 材料科学基础 • 工程材料学 • 工程材料性能 • 机械工程材料与设计选材 • 金属学及热处理 • 材料工程基础 • 物理冶金学原理
• The science and design of engineering
脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火
高碳钢及高碳合金钢）
只有弹性变形阶段
应力 σ
高弹材料 (橡胶)
只有非线性弹性变形一
个阶段，且弹性变形能 力强，弹性变形率可达
应变 ε
100～1000％。
低碳钢，正火、退火、调质态的 中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合 金及某些高分子材料都具有上图所示 的应力-应变行为。即在拉伸应力的作 用下的变形过程分为四个阶段：弹性 变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、 不均匀集中塑性变形。
大多数纯金属(Al, Cu, Au, Ag) 变形分为三个阶段，无 屈服塑性变形阶段
03 工程材料简介
分类
金属材料 非金属材料
金属材料 Metallic Materials
金属材料
钢铁材料
Ferrous metals
有色金属材料
Non-Non-metallic Materials
分类
陶瓷材料 高分子材料 复合材料
功能材料
陶瓷材料 Ceramic Materials
机械工程材料
机械工程材料主要 指用于机械工程、电器工 程、建筑工程、化工工程、 航空航天工程等领域的材 料。
机械工程材料的常用性能
材料使用性能
两 方 面
材料工艺性能
力学性能（强度、塑性韧性等） 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等） 生物性能（相容性、自恢复性等）
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
materials
第一章 机械零件的失效分析
零件（构件）的功能 在一定的压力、温度、介质下，
• 保持规定的形状和尺寸； • 实现规定的机械运动； • 传递力和能。
零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。
常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀
本章的内容
• 常温静载下的过量变形失效 • 静载和冲击载荷下的断裂失效 • 交变载荷下的疲劳断裂失效 • 磨损失效 • 高温下的蠕变变形和断裂失效
制备/加工
成分/组织
固有性能
成分/组织
材料结构所包括的四个层次： 原子结构、结合键、原子排列 方式和组织
制备/加工
制备、加工方法及其对性能的影 响
固有性能 材料本身所具有的物理、化学 及力学性能
使用性能 将材料的固有性能和产品设计、 工程应用能力等联系起来。如 寿命、速度、能量利用率、安 全可靠性
陶瓷
传统陶瓷 结构陶瓷
高分子材料 Polymeric Materials 又称聚合物，按照用途可分为：
塑料 Plastic Materials 合成纤维 Synthetic fibres 橡胶 Rubbers
复合材料 Composite Materials
金属、聚合物、陶瓷优 点缺点都非常明显，如果把 两种材料结合在一起，发挥 各自的长处， 又可以在一定 程度下克服了它们的弱点， 就产生了复合材料。
第一节 零件在常温静载下的过量变形 变形
材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。
变形
弹性变形 外力去除后可恢复 塑性变形 外力去除后不可恢复
常温静载试验方法
• 静拉伸 • 压缩 • 弯曲 • 扭转 • 硬度
一、工程材料静拉伸时的应力-应 变行为
σ < σe: 弹性变形
σ < σp: σ = Eε σ ＝ σs: 屈服塑性变形 σb> σ > σs: 均匀塑性变形 σ达到σb: 集中塑性变形，
机械工程材料
绪论
• 材料科学的重要地位 • 什么是材料科学 • 工程材料简介
0.1 材料科学的重要地位
• 材料是人类社会生活中广泛使 用的物质，是社会发展和进步 的重要标志；
• 人类使用材料的七个时代；
人类使用材料的七个时代
起始时间
100,000 BC 3,000 BC 1,000 BC 0 AD 1800 AD 1950 AD 1990 AD
功能材料 Functional Materials
电功能材料 磁功能材料 热功能材料 光功能材料 其它功能材料简介
材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部 结构来决定的，从材料的内部结构 来料加工看，可分为四个层次：
原子结构——结合键——
原子排列方式——显微组织
四层次的关系
C. 了解结构、工艺、外界条件（温度、环境
介质）对材料性能的影响，正确制定零件 的冷、热加工工艺路线。
基本内容
A. 金属学、热处理原理，基础与
工艺；
B. 材料（钢铁材料，有色金属及
其合金，高分子材料，陶瓷材 料，复合材料）；
C. 重点 成分—组织—性能。
教材
实验
• 实验一 金相样品的制备及金相 显微镜的使用 2 学时
•原子结构是基础； •结合键不同性能也不同； •原子排列方式（晶体和非晶体）
的差别，可以改变材料的整个性 能；
•显微组织是研究材料性能的基础。
本课程的要求和基本内容
要求
A. 获得常用材料的基础理论知识，了解各种
机械工程材料的基本特性和应用范围；
B. 在了解材料成分、组织、性能关系的基础
上，可根据零件的工作条件和失效形式， 正确设计和合理选材；
时代名称
石器时代 青铜器时代 铁器时代 水泥时代 钢时代 硅时代 新材料时代
• 现代技术的三大支柱：能源、
信息、材料；
• 材料的品种、数量和质量已成
为衡量一个国家科技和国民经 济水平及国防力量的重要标志。
02 什么是材料科学
材料科学是研究材 料的结构、制备加工工艺 与性能之间关系的科学。
材料科学与工程的四要素
产生颈缩
变形量达k 点后，发生 断裂
应力 σ
σb
σe σs
k
σp
应变 ε 低碳钢拉伸应力-应变曲线
屈服 塑性 变形
应 力 σ
弹 性 变 形
均匀 塑性变形
不均匀集中 塑性变形
断裂
应变ε
• σe ：弹性极限 • σp：比例极限 • σs：屈服极限，屈服强度 • σb：强度极限，抗拉强度
以上力学性能指标均对成分、组织 敏感
• 实验二 钢铁材料显微组织的观 察与分析 2 学时
• 实验三 综合实验 4 学时
主要参考书
• 材料科学基础 • 工程材料学 • 工程材料性能 • 机械工程材料与设计选材 • 金属学及热处理 • 材料工程基础 • 物理冶金学原理
• The science and design of engineering
脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火
高碳钢及高碳合金钢）
只有弹性变形阶段
应力 σ
高弹材料 (橡胶)
只有非线性弹性变形一
个阶段，且弹性变形能 力强，弹性变形率可达
应变 ε
100～1000％。
低碳钢，正火、退火、调质态的 中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合 金及某些高分子材料都具有上图所示 的应力-应变行为。即在拉伸应力的作 用下的变形过程分为四个阶段：弹性 变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、 不均匀集中塑性变形。
大多数纯金属(Al, Cu, Au, Ag) 变形分为三个阶段，无 屈服塑性变形阶段
03 工程材料简介
分类
金属材料 非金属材料
金属材料 Metallic Materials
金属材料
钢铁材料
Ferrous metals
有色金属材料
Non-Non-metallic Materials
分类
陶瓷材料 高分子材料 复合材料
功能材料
陶瓷材料 Ceramic Materials
机械工程材料
机械工程材料主要 指用于机械工程、电器工 程、建筑工程、化工工程、 航空航天工程等领域的材 料。
机械工程材料的常用性能
材料使用性能
两 方 面
材料工艺性能
力学性能（强度、塑性韧性等） 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等） 生物性能（相容性、自恢复性等）
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
materials
第一章 机械零件的失效分析
零件（构件）的功能 在一定的压力、温度、介质下，
• 保持规定的形状和尺寸； • 实现规定的机械运动； • 传递力和能。
零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。
常见的失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀
本章的内容
• 常温静载下的过量变形失效 • 静载和冲击载荷下的断裂失效 • 交变载荷下的疲劳断裂失效 • 磨损失效 • 高温下的蠕变变形和断裂失效