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
26、后断裂区。所以，根据断口就可判断是展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。否发生疲劳断裂。第四节第四节 零件的磨损失效零件的磨损失效 本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。及防止措施。一一、磨损的基本概念磨损的基本概念1 1、产生磨损的条件（、产生磨损的条件（1 1）零件表面接触）零件表面接触 （2 2）发生相对运动）发生相对运动2 2、磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺、磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。二、磨损的过程
27、和机理二、磨损的过程和机理1粘着磨损粘着磨损（1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦付的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑付的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。（2）过程）过程滑动滑动（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）防止措施）防止措施合理选材，摩擦副配对材料选用硬度差较大的异类合理选材，摩擦副配对材料选用硬度差较大的异类材料材料；提高表面硬度；提高表面
28、硬度；合理设计减小接触压应力；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划金属表面被划伤或者金属屑伤或者金属屑粒脱落粒脱落2磨粒磨损磨粒磨损（1）定义：）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。表面逐渐损耗的一种磨损。（2）过程）过程金 属 表 面金 属 表 面发 生 局 部发 生 局 部塑性变形塑性变形磨粒嵌入金属磨粒嵌入
29、金属表面，切割金表面，切割金属表面属表面表 面 被 划表 面 被 划伤伤（4 4）防止措施）防止措施 提高表面硬度（从选材方面）；提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。减少磨粒数量（从工作状况方面）。（3 3）特点：滑动条件）特点：滑动条件 普遍存在大气、润滑油中都有大的颗粒普遍存在大气、润滑油中都有大的颗粒存在存在 磨损速度达磨损速度达 0.5-5m/h 0.5-5m/h3 接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）（1）定义：）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起擦时，在交变接触压应
30、力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。的表面疲劳剥落破坏的现象。（2 2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。展过程。（3）主要防止措施）主要防止措施 提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。心部和表面强度；减小表面粗糙度。总 结磨损是机械零件常见的一种失效形式，总是从零件表面开始发生。各种磨损的过程和机理不同，因此其主要的预防措施也不同。提高零件表面硬度，合理设计减小压应力，以及提高表面光洁度等对降低磨损都有利。第五节第五节 零件的腐蚀失效零件的腐蚀失效问问 题题1 什么是腐蚀
31、？可分为几类？什么是腐蚀？可分为几类？2 2高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有高温氧化腐蚀常发生在那些零件中？耐热钢为什么具有抗高温氧化能力？抗高温氧化能力？3 3发生电化学腐蚀的条件是什么？发生电化学腐蚀的条件是什么？4 4改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么改善零件腐蚀抗力的主要措施是什么？一、腐蚀的定义和分类一、腐蚀的定义和分类1腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。起的表面损伤现象。2分类：分类：化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀二、腐蚀过程及防止二、腐蚀过程及防止1 化学腐蚀过程化学腐
32、蚀过程（以高温氧化腐蚀为主（以高温氧化腐蚀为主）高温氧化过程：高温氧化过程：（1）金属失去电子成为金属离子）金属失去电子成为金属离子（2）氧原子吸收电子成为氧离子）氧原子吸收电子成为氧离子（3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物）金属离子和氧离子结合为金属氧化物基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。否致密。提高钢抗氧化能力：加入提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。进一步氧化。2 2、电化学腐蚀、电化学腐蚀条件：存在电极电位差，并且相互接触
33、并处条件：存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。于相互联通的电介质溶液中形成微电池。电化学腐蚀的过程电化学腐蚀的过程阳极：失去电子，阳极：失去电子，MM n+ne(被腐蚀）被腐蚀）阴极：发生析氢反应或者吸氧反应阴极：发生析氢反应或者吸氧反应三、零件防止腐蚀的措施三、零件防止腐蚀的措施对于化学腐蚀，对于化学腐蚀，常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高常采用以下方式：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。温合金、陶瓷材料等；零件表面涂层。对于电化学腐蚀：对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保
34、护；加缓蚀剂缓蚀剂第六节 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效问 题金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？什么是蠕变？评价金属材料高温力学性能指标有哪些？高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？一、材料在高温下的力学行为一、材料在高温下的力学行为1 1、材料的强度随温度的升高而降抵。材料的强度随温度的升高而降抵。2 2、高温下材料的强度随时间的延长而降抵。高温下材料的强度随时间的延长而降抵。3 3、高温下材料的变形量随时间的延长而增高温下材料的变形量随时间的延长而增加。加。蠕变：蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。生塑性变形的现象称为蠕变。二、
35、评价材料高温力学性能指标二、评价材料高温力学性能指标1 1、蠕变：、蠕变：材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢材料在长时间的恒温、恒应力作用下缓慢的产生塑性变形的现象称为蠕变。的产生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变断裂：零件由于蠕变变形而引起的断裂称蠕变断裂：零件由于蠕变变形而引起的断裂称为蠕变断裂。为蠕变断裂。不同的材料发生蠕变的温度是不同的。不同的材料发生蠕变的温度是不同的。高分子材料及铅等在高分子材料及铅等在 室温室温发生蠕变的温度发生蠕变的温度碳钢碳钢 温度超过温度超过 T 0.30.4 Tm T 0.30.4 Tm；合金钢合金钢 温度超过温度超过 T 0.30.4 Tm T 0.30.4
36、 Tm；陶瓷（高温）陶瓷（高温）1100 11000 0C T 0.4-0.5 Tm C T 0.4-0.5 Tm；2、蠕变曲线、蠕变曲线可分为三个阶段：可分为三个阶段：1）减速蠕变阶段（）减速蠕变阶段（ab）,斜率随时间斜率随时间t的增加而的增加而减少。减少。2）恒速蠕变阶段（）恒速蠕变阶段（bc），斜率不变），斜率不变 （稳态蠕变阶段），通常所指的蠕变速度。（稳态蠕变阶段），通常所指的蠕变速度。3）加速蠕变阶段（）加速蠕变阶段（cd），如便速率随时间的），如便速率随时间的增加而增加，直至断裂。增加而增加，直至断裂。蠕变速率单位：蠕变速率单位：三、抗力指标三、抗力指标1 1、蠕变极限：、蠕变
37、极限：（1 1）定义：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力称为蠕变极限。（相当）定义：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力称为蠕变极限。（相当于材料常温下的屈服强度）于材料常温下的屈服强度）（2 2）表示方法两种）表示方法两种a:a:在规定的温度在规定的温度T T下，使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值。下，使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值。符号：符号：MPa.MPa.含义：在含义：在6006000 0C C下使材料稳态蠕变速率为下使材料稳态蠕变速率为 1 1*1010-5-5%/h%/h的应力为的应力为60MPa60MPa。b:b:给定温度下，在规定时间内使试样产给定温度下，在规定时间内
38、使试样产生一定蠕变总变形量生一定蠕变总变形量的应力值，的应力值，符号：符号：MPa.MPa.含义：在含义：在6006000 0C C下，在下，在10105 5h h后总的蠕变变后总的蠕变变形量为形量为1%1%的蠕变极限为的蠕变极限为100MPa.100MPa.Tt/ds2 持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。的能力。表示方法：表示方法：用给定温度和规定时间内试样发生断用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示，裂时的应力表示，s sT Tt t t-t-时间；时间；T-T-温度温度；三、三、高温下零件的失效和防止高温下零件的失效和防止
39、高温下零件的高温下零件的失效形式失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。磨损、氧化腐蚀等。防止措施防止措施：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料）：正确选材；（选熔点高、组织稳定的材料）表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）1 1、附图所示的为、附图所示的为四种不同材料的应四种不同材料的应力应变曲线（力应变曲线（1 14 4），试比较这），试比较这四种材料的抗拉强四种材料的抗拉强度、屈服强度（或度、屈服强度（或屈服点）、刚度和屈服点）、刚度和塑性。塑性。“材料的弹材料的弹性模量性模量E E愈大，则愈
40、大，则材料的塑性愈差材料的塑性愈差”，这种说法是否正确？这种说法是否正确？为什么？为什么？第七节第七节 工程材料的其它性能工程材料的其它性能 （一）、金属的物理性能（一）、金属的物理性能 1.1.密度密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3 的金属称为轻金属的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。密如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于度大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金属称为重金属的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。轻金属多用于航天航空
41、器上。2.2.熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。险丝和防火安全阀零件等。3.3.导热性导热性 金属的导热性以银为最好金属的导热性以银为最好,铜、
42、铝次之。铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。4.4.导电性导电性 传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量 金属导电性以银为最好，铜、铝次之。金
43、属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属电阻率小的金属(纯铜、纯铝纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元适于做电热元件。件。5.5.热膨胀性热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。由膨胀系数大的材料制造的零件。由膨胀系数大的材料制造的零件,在温度变化时在温度变化时,尺寸和形尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺状变化较大。轴和轴瓦
44、之间要根据其膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少以减少工件的变形和开裂。工件的变形和开裂。6.6.磁性磁性 铁磁性材料铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。顺磁性材料顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。抗磁性材料抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁铁磁性材料可用于制造变压器、
45、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770 770。（二）、金属的化学性能（二）、金属的化学性能 主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗主要指耐腐蚀性和抗氧化性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。
46、定性。1.1.耐腐蚀性耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差破坏作用的能力称耐腐蚀性，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。较好的耐腐蚀性。2.2.抗氧化性抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入入CrCr、SiSi等元素等元素,可提高钢的抗氧化性。如可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si24Cr9Si2可制造可制
47、造内燃机排气阀及加热炉炉底板内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。料盘等。（三）金属的工艺性能（三）金属的工艺性能:焊接性焊接性可锻性可锻性铸造性铸造性热处理性热处理性 金属材料在工艺过程中所具有和表现出金属材料在工艺过程中所具有和表现出来的性能。来的性能。主要包括主要包括1 1、铸造性能、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。1.流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性 铸件在凝固和冷却过
48、程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。3.偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。2 2、锻造性能、锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。锻造冷冲3 3、焊接性能、焊
49、接性能 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。难易程度。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于低碳钢和碳的质量分数低于0.18%0.18%的合金钢有较好的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性焊接性能越差。能越差。电弧焊气焊4 4、切削加工性能、切削加工性能 切削加工性能一般用切削后的表面质量切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高以表
50、面粗糙度高低衡量低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170(170 HBSHBS230 HBS)230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分分(如加入少量铅、磷等元素如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理和进行适当的热处理(如低碳钢如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。5 5、热处理工艺性能、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主
