第一章機械零件的失效分析
一、基本要求
本章主要介紹了機械零件在常溫靜載下的過量變形、在靜載和衝擊載荷下的斷裂、在交變載荷下的疲勞斷裂、零件的磨損失效和腐蝕失效以及在高溫下的蠕變變形和斷裂失效。要求學生掌握全部內容。
二、重點內容
1 零件的過量變形以及效能指標,如屈服強度、抗拉強度、伸長率、硬度等。
2 零件在靜載和衝擊載荷下的斷裂及效能指標，如衝擊韌性、斷裂韌性等。
3 零件在交變載荷下的疲勞斷裂、疲勞抗力指標及影響因素。
4 零件的磨損和腐蝕失效以及防止措施。
5 零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效。
三、難點
斷裂韌性及衡量指標，影響斷裂的因素。
四、基本知識點
第一節零件在常溫靜載下的過量變形
1、工程材料在靜拉伸時的應力-應變行為
變形: 材料在外力作用下產生的形狀或尺寸的變化。
彈性變形: 外力去除後可恢復變形。
塑性變形: 外力去除後不可恢復。
低碳鋼，正火、退火、調質態的中碳鋼或低、中碳合金鋼和有些鋁合金及某些高分子材料都具有圖1-1所示的應力-應變行為。即在拉伸應力的作用下的變形過程分為四個階段：彈性變形、屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形。
圖1-1 低碳鋼拉伸時的應力-應變曲線示意圖
圖1-2 三種型別材料的應力-應變曲線示意圖1-純金屬 2-脆性材料 3-高彈性材料
2 、靜載試驗材料效能指標
剛度：零構件在受力時抵抗彈性變形的能力。等於材料彈性模量與零構件截面積的乘積。
強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力，屈服強度、抗拉強度、斷裂強度。
彈性指標：彈性比功。
塑性指標：伸長率、斷面收縮率。
硬度: 布氏硬度(hb)、洛氏硬度(hrc)、維氏硬度(hv)
3 過量變形失效
過量彈性變形抗力指標：彈性模量e或者切變模量g。
過量塑性變形抗力指標：比列極限、彈性極限或者屈服強度。
第二節零件在靜載和衝擊載荷下的斷裂
1、基本概念
斷裂：材料在應力作用下分為兩個或兩個以上部分的現象。
韌性斷裂：斷裂前發生明顯巨集觀塑性變形。
脆性斷裂：斷裂前不發生塑性變形，斷裂後其斷口齊平，由無數發亮的小平面組成。
2、衝擊韌性及衡量指標
衝擊韌性：材料在衝擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是材料強度和塑性的綜合表現。
衝擊試驗與衡量指標：衝擊吸收功ak或衝擊韌度ak。工程材料的衝擊吸收功通常是在室溫測得，若降低試驗溫度，在低溫下不同溫度進行衝擊試驗（稱之為低溫衝擊試驗或系列衝擊試驗），可以得到衝擊吸收功ak隨溫度的變化曲線，如圖1-3所示。
圖1-3 三種鋼的衝擊韌性隨溫度變化曲線示意圖
tk為韌脆轉變溫度：ak-t曲線上衝擊吸收功急劇變化的溫度。當試驗溫度低於tk時，衝擊吸收功明顯降低，材料由韌性狀態變為脆性狀態，這種現象稱為低溫脆性。
3、斷裂韌性及衡量指標
斷裂韌度kic：是評定材料抵抗脆性斷裂的力學效能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩擴充套件的能力,單位：mpa·m 1/2或者 mn·m-3/2
斷裂判據:
kiki>kic 構件發生脆性斷裂
ki＝kic 構件發生低應力脆性斷裂的臨界條件
4、影響脆性斷裂的因素
決定材料斷裂型別的主要因素有：載入方式、材料本質、溫度、載入速度、應力集中及零件尺寸。
載入方式不同，斷裂方式不同；
一般降低溫度和增加載入速度都會引起材料催化；
應力集中改變了應力狀態，σmax↑，τmax↓, α↓；
單向拉伸α＝0.5，而缺口拉伸試樣α <0.5，易引起脆斷，因此，應力集中會引起材料脆化；
薄板處於平面應力狀態， α較大，厚板處於平面應變狀態， α較小，易產生脆斷。
第三節零件在交變載荷下的疲勞斷裂
1、基本概念
交變載荷：載荷大小和方向隨時間發生週期變化的載荷。
疲勞斷裂：零件在交變載荷下經過長時間工作而發生斷裂的現象稱為疲勞斷裂。
圖1-4 幾種常見的交變應力
2、疲勞斷口的特點
疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴充套件、最後斷裂。
疲勞斷裂特徵：
1) 斷裂應力低
2) 無明顯巨集觀塑變
3) 斷口清楚顯示裂紋形成、擴充套件和斷裂階段
圖1-5 疲勞曲線示意圖
3、疲勞抗力指標
無裂紋構件的疲勞抗力指標：疲勞極限、過載持久值、疲勞缺口敏感度。
帶裂紋構件的疲勞抗力指標：疲勞裂紋擴充套件門檻值δkth和裂紋擴充套件速率da/dn。
4、影響疲勞抗力的因素
載荷型別：拉壓、扭轉與旋轉彎曲等；
材料本質：不同材料有不同的疲勞曲線，σr、q、da/dn、kic及kth不同；
零件表面狀態：零件的表面缺陷（如裂紋、刀痕等）對其強度影響不大，但疲勞極限有顯著影響；
工作溫度：t↑ σs ↓σr↓，δkth↓，da/dn ↑；
腐蝕介質:在腐蝕介質作用下， σr↓，δkth↓，da/dn ↑。
第四節零件的磨損失效
1、磨損的基本概念
磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發生尺寸變化和物質耗損的現象叫做磨損。
2、磨損的過程和機理
粘著磨損：
1）定義：又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦副的接觸面發生金屬粘著，在隨後的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷的一種磨損形式。
2）過程：
3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。
4）防止措施：合理選材，摩擦副配對材料選用硬度差較大的材料；
提高表面硬度；
合理設計減小接觸壓應力；
減小表面粗糙度。
磨粒磨損：
1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質磨粒，使磨麵發生區域性塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。
2）過程：
3）防止措施：
提高表面硬度（從選材與材料表面處理方面）；
減少磨粒數量（從工作狀況方面）。
接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損）：
1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現象。
2）過程：類似於疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴充套件過程。
三種主要形式：麻點剝落、淺層剝落、硬化層剝落
3）主要防止措施：提高材料硬度；提高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。
第五節零件的腐蝕失效
1、腐蝕的定義和分類
腐蝕：材料表面和周圍介質發生化學反應或者電化學反應所引起的表面損傷現象。
分類：化學腐蝕和電化學腐蝕。
2、腐蝕過程及防止
化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）：
高溫氧化過程：
1）金屬失去電子成為金屬離子
2）氧原子吸收電子成為氧離子
3）金屬離子和氧離子結合為金屬氧化物
基體金屬能否繼續氧化，取決於氧化物薄膜是否緻密。
提高鋼抗氧化能力：加入al、si、cr等元素，與氧結合形成緻密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。
電化學腐蝕：
條件：金屬間存在電極電位差，並且相互接觸並處於相互聯通的電介質溶液中形成微電池。
過程：陽極：失去電子，mm n++ne(被腐蝕）
陰極：發生析氫反應或者吸氧反應
特點：速度快、選擇性
圖1-6 不同金屬的電極電位
常見區域性腐蝕：電偶腐蝕、小孔腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕（不鏽鋼）。
應力腐蝕：
定義：零（構件）在拉應力和特定介質聯合作用下產生的低應力脆斷現象。
特點：拉應力小；介質腐蝕性弱； 易忽視
3、零件防止腐蝕的措施
對於化學腐蝕：選擇抗氧化材料如耐熱鋼、高溫合金、陶瓷材料等，零件表面塗層。
對於電化學腐蝕：選擇耐腐蝕材料；表面塗層；電化學保護；加緩蝕劑。
對於應力腐蝕：減小拉應力；去應力退火；選擇kiscc高的材料；改善介質條件。
第六節零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效
1、材料在高溫下的力學行為
1）材料的強度隨溫度的公升高而降低。
2）高溫下材料的強度隨時間的延長而降低。
3）高溫下材料的變形量隨時間的延長而增加。
蠕變：材料在長時間恆應力作用下緩慢產生塑性變形的現象稱為蠕變。
圖1-7 典型的蠕變曲線
2、評價材料高溫力學效能指標
蠕變極限：高溫長期載荷作用下材料對塑性變形的抗力指標稱為蠕變極限。
表示方法：在規定溫度下使試樣產生規定穩態蠕變速率的應力值；給定溫度下，在規定時間內使試樣產生一定蠕變總變形量δ的應力值
持久強度：材料在高溫長期載荷作用下抵抗斷裂的能力。用給定溫度和規定時間內試樣發生斷裂時的應力表示。
3、高溫下零件的失效和防止
高溫下零件的失效形式：過量塑性變形（蠕變變形）、斷裂、磨損、氧化腐蝕等。
防止措施：正確選材（選熔點高、組織穩定的材料）；
表面鍍硬鉻、熱噴塗鋁和陶瓷等
第二章碳鋼
一、基本要求
本章主要介紹了純鐵的組織和效能、 fe-fe3c圖的分析和應用、壓力加工對鋼的組織和效能的影響等內容。通過本章的學習，要求學生能夠掌握晶體結構與晶體缺陷的基本概念、鐵碳合金的結晶過程分析與壓力加工對鋼的組織和效能的影等知識。
二、重點內容
1 純鐵的結晶過程、純鐵的晶體結構、純鐵的同素異構轉變。
2鐵和碳的相互作用、鐵碳合金中的相和組織組成物。
3 二元相圖的槓桿定律、fe-fe3c相圖分析及應用。
4 壓力加工對鋼的組織和效能的影響。
三、難點
應用槓桿定律計算碳鋼在室溫下的組織組成物和相組成物的質量分數。
四、基本知識點
第一節純鐵的組織和效能
1、過冷現象和過冷度
純鐵結晶時，實際開始結晶溫度與理論結晶溫度之間的溫度差△t（＝－）,稱為過冷度。過冷度是一切物質結晶的必要條件，液體冷速越快，過冷度越大,液體與固體間的自由能差△f（＝fl－fs）越大, 物質結晶的驅動力越大。
圖2-1 純鐵的冷卻曲線（部分）
圖2-2 液體和固體自由能隨溫度的變化
2、純鐵的結晶過程
在液體中形成的穩定微小晶體稱為晶核，純鐵的結晶過程是不斷形成晶核與晶核不斷長大的過程。由乙個晶核長成的晶體稱作晶粒，由許多晶粒組成的晶體稱作多晶體。多晶體結晶時，冷卻速度越快、過冷度越大、形核數量越多、晶粒越細。
金屬的晶粒越細，其強韌性越好。
圖2-3 純鐵結晶過程示意圖
3、晶體結構基本概念
晶體：指原子（離子或分子）在空間呈規則排列的物體。
晶體結構：指晶體中的原子（離子或分子）在空間的具體排列。
晶胞：是能夠反映晶格中原子重複排列規律的最基本單元。
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