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1、（机械制造行业）机械工程材料的定义和分类绪论一、 机械工程材料的定义和分类1 定义：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。2、分类 按化学成分分为: 金属材料(用量最大、应用范围最广) 高分子材料(质轻、 耐腐蚀、化工、机械、航空航天等) 陶瓷材料（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘、勇于电器化工等） 复合材料（轻、高强度、结合两种材料的性能优点，用于航空航天等领域）二 （机械）工程材料的性能 力学性能 （ ）保证构件安全可靠 （1）材料的使用性能 物理性能 包括两方面 化学性能 切削加工性能 保证构件容易制备 铸造性能 材料的工艺性能 焊接性能 热
2、处理性能： 实际进行机械设计时：主要考虑的是材料的使用性能，其中有以力学性能最为重要。原因：如果力学性能不能瞒住工作的要求时，将引起重大事故，带来灾难。（如泰坦尼克巨轮的沉没，哥伦比亚号航天分级的解体和坠毁等）这些都是由于零件（部件）的失效引起的。第一章 机械零件的失效分析简介：一 失效的定义1 任何一个机械零件或部件都要具有一定的功能：（零件设计功能）（1）P、T、M 下，保持一定的几何形状和尺寸(最基本的要求，桥梁，钢轨等)（2）实现规定的机械运动（发动机中的活塞和衢州，把直线运动转换成沿圆周运动）（3）传递力和能（齿轮，传递力矩，水轮机江水能转变成电能）2失效：零件失去设计要求的效能（功
3、能）-失效形式多样，常见的分为以下几种方式。 过量变形 断裂 磨损 腐蚀2 引起失效的原因：外界载荷、温度、介质等材料又损害作用（外界对材料的损害）材料本身：抵抗损害的能力。（这种能力是有限的）若：前者大于后者-失效前者等于后者-临界状态前者小于后者-正常工作二 研究失效的意义 1通过失效分析-找出失效原因-确定相应的抗力指标-为选材和制定工艺提供依据； 2通过失效分析-减少和预防机械产品类事故的重复发生，提高产品质量、减少经济损失； 3失效分析工作是机械产品维修工作的基础,确定维修的技术和方法,提高维修工作的质量和效益； 4失效分析可以为人仲裁事故责任、侦破犯罪等提高可靠的技术依据。 第一节
4、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(一) 低碳钢的应力 s -应变 e行为（塑性好，大多数金属材料）试样形状： 工程应力：s=p/A (MPa) 工程应变：e=材料在外力作用下会产生变形，分为弹性变形和塑性变形。研究材料变形常用的方法有静拉伸、压缩、弯曲、扭转、硬度等。其中静拉伸最为常用。随着载荷的增加，s-e 曲线如图所示 曲线上一些转折点是材料的各种力学性能指标。1、 sp: 比例极限 含义：s sp时，s=Ee 应力-应变成正比，服从虎克定律2 se: 弹性极限含义：不产生塑性变形的最大应力（或者只发生弹性变形的最大应力）3 ss: 屈服极限（屈服强度）含义
5、：开始产生塑性变形的应力 s ss, s ， ep， 即：塑性变形需要不断的增加外力才能进行。-加工硬化4 sb: 抗拉强度含义：材料在拉伸过程中承受的最大工程应力，也是材料产生最大均匀变形的应力5 sk: 断裂强度 含义：材料发生断裂时的应力.sp、 se、 ss、 sb、 sk的单位：Mpa （与应力的相同）分析：（1）、sss 弹性变形 塑性变形（4）SB段：均匀变形阶段(5) s=sb 发生颈缩，集中变形，承载能力下降，直至断裂。图中三条曲线：1 低碳钢（多数线金属材料）。2 脆性材料。3 高弹性材料。二、过量变形失效（一） 过量弹性变形失效及抗力指标 1 定义：零件的弹性变形超过了允
6、许的弹性变形量，发生过量弹性变形失效。如镗床的镗杆，允许的弹性变形量很小，若超过，导致镗的孔的尺寸偏差过大报废；弹簧，其主要作用是减振和储能驱动，工作中产生的弹性变形超过允许值时也会失效。如弹簧秤，汽车板簧等。 变形有弹性变形和塑性变形，所以过量变形可分为过量弹性变形和过量塑性变形，下面分别讨论。2产生原因：零件刚度不够由虎克定律：E=s/e= （ 单向拉伸或压缩） e=p/E*A (E:杨氏模量，即弹性模量 A：零件横截面积)p(载荷)已定，EA,e.EA：零件的刚度，指零件受力时抵抗弹性变形的能力。大小等于材料弹性模量与零件横截面积的乘积。所以，刚度越大，零件越不易产生弹性变形。3过量弹性
7、变形的抗力指标弹性模量（E,G）E: 拉伸杨氏模量 拉什、压缩G: 切变弹性模量 纯剪切（P5 页中表1-1给出了各类材料室温下的弹性模量E，金刚石-硬质金属-陶瓷-金属-高分子材料(E逐渐降低)钢铁材料应用最多。性能指标应去除与零件形状大小尺寸等因素的影响，因此，过量弹性变形的抗力指标是弹性模量。当零件的横截面A一定时，弹性模量（E,G）就代表了零件的刚度。4弹性模量的变化(1) 温度：T, E弹性模量只对温度敏感。（2）、材料熔点高 TM , E（3）弹性模量(E)不能通过合金化、热处理、冷变形的方法改变。弹性模量只取决于材料原子本性和原子间的结合力。材料确定，弹性模量也定了。二、过量塑性
8、变形及抗力指标：1、 定义：零件的塑性变形量超过允许的塑性变形时，就会产生失效。2、 抗力指标实际中不同的零件对发生塑性变形的允许量不同，所以应选择不同的抗力指标。根据零件的工作条件决定。 举例 要求 指标炮筒或弹簧 s,e严格服从虎克定律 sp s0.001-0.01汽车板簧 只弹性变形 se s0.005-0.05 精密机床丝杠 不允许出现塑性变形 ss s0.01-0.5机座、机架等 不产生明显的塑性变形 s0.2桥梁、容器 - s0.5-1.0 根据以上分析，比例极限，弹性极限，屈服极限都是材料抵抗过量塑性变形失效的抗力指标。实际中的材料是弹塑性材料，弹性变形和塑性变形之间无明显界限（
9、分界点）很难测出sp se ss的准确值。因此，工程上采用人为规定的方法，把生产规定的微量塑形神长率的应力称为“条件比例极限”，“条件弹性极限”，河“条件屈服极限”.sp 0.001-0.01se 0.005-0.05ss 0.01-0.5（1） 炮筒:要求炮弹通过时，炮筒内壁产生弹性变形，变形与应力之间必须严格保持正比关系，否则，射击精度降低。（2） 汽车板簧：只允许发生弹性变形，否则弹力不够，承载能力下降。（3） 精密机床丝杠：不允许发生塑性变形，否则加工精度降低。第二节 断裂（零件在静载荷和冲击载荷下的断裂）一、 基本概念1静载荷和冲击载荷 静载荷：加在速率较低（起重机吊重物，静拉伸试验
10、） 冲击载荷：加在速率高.10米每秒 (飞机起飞和降落，锻压及锻造等)二、 断裂：（1） 定义：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。（2） 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 脆性断裂 韧性断裂： 变形量 端口形貌 外观 大 粗糙、灰暗 杯形 脆性断裂： 没有 光滑、发亮 平齐 无征兆（3） 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；二是裂纹扩展。准备两个断口，一个韧性断裂，一个脆性断裂，让同学边看边总结两种断裂的差别！既然断裂都包括两个阶段，为什么有韧性断裂和脆性断裂的差异？如果更深入地研究，发现两者的裂纹扩展过程是不
11、同的（1） 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） 裂纹源 裂纹一旦形成就要扩展，两种断裂的裂纹扩展阶段是不同的（2） 裂纹扩展阶段：韧性断裂： 微裂纹 裂纹亚稳扩展阶段 失稳扩展阶段 a0 a0ac a0ac 扩展速度慢 扩展速度快 有外力作用 无需外力 形成微裂纹 失稳扩展阶段脆性断裂 a0 a0ac危害大 扩展速度极快 一般来讲，韧性好的材料容易发生韧性断裂，如纯金书，低碳钢等。 韧性差的材料容易发生脆性断裂，如陶瓷、玻璃、铸铁（白口）提问：为什么韧性断裂有裂纹的亚稳扩展阶段，脆性断裂没有呢？讨论：关键在于两种材料临界裂纹ac不同,韧性好的材料ac值比较大,a0往往小于 ac，所以
