12第八章材料选择基础教案资料

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1、1工程材料l第一章 金属材料力学性能 l第二章 金属晶体结构与塑性变形l第三章 金属结晶及合金相图l第四章 钢的热处理l第五章 钢铁材料及其应用l第六章 有色金属及应用l第七章 非金属材料l第八章 材料选择基础2第八章 材料选择基础l 第一节 零部件失效的基本形式l 第二节 失效分析方法l 第三节 常见零件失效分析实例l 第四节 材料选用的地位l 第五节 材料选用原则l 第六节 典型零件的选材3第一节 零部件失效的基本形式l 什么是失效？l 失效是指零部件由于某种原因，导致其尺寸、形状或材料的组织与性能的变化而不能达到其预定的功能。l 失效包括以下几种情形： 零件完全破坏，不能继续工作； 虽然

2、能继续工作，但不能满意地起到预期作用； 零件严重受损，继续工作不安全。5第一节 零部件失效的基本形式8.1.1 零件失效的分类8.1.2 零件失效的主要形式68.1.1 零件失效的分类l根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件失效可分为三大类型： 变形失效； 断裂失效； 表面损伤失效。l每种类型根据失效机理的不同，又包含多种失效模式。7零件失效的模式及其失效机理 失效类型 失效模式失效机理 变形失效 弹性变形失效塑性变形失效翘曲畸变失效弹性变形塑性变形弹、塑性变形 断裂失效 塑性断裂失效低应力脆断失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效应力腐蚀断裂失效塑性变形裂纹扩展疲劳蠕变断裂应力腐蚀 表面

3、损伤失效 磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效磨粒磨损、粘着磨损疲劳氧化、电化学8第一节 零部件失效的基本形式8.1.1 零件失效的分类8.1.2 零件失效的主要形式98.1.2 零件失效的主要形式1.变形失效l变形在某种程度上影响了零件规定的功能。变形可以是弹性变形、塑性变形、或弹塑性变形。l变形的基本类型包括：尺寸变形或体积变形（伸长或缩小）及形状变形（如弯曲和翘曲等）。l变形失效体现为： 不能承受规定载荷； 不能起到规定作用； 与其他零件的运转发生干扰。108.1.2 零件失效的主要形式2. 断裂失效l 断裂的分类：l 按断裂的性质不同，可分为韧性断裂、脆性断裂、韧性脆性断裂。 韧性断裂是指材料

4、在断裂之前发生明显宏观塑性变形的断裂。 脆性断裂是指材料在断裂之前不发生或发生很小的宏观塑性变形的断裂。 韧性脆性断裂又称准脆性断裂，是一种塑性和脆性混合的断裂。118.1.2 零件失效的主要形式l 按断裂路径不同，可分为沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂。 l 按断裂模式与断裂机理不同，可分为脆性断裂、塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、应力腐蚀断裂。1) 脆性断裂失效l 脆性断裂常在低应力下突然发生，其诱因较复杂，不论是高温还是低温、静载还是冲击载荷都有可能发生，但最常见的是有尖锐缺口或裂纹的构件在低温或受冲击时发生的低应力脆断失效。128.1.2 零件失效的主要形式2) 蠕变断裂失效l 零件长期在高

5、温环境工作，在载荷作用下发生蠕变，当蠕变量超过规定范围时，导致零件工作处于不安全状态甚至发生断裂失效。3) 疲劳断裂失效l 零件在交变载荷作用下，常在工作应力远低于材料屈服强度时发生疲劳断裂而失效。由于疲劳断裂前无明显塑性变形，且对材料表面缺陷很敏感，因而是一种危险的失效方式。138.1.2 零件失效的主要形式4) 应力腐蚀断裂失效l 零件在某些环境中承载时，在应力和介质的联合作用下产生应力腐蚀，发生低应力脆性断裂而失效。3. 表面损伤失效l 表面损伤失效主要包括磨损失效、腐蚀失效、表面疲劳失效等形式。148.1.2 零件失效的主要形式l 失效形式的危险性比较：l 在以上失效形式中，弹性变形、

6、塑性变形、蠕变、磨损和腐蚀失效的发生是一个渐变的过程，在实现一般都有尺寸的变化，有较明显的前兆，容易预防，一般可避免断裂的发生。l 低应力脆断、疲劳断裂和应力腐蚀断裂往往事前无明显征兆，因而非常危险，是当今工程断裂事故的三大重要原因。158.1.2 零件失效的主要形式l 一个零件可能有几种不同的失效形式，其具体失效形式取决于工作条件下零件失效抗力最低的类型。l 零件的失效通常由一种形式起主导作用，若有多种因素产生协同作用，将可能组合成更复杂的失效形式，例如腐蚀疲劳、磨蚀等。16第八章 材料选择基础l 第一节 零部件失效的基本形式l 第二节 失效分析方法l 第三节 常见零件失效分析实例l 第四节

7、 材料选用的地位l 第五节 材料选用原则l 第六节 典型零件的选材17第二节 失效分析方法8.2.1 失效分析的历史8.2.2 失效的基本因素 8.2.3 失效分析常用方法188.2.1 失效分析的历史1. 古代失效分析阶段：有文字记载的失效分析历史已有4000多年。2. 近代失效分析阶段：200年前开始的近代工业革命时期，失效分析开始作为仲裁事故和提高产品质量的技术手段。3. 现代失效分析阶段：开始于上世纪60年代，电子产品领域将失效分析成果应用于产品的可靠性设计。l 材料科学与力学的迅猛发展、断口观察仪器的长足进步为失效分析技术的发展创造了条件。19失效分析实例l 最新的失效分析研究回答了

8、多年未解之谜。l Titanic使用的钢板 杂质含量较高，韧性很差，特别是在低温下呈明显的脆性，冲击试样为典型的脆性断口。Titanic 号钢板 船用钢板的冲击试验结果现代船用钢板21第二节 失效分析方法8.2.1 失效分析的历史8.2.2 失效的基本因素 8.2.3 失效分析常用方法228.2.2 失效的基本因素 设计因素确定材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件：图纸、说明书等。 制造因素铸、锻、焊、机加工和热处理等达不到设计要求而导致零件失效。 装配调试因素在安装过程中 ，未达到要求的质量指标。 材质因素选材不当、材质内部缺陷、毛坯加工或冷热加工产生的缺陷。238.2.2 失效的基本因素

9、运转维修因素运转工况参数监控、定期大、中、小检修、润滑条件是否保证、冷却、加热和过滤系统功能是否正常、操作是否正确。l 失效分析就是通过逻辑推理和实验研究，揭示出零件失效的根本原因。l 由于失效因素的复杂性，失效分析需要利用多种宏观和微观的研究手段进行系统的分析。l 对失效原因的判断应结合审查相关零件的设计、材料、加工、安装使用等资料，并提出改进意见。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计失效分析的基本环节与主要措施25第二节 失效分析方法8.2.1 失效分析的历史8.2.2 失效的基本因素 8

10、.2.3 失效分析常用方法268.2.3 失效分析常用方法l 失效分析常用的方法主要有无损检测、断口分析、金相分析、化学分析、力学分析等。1. 无损检测l 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态和分布。l 失效分析中常用的无损检测方法有两类：278.2.3 失效分析常用方法 检查表面裂纹和不连续性缺陷的方法，包括磁粉检验、液体渗透性检验、超声波检验、涡流检验等方法。 检查零件内部缺陷的方法，包括X射线检验、工业CT检验、超声波检验等方法。2.断口分析l断口分析是对失效零件断裂表面进行全面的宏观和微观观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断

11、裂区，从而判断出断裂的性质和机理。断裂顺序分析T形法则分叉法则B裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹扩展方向 脆性断口l宏观形貌：脆性断口的宏观形貌常呈放射状或结晶状，平齐而光亮，可根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚的方向确定裂纹源区。断裂源分析 源区 源区l 微观形貌：在扫描电镜下，脆性穿晶断口的微观形貌为平坦的解理台阶与河流花样。穿晶断口形貌河流花样的形成l 微观形貌：在扫描电镜下，沿晶脆性断口的微观形貌为颗粒状的晶粒。回火脆性断裂、应力腐蚀开裂等都是脆性沿晶断裂。沿晶断口形貌 韧性断口l 韧性断口在宏观上常呈纤维状，色泽灰暗；在扫描电镜下可见其微观形貌为一个个大小不等的韧窝。韧性韧窝断口形貌l

12、韧性断口上的韧窝，是由微孔形成、长大和聚合这一韧性断裂过程所产生的。韧窝断口形貌韧窝断口的形成358.2.3 失效分析常用方法 疲劳断口l 根据宏观形态特征，疲劳断口可分为三个区域：疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。a) 疲劳源 是疲劳破坏的起始点，可以有一个、两个或多个，主要出现在零件表面。b) 疲劳裂纹扩展区 的特征反映了疲劳裂纹亚临界扩展的状态，常能观察到典型的“贝纹”状花样，为一系列同心圆弧，其中心即为疲劳源。c) 瞬时断裂区 是疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域，由平断口和边缘的剪切唇组成。疲劳源 疲劳裂纹扩展区 “贝纹”状花样 瞬时断裂区 疲劳断口宏观形貌疲劳断口示意图疲劳条纹378

13、.2.3 失效分析常用方法3. 金相分析l 通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。l 冶金缺陷：疏松、缩孔、气泡、白点、夹杂物等。l 加工缺陷：表面划伤、锻造裂纹、过热、过烧、氧化、脱碳、淬火裂纹等。388.2.3 失效分析常用方法4. 化学分析l 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。可采用剥层分析或电子探针分析方法。5. 力学分析l 检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。l 失效分析中，应特别注意收集原始证物，并尽最大努力保护断口原始表面，

14、以避免因再次损伤而造成假象。39第八章 材料选择基础l 第一节 零部件失效的基本形式l 第二节 失效分析方法l 第三节 常见零件失效分析实例l 第四节 材料选用的地位l 第五节 材料选用原则l 第六节 典型零件的选材40第三节 常见零件失效分析实例8.3.1 机车车辆车轴的失效8.3.2 齿轮的失效8.3.3 失效分析实例418.3.1 机车车辆车轴的失效l 车轴是支撑机车车辆荷重，传递扭矩的重要部件，直接关系到行车的安全。l 车轴的失效形式主要有： 过度变形； 早期断裂失效； 轴颈磨损。l 其中早期断裂失效对于铁路运输安全威胁最大，其主要形式为热切和冷切。428.3.1 机车车辆车轴的失效l

15、 热切是由于轴承的故障而发热，导致车轴强度下降，变形、缩颈、拉长、拧成麻花状而断裂。l 防止热切的重点是提高轴承质量，并对轴承故障及时做出诊断及排除。l 冷切主要是由于车轴的某些质量指标未达到规定要求，或外部条件超过额定允许值，在交变载荷作用下，车轴的薄弱区域因累积损伤诱发疲劳裂纹，进而裂纹扩展，最终导致断裂。438.3.1 机车车辆车轴的失效l 冷切断裂发生在常温，断裂前没有明显塑性变形，断裂突然发生，因而极具危险性。l 车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴的冷切断裂往往具有疲劳断裂的完整过程，即包括疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终

16、瞬时断裂三个阶段。疲劳源在轴内部（由严重冶金缺陷引起裂纹萌生）疲劳源车轴疲劳断口疲劳源在轴表面（由表面加工缺陷引起裂纹萌生）45车轴的疲劳断裂失效分析疲劳裂纹源发生在车轴内部冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳断裂分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常机加工缺陷机加工不当撞伤意外损伤腐蚀产物环境腐蚀磨损产物微动摩擦轴表面异常化学成份冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织冶炼、锻造 或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45角扭转载荷过大46第三节 常见零件失效分析实例8.3.1 机车车辆车轴的失效8.3.2 齿轮的失效8.3.3 失效分析实例47 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。齿齿轮轮传传动动闭式传动开式传动半开式传动封闭在箱体内，润滑条件好外露，润滑较差，易磨损介于上两者之间，有防护罩8.3.2 齿轮的失效488.3.2 齿轮的失效失效形式失 效 的 原 因齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹