工程材料学第11章 选材.ppt

第十一章 机械设计与选材 失效分析 探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。 根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。 二、零件失效的原因 材料 ① 选材不当 如对性能指标判据的错误选择； 为了经济或加工原因，选择的材料不合理； 问题出在材料上，但责任在设计者。 ② 材料本身的缺陷 如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。 二、零件失效的原因 三、零件失效形式与性能之间的关系 三、零件失效形式与性能之间的关系 疲劳断裂失效 在低于屈服应力的交变循环应力作用下发生的断裂。 是机械零件的主要失效形势之一。机械设计的校核用σ-1，材料的实质是裂纹扩展速率，它要求材料有良好的强韧性配合。 但在设计中应考虑工作时实际发生的循环次数，不可都以无限次校核。 三、零件失效形式与性能之间的关系 三、零件失效形式与性能之间的关系 第二节 选材原则 二、所用材料要满足生产中的工艺要求 三、经济比成本低 *我国金属矿产资源的特点 大宗矿产数量相对不足，用量小的稀有、稀土金属矿产资源丰富 第三节 选材的典型实例分析 一、齿轮类 一、齿轮类 二、轴类 二、轴类 二、轴类 三、 发动机、锅炉、汽轮机、燃气轮机 * 零件的失效 选材原则 选材的典型实例分析 一、失效的概念 失效 零件或部件失去应有的功效 ① 零件完全破坏，不能继续工作； ② 严重损伤，继续工作很不安全； ③ 虽安全工作，但已不能起到预定的作用。 发生三种情况中之一，都认为零件已经失效。 大多是特指零件未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。 第一节 零件的失效 设计 ① 对工作条件估计错误，如对过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理； ② 计算错误，但现在很少发生因计算错误造成的设计事故； ③ 结构外形设计不合理，往往容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、缺口、过小的圆角。 第一节 零件的失效 加工 由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。如：铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致较大的残余内应力等。 安装与使用 配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等，非法过载或维护不良(润滑、散热、粉尘)等。 意外事故 人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的载荷。 第一节 零件的失效 1．变形失效 弹性变形失效 发生过大的弹性变形而造成的零件失效。 弹性变形超过了工作容许的范围，造成与其配合的零件相撞而破坏；细长杆的弹性失稳而发生塑性弯曲或断裂。 材料的弹性模量仅决定于成分，热处理对其影响较小。 塑性变形失效 零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效。 抗塑性变形能力的主要指标是屈服强度，屈服强度愈高，失效的可能行愈小，而一些脆性材料可能屈服强度很高，但材料太脆，高强度特点发挥不出来。 第一节 零件的失效 2．断裂失效 快速断裂失效 快速断裂又称为单调断裂，在单调增加载荷的作用下，当载荷超过一定临界值后迅速发生断裂。 断裂的形式：塑性断裂和低应力脆断。 塑性断裂是材料存在缺口或应力的高度集中造成，如断裂前材料有明显的塑性变形，在早期就定为塑性变形失效。 低应力脆断发生前没有可见的征兆，往往会带来灾难性后果(飞机坠毁、轮船沉没)，要考虑材料的韧性，特别是冲击韧性的脆性转变温度。 第一节 零件的失效 2．断裂失效 蠕变断裂失效 蠕变是之材料在固定的应力作用下，随时间的延长变形不断增加的现象。 蠕变失效可能是变形失效或断裂失效。蠕变过程是原子的扩散过程，提高其抗力：选用高熔点材料；高熔点质点弥散分布减缓扩散的进行；大晶粒可以有效提高材料的高温强度。 介质加速断裂 在存在应力，特别是有交变应力又有裂纹时，许多介质如盐水可以加速断裂过程，有称为应力腐蚀。 第一节 零件的失效 3．表面损伤失效 磨损失效 磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。 表面疲劳失效 相互接触的两个运动表面(特别是滚动接触),在工作过程中承受交变接触应力的作用，使材料表层发生疲劳破坏而脱落，造成零件失效。接触疲劳按其损伤程度分为麻点(浅层