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[]---应变[]行为（塑性好，大多数金属材料）试样形状：工程应力：p/A(MPa)工程应变：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，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、p:比例极限含义：p时，E应力----应变成正比，服从虎克定律2e: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s:屈服极限（屈服强度）含义：开始产生塑性变形的应力s,，p↑，即：塑性变形需要不断的增加外力才能进行。----加工硬化4b: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k:断裂强度含义：材料发生断裂时的应力.p、e、s、b、k的单位：Mpa（与应力的相同）分析：（1）、P只有弹性变形E（2）ES段：城屈服，应力不增加而应变增加（3）、s弹性变形塑性变形（4）SB段：均匀变形阶段(5)b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=（单向拉伸或压缩）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↑,↓.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严格服从虎克定律p汽车板簧只弹性变形e精密机床丝杠不允许出现塑性变形s机座、机架等不产生明显的塑性变形桥梁、容器--------------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（分界点）很难测出pes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’”.p0.001----0.01e0.005---0.05s0.01---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）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a0a0aca0≥ac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a0a0≥ac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，所以有裂纹亚稳扩展阶段直到a=ac,然后再发生失稳扩展。韧性差的材料其ac值很小，裂纹形成后的长度a0等于ac甚至大于ac,所以裂纹—形成就发生失稳扩展。所以材料韧性的好坏决定材料发生断裂的类型。下面讨论评定材料韧性的力学性能指标对于脆性断裂和韧性断裂，裂纹形成阶段都是一样的。裂纹一旦形成，在外力作用下就要扩展，两种断裂中裂纹的扩展过程是不同的。]先让同学回想一下生活当中一些事件，如劈材。且东西，开始时用劲往下劈或切，当劈到某个成度时，不用菲利木材自动开裂图示思考：讨论：那种断裂危害大？三、冲击韧性及衡量指标1冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力。（有两个力学性能指标）用标准试样的冲击吸收AK值表示,但微微j(焦耳)两个力学性能指标：AK,akak=Ak/FkAk:冲击吸收功Fk:断口处横截面积ak：冲击韧度（单位面积的吸收功）J.cm-2AK,ak都是衡量材料冲击韧性的力学性能指标。AK或ak↑,材料的冲击韧性↑好。3、应用：确定材料韧、脆转变温度Tk，为工程构件的选材提供依据。（构件工作温度T高于材料的韧脆转变温度Tk）图。韧性：指的是材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，使材（能力↑、韧性↑）料强度和塑性的综合表现图标准试样：有国标规定，10*10*55带缺口，U或V型缺口。低温冲击实验（系列冲击时延）：确定了材料的Tk,则TTk,韧性断裂；T≤Tk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。选材举例：由以构件工作中的最低温度-200C,现有两种材料：A:Tk=-500CB:Tk=-100C选那种材料更安全？（A）四、断裂韧性及衡量指标1传统的设计方法：零件工作应力材料屈服强度s要求：（1）≤s/kk:安全系数，k1(2)足够的塑性、冲击韧性（实际情况并非如此，经过这种方法设计制造的一些大型工程构件有的发生脆性断裂事故。尽管如此，也发生了脆性断裂，为什么？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，正是这些裂纹引起了低应力脆性断裂（发生断裂的应力远远小于材料的屈服强度）那么，为什么含有微裂纹的材料容易发生低应力（s）脆性断裂？前面讲了，脆性断裂是一种危险的断裂方式，在设计零件时总是千方百计地避免它。那么我们怎么做的呢？首先，看一下传统的的做法。由生活中的两个例子开始引出：撕布裁玻璃说明材料中有裂纹时，使它断裂的应力会大大降低，断裂力学就是在这种背景下产生的，它的发展为我们提供了评定材料抵抗脆性断裂的一种力学性能指标----断裂韧度KIC2、断裂韧度KIC的提出（1）定义：是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。KIC↑,抵抗裂纹失稳扩展的能力↑单位：MPa*m1/2或MN*m-3/2(3)脆性断裂的判据1）裂纹尖端应力场强度因子KI描述裂纹尖端场强弱的量KI=Y图Y:裂纹几何形状因子。愈烈文昌都有关。1--2：零件的工作应力：裂纹的半长度；（裂纹长度的一半Y↑，KI↑；裂纹尖端应力场强度因子主要和外应力,裂纹长度有关。2）判据：KIKIC发生脆断；KI=KIC临界状态；KIKIC安全；KIC: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）；（3）、选材和判据：（不讲，同学自己看，后答疑）；有临界状态可知：YIC有三个参数独立变化，KIC任何一个参数的变化都会导致零件发生脆性断裂。具体分析如下：1）、零件工作应力，裂纹半长度一定如何选材？YKIC发生脆断选材不当YKIC安全选材合适2）、材料给定KIC确定，裂纹半长度一定，如何确定零件的最大承载能力？临界状态：YICKIC/Y所以