机械工程材料作业整理

作业一1.何谓失效？零件的失效方式有哪些？失效：在使用过程中因零件的外部形状尺寸和内部结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象称为失效。失效方式：（1）过量变形失效：a、过量弹性变形b、过量塑性变形（2）断裂失效：a、韧性断裂b、脆性断裂c、低应力断裂d、疲劳断裂e、蠕变断裂f、介质加速断裂（3）表面损伤失效：a、磨损失效b、腐蚀失效c、表面接触疲劳（4）物理性能降级：电磁、热等性能衰减2.静载性能指标有哪些？它们分别与那种失效形式关联？1、刚度和强度指标刚度：弹性模量强度：比例极限，弹性极限，屈服强度，抗拉强度，断裂强度2、弹性和塑形指标弹性：弹性能塑形：断后伸长率，断面收缩率3、硬度指标失效形式强度：断裂、塑性变形塑性：塑性变形刚度：过量弹性变形硬度：磨损韧性和疲劳强度：断裂3.过量弹性变形、过量塑性变形而失效的原因是什么？如何预防？失效的责任主要在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。过量弹性变形产生变形的主要原因是材料刚度不够。预防途径：1．选择合适的材料或结构2．确定适当的匹配尺寸3．采用减少变形影响的转接件，比如在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹性变形的有害影响。过量塑性变形产生变形的主要原因是材料的弹性极限，屈服强度不够。预防途径：1．降低实际应力：降低工作应力；减少残余应力；降低应力集中。2．提高材料的屈服强度：通过合金化、热处理等方法。4.何谓冲击韧性？如何根据冲击韧性来判断材料的低温脆性倾向？冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，即反映材料承受外来冲击负荷而不断裂的抵抗能力。冲击韧性指标的实际意义在于揭示材料的变脆倾向。材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当温度低于韧脆转变温度时，材料由韧性状态变为脆性状态的现象，称为低温脆性。从试样结果看（参见沈莲《机械工程材料》第三版P10图1-4）冲击韧性高的材料的低温脆性倾向小。但如果在低温条件下使用的零件，设计要考虑冲击韧性和韧脆转变温度。作业二1.何谓断裂韧性？影响脆断的主要因素有哪些？材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。通常主要以断裂韧度来衡量。影响脆断的主要因素有：1、加载方式和材料本质：冶金缺陷会引起冷脆，比如过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；有害杂质元素沿晶界偏聚，减弱了晶界结合力等。2、温度和加载速度：降低使用温度和增加加载速度都会引起材料脆断倾向增大。3、应力集中4、零件尺寸设计不合理2.压力容器钢的σS=1000MPa，KIC=170MPa•m1/2;铝合金的σS=400MPa，KIC=25MPa•m1/2。试问这两种材料制作压力容器时发生低应力脆断时裂纹的临界尺寸是多少设裂纹的几何形状因子Y=π1/2？哪一种材料更适合做压力容器？解：裂纹的临界尺寸ac=(KIC/Y*σS)2压力容器钢:ac=(170/(1.77*1000)2=0.0092m铝合金:ac=(25/(1.77*400)2=0.0012m由于压力容器钢的零件允许存在的裂纹最大尺寸大于铝合金的，所以压力容器钢更适合做压力容器。3.查资料，到现场（汽车系、机械系、材料系实验室），从下列汽车零件中任选一种，分析它在使用中的主要失效形式，你选材时主要考虑哪些主要力学性能，为什么？变速箱齿轮，驾驶室外壳（车身），发动机中的活塞，发动机缸体，发动机缸盖，曲轴，半轴，减振弹簧（钢板弹簧）常见汽车零件的工作条件及失效形式：1、齿轮工作条件、失效形式及性能要求齿轮是汽车中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。（1）工作条件1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力；2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的交变接触力及强烈的摩擦；3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击；（2）主要失效形式1）疲劳断裂主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式；2）齿面磨损；3）齿面接触疲劳破坏；4）过载断裂；（3）性能要求1）高的弯曲疲劳强度2）高的接触疲劳强度和耐磨性3）齿轮心部要有足够的强度和韧性4)较好的热处理性能，热处理变形小。2.汽车发动机曲轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件1）承受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力。2）曲轴颈与轴承发生滑动摩擦3）承受一定的冲击载荷（2）主要失效形式1）疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用2）磨损失效轴颈严重磨损（3）对曲轴用材料性能要求1）高的强度；2）一定的冲击韧度；3）足够的弯曲、扭转疲劳强度；4）足够的刚度；轴径表面有高的硬度和耐磨性。3、汽车弹簧零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受很大的弯曲应力或扭转应力。2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用（2）主要失效形式1）刚度不足引起的过度变形2）疲劳断裂（3）对弹簧用材性能要求1）高的弹性极限和屈强比（σs/σb）2）高的疲劳强度3）好的表面质量4）良好的耐蚀性和耐热性4、半轴零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）半轴的工作条件1）工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；2）轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；3）轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；4）多数轴会承受一定的过载载荷。（2）半轴的失效方式1）长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；2）大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；3）与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。（3）半轴的性能要求1）综合机械性能：足够强度、塑性和一定韧性，以防过载断裂、冲击断裂；2）高疲劳强度，对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；3）表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；4）足够淬透性，良好切削加工性能，价格便宜。5、活塞零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）活塞的工作条件活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。1）活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；2）活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；3）活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。（2）活塞失效形式1）活塞顶面裂纹；2）活塞环槽过度磨损；3）活塞销座裂纹，销孔咬合；4）环岸和裙部脆断。（3）活塞的性能要求1）要有足够的强度、刚度、质量小、重量轻，以保证最小惯性力。2）导热性好、耐高温、高压、腐蚀，有充分的散热能力,受热面积小。3）活塞与活塞壁间应有较小的摩擦系数。4）温度变化时，尺寸、形状变化要小，和汽缸壁间要保持最小的间隙。5）热膨胀系数小，比重小，具有较好的减磨性和热强度。6、发动机缸体零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）发动机缸体的工作条件缸体通常在处于高温、高载荷、磨损剧烈的状态下工作，承受较大的热冲击作用和承受较大的压力，同时工作在液体油的沉浸下，工作环境潮湿。（2）发动机缸体失效形式1）过量变形；2）缸体渗漏（3）发动机缸体的性能要求1）要有足够高的刚度、强度、硬度，高的耐磨性；2）配气机构能够准时的进气排气，气缸内密封性好，无漏油；3）缸体工作时内部高压高温，因此需要有良好的散热条件；4）良好的减震性；4）发动机缸体形状复杂，因此要便于成型。7、发动机缸盖零件的工作条件、失效形式及性能要求（1）发动机缸盖的工作条件缸盖安装在缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。（2）发动机缸盖失效形式过量塑性变形，拆卸后重装密封性下降；（3）发动机缸盖的性能要求1）高的高温强度；2）好的密封性；3）良好的导热性；4）发动机缸盖形状复杂，因此要便于成型。8、汽车车身的工作条件、失效形式及性能要求（1）汽车车身的工作条件汽车车身既是外观装饰性的零件，又是封闭薄壳状的受力零件。它主要起的是支撑作用以及防止在行驶过程中损坏和驾驶人在冲击过程中受到伤害的作用。由于长期暴露在空气中，所以要求有一定的防腐蚀作用，当然其形状的设计也要符合一定的力学规律，即减少在行驶过程中的受力，用以降低损耗。（2）汽车车身的失效形式1）一般在长时间工作后由于受到内部震动影响容易出现部分部位脱焊的状况，直接导致失效；2）部分区域应力集中发生非弹性变形、扭曲；3）磨损、锈蚀也是其常见的一种失效形式。（3）汽车车身的性能要求由于汽车车身具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高等特点，所以要求有以下性能：1）足够的强度；2）良好的塑性和韧性，良好的冲压性能；3）一定的刚性和尺寸稳定性；4）良好的焊接性能；作业31、有一根轴向尺寸很大的轴（圆形截面杆件各截面中心点的连线叫轴线，沿这个方向叫轴向；自截面中心点放射方向叫径向。自杆件端点到轴线上某点的距离长短叫轴向尺寸），在500℃温度下工作，承受交扭转载荷和交变弯曲载荷，轴颈处（轴和轴承配合的部分）承受摩擦力和接触压应力，试分析此轴的失效形式可能有几种？设计时需要考核哪几个力学性能指标？答：根据其工作条件，此轴失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，也可能出现冲击过载断裂，塑性变形或高温蠕变。从失效分析看，设计时需要考核力学性能指标：高的疲劳强度，防止疲劳断裂；优良的综合力学性能，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，防止塑性变形和冲击过载断裂；轴颈处具有高的硬度和耐磨性，防止磨损失效；高的蠕变抗力、耐蚀性等。2、实际晶体中的晶体缺陷有哪几种类型，它们分别对金属材料力学性能有何影响？试分别举一例在实际生产（生活）的应用。答：实际晶体中偏离理想完整点阵的部位或结构称为晶体缺陷。根据缺陷在晶体中分布的几何特点,可将其分为3大类,即点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷会使周围的晶格发生畸变，进而使位错运动时阻力增大，从而引起材料强度、硬度上升，塑性、韧性下降。生产中固溶强化就是利用此原理，比如热处理（淬火）；加合金元素固溶于奥氏体、铁素体、马氏体中，产生固溶强化。位错是一种及重要的晶体缺陷，它对金属的塑性变形，强度与断裂有很重要的作用，塑性变形就其原因就是位错的运动，而强化金属材料的基本途径之一就是阻碍位错的运动。深入了解位错的基本性质与行为，对建立金属强化机制将具有重要的理论和实际意义。金属材料的强度与位错在材料受到外力的情况下如何运动有很大的关系。如果位错运动受到的阻碍较大，则材料强度、硬度就会较高。实际材料在发生塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。比如生产中的表面喷丸强化技术。面缺陷原子排列不规则，常温下晶界对位错运动起阻碍作用，塑性变形抗力提高，晶界有较高的强度和硬度。晶粒越细，材料的强度越高，这就是细晶强化。比如，生产中的孕育处理，加合金元素细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条等。3、何谓过冷度？为什么结晶需要过冷度？它对结晶后晶粒大小有何影响？为什么？答：过冷度是指金属其熔点（理论结晶温度）与实际结晶温度的差值，合金的过冷度等于其相图中液相线温度与实际结晶温度的差值。过冷度是指平衡结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。根据热力学第二定律，在等温等压条件下，一切自发过程都朝着使系统自由能降低的方向进行。从液、固金属自由能G与温度T的关系曲线可知，二曲线相交点对应的温度称为平衡结晶温度。在低于平衡结晶温度时，固体的自由能低于液体的自由能，液体结晶为固体为自发过程，所以要使液体结晶，就必须具有一定的过冷度，以提供结晶的驱动力，过冷度愈大，液体结晶的倾向愈大。过冷度愈大，冷却速度越大，生核速率就越大，晶粒就越细小作业四1、根据铁