工程材料基础知识要点

第一章机械零件的失效分析一、基本要求本章主要介绍了机械零件在常温静载下的过量变形、在静载和冲击载荷下的断裂、在交变载荷下的疲劳断裂、零件的磨损失效和腐蚀失效以及在高温下的蠕变变形和断裂失效。要求学生掌握全部内容。二、重点内容1零件的过量变形以及性能指标,如屈服强度、抗拉强度、伸长率、硬度等。2零件在静载和冲击载荷下的断裂及性能指标，如冲击韧性、断裂韧性等。3零件在交变载荷下的疲劳断裂、疲劳抗力指标及影响因素。4零件的磨损和腐蚀失效以及防止措施。5零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。三、难点断裂韧性及衡量指标，影响断裂的因素。四、基本知识点第一节零件在常温静载下的过量变形1、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。弹性变形：外力去除后可恢复变形。塑性变形：外力去除后不可恢复。低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有图1-1所示的应力-应变行为。即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。2、静载试验材料性能指标刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。强度：材料抵抗变形或者断裂的能力，屈服强度、抗拉强度、断裂强度。弹性指标：弹性比功。塑性指标：伸长率、断面收缩率。硬度：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、维氏硬度（HV）3过量变形失效过量弹性变形抗力指标：弹性模量E或者切变模量G。过量塑性变形抗力指标：比例极限、弹性极限或者屈服强度。第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂1、基本概念断裂：材料在应力作用下分为两个或两个以上部分的现象。韧性断裂：断裂前发生明显宏观塑性变形。脆性断裂：断裂前不发生塑性变形，断裂后其断口齐平，由无数发亮的小平面组成。2、冲击韧性及衡量指标冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力，是材料强度和塑性的综合表现。冲击试验与衡量指标：冲击吸收功Ak或冲击韧度ak。工程材料的冲击吸收功通常是在室温测得，若降低试验温度，在低温下不同温度进行冲击试验（称之为低温冲击试验或系列冲击试验），可以得到冲击吸收功Ak随温度的变化曲线，如图1-3所示。TK为韧脆转变温度：Ak-T曲线上冲击吸收功急剧变化的温度。当试验温度低于TK时，冲击吸收功明显降低，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。3、断裂韧性及衡量指标断裂韧度KIC：是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力,单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/2图1-1低碳钢拉伸时的应力-应变曲线示意图图1-2三种类型材料的应力-应变曲线示意图1-纯金属2-脆性材料3-高弹性材料图1-3三种钢的冲击韧性随温度变化曲线示意图断裂判据：KIKIC构件安全；KIKIC构件发生脆性断裂；KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件4、影响脆性断裂的因素决定材料断裂类型的主要因素有：加载方式、材料本质、温度、加载速度、应力集中及零件尺寸。加载方式不同，断裂方式不同；一般降低温度和增加加载速度都会引起材料催化；应力集中改变了应力状态，σmax↑，τmax↓，α↓；单向拉伸α＝0.5，而缺口拉伸试样α0.5，易引起脆断，应力集中会引起材料脆化；薄板处于平面应力状态，α较大，厚板处于平面应变状态，α较小，易产生脆断。第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂1、基本概念交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。2、疲劳断口的特点疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。疲劳断裂特征：1）断裂应力低；2）无明显宏观塑变；3）断口清楚显示裂纹形成、扩展和断裂阶段。3、疲劳抗力指标无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度。带裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth和裂纹扩展速率da/dN。4、影响疲劳抗力的因素载荷类型：拉压、扭转与旋转弯曲等；材料本质：不同材料有不同的疲劳曲线，σr、q、da/dN、KIC及Kth不同；零件表面状态：零件的表面缺陷（如裂纹、刀痕等）对其强度影响不大，但疲劳极限有显著影响；工作温度：T↑σs↓σr↓，ΔKth↓，da/dN↑；腐蚀介质：在腐蚀介质作用下，σr↓，ΔKth↓，da/dN↑。第四节零件的磨损失效1、磨损的基本概念磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。2、磨损的过程和机理粘着磨损：1）定义：又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦副的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。2）过程：3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。4）防止措施：合理选材，摩擦副配对材料选用硬度差较大的材料；提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。磨粒磨损：1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。2）过程：3）防止措施：提高表面硬度（从选材与材料表面处理方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）：1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。图1-5疲劳曲线示意图2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。三种主要形式：麻点剥落、浅层剥落、硬化层剥落3）主要防止措施：提高材料硬度；提高材料纯度；提高零件心部和表面强度；减小表面粗糙度。第五节零件的腐蚀失效1、腐蚀的定义和分类腐蚀：材料表面和周围介质发生化学反应或者电化学反应所引起的表面损伤现象。分类：化学腐蚀和电化学腐蚀。2、腐蚀过程及防止化学腐蚀过程（以高温氧化腐蚀为主），高温氧化过程：1）金属失去电子成为金属离子；2）氧原子吸收电子成为氧离子；3）金属离子和氧离子结合为金属氧化物基体金属能否继续氧化，取决于氧化物薄膜是否致密。提高钢抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，与氧结合形成致密的氧化物膜，防止基体金属进一步氧化。电化学腐蚀条件：金属间存在电极电位差，并且相互接触并处于相互联通的电介质溶液中形成微电池。过程：阳极：失去电子，M®Mn++ne（被腐蚀）阴极：发生析氢反应或者吸氧反应特点：速度快、选择性常见局部腐蚀：电偶腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀（不锈钢）。应力腐蚀：定义：零（构件）在拉应力和特定介质联合作用下产生的低应力脆断现象。特点：拉应力小；介质腐蚀性弱；易忽视3、零件防止腐蚀的措施对于化学腐蚀：选择抗氧化材料如耐热钢、高温合金、陶瓷材料等，零件表面涂层。对于电化学腐蚀：选择耐腐蚀材料；表面涂层；电化学保护；加缓蚀剂。对于应力腐蚀：减小拉应力；去应力退火；选择KIscc高的材料；改善介质条件。第六节零件在高温下的蠕变变形和断裂失效1、材料在高温下的力学行为1）材料的强度随温度的升高而降低。2）高温下材料的强度随时间的延长而降低。3）高温下材料的变形量随时间的延长而增加。蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。图1-7典型的蠕变曲线2、评价材料高温力学性能指标蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标称为蠕变极限。表示方法：在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值；给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量δ的应力值持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示。3、高温下零件的失效和防止高温下零件的失效形式：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。防止措施：正确选材（选熔点高、组织稳定的材料）；表面镀硬铬、热喷涂铝和陶瓷等第二章碳钢一、基本要求本章主要介绍了纯铁的组织和性能、Fe-Fe3C图的分析和应用、压力加工对钢的组织和性能的影响等内容。通过本章的学习，要求学生能够掌握晶体结构与晶体缺陷的基本概念、铁碳合金的结晶过程分析与压力加工对钢的组织和性能的影等知识。二、重点内容1纯铁的结晶过程、纯铁的晶体结构、纯铁的同素异构转变。2铁和碳的相互作用、铁碳合金中的相和组织组成物。3二元相图的杠杆定律、Fe-Fe3C相图分析及应用。4压力加工对钢的组织和性能的影响。三、难点应用杠杆定律计算碳钢在室温下的组织组成物和相组成物的质量分数。四、基本知识点第一节纯铁的组织和性能1、过冷现象和过冷度纯铁结晶时，实际开始结晶温度与理论结晶温度之间的温度差△T（＝T0－Tn），称为过冷度。过冷度是一切物质结晶的必要条件，液体冷速越快，过冷度越大，液体与固体间的自由能差△F（＝FL－Fs）越大，物质结晶的驱动力越大。图2-1纯铁的冷却曲线（部分）图2-2液体和固体自由能随温度的变化2、纯铁的结晶过程在液体中形成的稳定微小晶体称为晶核，纯铁的结晶过程是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。由一个晶核长成的晶体称作晶粒，由许多晶粒组成的晶体称作多晶体。多晶体结晶时，冷却速度越快、过冷度越大、形核数量越多、晶粒越细。金属的晶粒越细，其强韧性越好。3、晶体结构基本概念晶体：指原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。晶体结构：指晶体中的原子（离子或分子）在空间的具体排列。晶胞：是能够反映晶格中原子重复排列规律的最基本单元。金属中常见的晶体结构有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。图2-4三种常见的金属晶胞a）体心立方晶胞b）面心立方晶胞c）密排六方晶胞4晶体缺陷的基本概念按照晶体中原子排列不规则区域的尺寸大小，将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷：指原子排列的不规则区域在空间三个方向上尺寸都是很小的一种缺陷，如空位、间隙原子和置换原子。线缺陷：指原子排列的不规则区域在空间一个方向上尺寸很大，而在另外两个方向尺寸是很小的一种缺陷，如刃型位错。面缺陷：指原子排列的不规则区域在空间两个方向上尺寸很大，而在另外一个方向尺寸是很小的一种缺陷，如晶界、亚晶界。在点缺陷、线缺陷和面缺陷附近，原子都偏离了原来的平衡位置，使晶格发生畸变，对晶体的性能会产生明显的影响。晶体缺陷越多，金属强度越高。细晶强化是提高金属材料强度的重要方法。5、纯铁的晶体结构及同素异构转变纯铁结晶完成后，固态纯铁在随后的冷却过程中还会发生两次晶体结构转变。这种同一元素在固态下随温度变化而发生的晶体结构转变，称为同素异构转变。铁碳合金正是因为具有同素异构转变，所以才能通过热处理来改变其内部结构，改变其性能。第二节铁碳合金中的相和组织组成物1、铁和碳形成固溶体固溶体：是溶质原子溶入溶剂中形成的均匀晶体。溶质和溶剂的原子尺寸相差较小时，两者之间能够形成置换固溶体。溶质和溶剂的原子尺寸相差很大时，两者之间能够形成间隙固溶体。碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，称为铁素体，以α或F表示。碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，称为奥氏体，以γ或A表示。由于形成固溶体时溶剂晶格能产生畸变，所以便会导致材料强度、硬度升高，塑性、韧性降低。固溶强化：指通过形成固溶体而导致的材料强度升高现象。与加工硬化、细晶强化一样，固溶强化也是提高材料强度的重要方法。2、碳和铁形成化合物当碳在和中的含量超过了碳的溶解度极限时，碳原子便会与铁原子形成渗碳体。渗碳体：含碳量为6.69%，具有正交晶体结构。特点：熔点高、硬而脆，塑性几乎等于零。渗碳体对铁碳合金性能的影响，与其形态有关。当渗碳体以细小的片状或球状出现时，对铁碳合金具有强化作用。3、铁碳合金中的相和组织组成物系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部份被称为相。F、A和Fe3C是铁碳合金中的基本相。这些可独立存在的基本相，以及由这些基本相所组成的混合物，又可称为是铁碳合金的组织组成物。组织组成物：是指构成显微组织的独立部份。4、相图的基本概念相图是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下其所含的相或组织与温度以及成分之间关系的一种图形。匀晶转变：是指从液相中直接结晶出单相固溶体的转