本次课内容 第8章 零件失效分析与选材原则 8.1、机械零件的失效 1、畸变失效 2、断裂失效 3、磨损失效 4、腐蚀失效 8.2、机械零件失效分析 1、零件失效基本原因 2、零件失效分析 8.3、机械零件选材原则 1、使用性能原则 2、工艺性能原则 3、经济及环境友好性原则
本次课内容 第8章 零件失效分析与选材原则 8.1、机械零件的失效 8.2、机械零件失效分析 8.3、机械零件选材原则 1、畸变失效 2、断裂失效 3、磨损失效 4、腐蚀失效 1、零件失效基本原因 2、零件失效分析 1、使用性能原则 2、工艺性能原则 3、经济及环境友好性原则
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures) 零件的尺寸、形状、性能 畸变失效Distortion failure 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 1)、弹性畸变失效 √弹性畸变与零件形状、尺寸、 elastic distortion failure 弹性模量、温度、载荷有关。 Elastic distortion is not always indications of failure. Springs of all types are an obvious example of a cyclic elastic distortion by design. The vehicle components must possess a combination of strength and the capability to deform and absorb the energy of the collision,hereby reducing the forces and energy experienced by the occupants
8.1 机械零件的失效（failures） 1、畸变失效 Distortion failure ✓ 弹性畸变 与零件形状、尺寸、 弹性模量、温度、载荷有关。 1)、弹性畸变失效 elastic distortion failure 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓零件形状：等量相同材料时，截面形状对刚度影响大。 工字形 > 立矩形 > 正方形 > 薄板形 ✓材料性能：高弹性模量材料，弹性变形小，表8-1。 e e E = Elastic distortion is not always indications of failure. Springs of all types are an obvious example of a cyclic elastic distortion by design. The vehicle components must possess a combination of strength and the capability to deform and absorb the energy of the collision, hereby reducing the forces and energy experienced by the occupants
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures) 零件的尺寸、形状、性能 畸变失效Distortion failure 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 2)、塑性畸变失效 塑性畸变材料承受的应力超过 plastic distortion failure 屈服极限引起的。 设计中进行强度计算时，一般公式为 [o]≤ Warpage during heat treatment or during stress-relief annealing is also a common type of distortion failure. Warpage can result from changes in residual stress or from thermal or phase transformation induced stresses and strains that are introduced during heating or cooling
8.1 机械零件的失效（failures） 1、畸变失效 Distortion failure ✓ 塑性畸变材料承受的应力超过 屈服极限引起的。 2)、塑性畸变失效 plastic distortion failure 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓设计中进行强度计算时，一般公式为 k s [ ] 3)、翘曲畸变失效 warpage distortion failure ✓ 翘曲畸变是复杂应力引起材料 在不同方向上产生了变形。 Warpage during heat treatment or during stress-relief annealing is also a common type of distortion failure. Warpage can result from changes in residual stress or from thermal or phase transformation induced stresses and strains that are introduced during heating or cooling
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures) 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 2、 断裂失效Fractured failure 指定的功能。 1)、韧性断裂 韧性断裂材料断裂之前发生 Ductile Fracture 明显塑性变形的断裂。 宏观特征 √微观特征 Macroscale fractography features Microscale fractography features The classic cup-and cone fracture surfac typically has three distinct surface textures:the centra geometry fibrous zone,radial marks,and shear lip 20 um
8.1 机械零件的失效（failures） 2、断裂失效Fractured failure ✓ 韧性断裂 材料断裂之前发生 明显塑性变形的断裂。 1)、韧性断裂 Ductile Fracture 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓宏观特征 Macroscale fractography features b ✓微观特征 Microscale fractography features 缩颈 necking 韧窝 dimples Fig. 9 Schematic of fracture surface regions in cylindrical tension-test specimens The classic cup-andcone fracture surface typically has three distinct surface textures: the central geometry fibrous zone, radial marks, and shear lips
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效（failures) 零件的尺寸、形状、性能 2、断裂失效Fractured failure 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 2)、脆性断裂 √脆性断裂材料断裂之前没有或 Brittle Fracture 很小的塑性变形的断裂。 √宏观特征 √微观特征 Macroscale fractography features Microscale fractography features 穿晶断裂河流花样 沿晶断裂 冰糖花样 334m
8.1 机械零件的失效（failures） 2、断裂失效Fractured failure ✓ 脆性断裂 材料断裂之前没有或 很小的塑性变形的断裂。 2)、脆性断裂 Brittle Fracture 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓宏观特征 Macroscale fractography features ✓微观特征 Microscale fractography features 穿晶断裂-河流花样 沿晶断裂- 冰糖 花样
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures) 零件的尺寸、形状、性能 2、断裂失效Fractured failure 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 4)、疲劳断裂 疲劳断裂长期交变应力作用而 √ Fatigue fracture 产生的断裂。 宏观特征 微观特征 Macroscale fractography features Microscale fractography features Shear lip Progressive flat (slant fracture) Fig.32 Transmission electron fatigue fracture with curved fractograph of aluminum alloy beach marks -Fast laboratory spectrum loading fatigue test. overload fracture Striation spacing varies according to Origin 1 loading,which consisted of ten cycles at Ratchet mark a high stress alternating with ten cycles Origin 2 at a lower stress.The fracture surface exhibits bands of ten coarse striations alternating with bands of ten fine striations
8.1 机械零件的失效（failures） 2、断裂失效Fractured failure ✓ 韧性-脆性断裂 是塑性与脆性 混合的断裂。 3)、韧性-脆性断裂 Ductile brittle fracture 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓ 疲劳断裂 长期交变应力作用而 产生的断裂。 4)、疲劳断裂 Fatigue fracture ✓宏观特征 Macroscale fractography features ✓微观特征 Microscale fractography features Fig. 32 Transmission electron fractograph of aluminum alloy laboratory spectrum loading fatigue test. Striation spacing varies according to loading, which consisted of ten cycles at a high stress alternating with ten cycles at a lower stress. The fracture surface exhibits bands of ten coarse striations alternating with bands of ten fine striations
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures)) 零件的尺寸、形状、性能 2、断裂失效Fractured failure 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 5)、蠕变断裂 蠕变是高温下受应力作用时， Creep fracture 变形量随时间逐渐增大的过程。 Fig.38 Wedge cracking in 316 stainless steel that failed by creep at high stress and a temperature of approximately 700 ℃1290T).0 xalic acid etch 0.1mm
8.1 机械零件的失效（failures） 2、断裂失效Fractured failure ✓ 蠕变 是高温下受应力作用时， 变形量随时间逐渐增大的过程。 5)、蠕变断裂 Creep fracture 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 Fig. 38 Wedge cracking in 316 stainless steel that failed by creep at high stress and a temperature of approximately 700 ℃(1290 ℉). Oxalic acid etch
第8章零件失效分析与选材原则 8.1机械零件的失效(failures) 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 3、磨损失效Wear failure 指定的功能。 1)、基本类型 √腐蚀磨损Corrosive Wear 摩擦与化学或电化学反应同在而引起的磨损 Fig.1 Worn wire screen in minerals processing plant showing effects of sliding wear in moist environment Sliding wear can occur for example,in an ore chute in a minerals processing plant, where moist ore particles slide on an inclined platform,chute,or screen. Figure I shows a worn wire-cloth screen in a minerals processing plant
8.1 机械零件的失效（failures） 3、磨损失效 Wear failure 1)、基本类型 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓粘着磨损FrettingWear 两表面局部微凸粘结在一起，发生材料的转移 磨料磨损Abrasive Wear 外来硬颗粒对材料表面造成损伤 表面疲劳磨损Rolling Contact Fatigue 表面在交变接触应力作用下因疲劳产生的磨损 冲刷磨损ErosiveWear 含固体颗粒流体的高速冲刷而引起的磨损 腐蚀磨损Corrosive Wear 摩擦与化学或电化学反应同在而引起的磨损 Fig. 39 Automotive front-wheel bearing that failed by fretting of raceways on inner and outer 52100 steel rings. Dimensions given in inches Fig. 1 Typical morphology of fatigue spall in rolling-element bearings. (a) Fatigue spall centered on a ball bearing raceway. (b) Fatigue spall on 12.7 mm (0.5 in.) diameter steel ball obtained using rolling four-ball machine Fig. 7 Changing pattern of wear and, hence, changing angle of impingement, at bend in pipe. Fig. 1 Worn wire screen in minerals processing plant showing effects of sliding wear in moist environment Sliding wear can occur, for example, in an ore chute in a minerals processing plant, where moist ore particles slide on an inclined platform, chute, or screen. Figure 1 shows a worn wire-cloth screen in a minerals processing plant
PEEKK+15 CF.PTFE ▣PEEK+1CF,PTFE,gr 160 PEEK+15 PTFE,gr A PBI Ws=5.2×10-15m3/Nm 80 Ws=7.7×10-15m3Nm Ws=1.5×10-15m3/Nm 10 20 30 PV,MPa·m/s (b) Fig.13(b)Influence of pressure X velocity(PV)factor on wear rate of fiber reinforced plastics(T,220 C;V;3 m/s).Source:Ref4
8.1 机械零件的失效（failures） 3、磨损失效 Wear failure 2)、影响因素 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓ 摩擦副材料 ⚫ 互溶性 ⚫ 表面强化 ⚫ 表面缺陷 ✓ 工况参数 ⚫ PV值：接触应力、滑动速度 ⚫ 滑动距离 ⚫ 温度 ⚫ 介质 Fig. 13 (b) Influence of pressure ⚫ 润滑× velocity (PV) factor on wear rate of fiber reinforced plastics (T, 220 ℃; V, 3 m/s). Source: Ref 4
Intergranular 第8章零件失效分析与选 General comosion Pitting corrosion 8.1机械零件的失效(failu 4、腐蚀失效Corrosion 1)、均匀腐蚀 Uniform Corrosion √均匀腐蚀腐蚀均匀发生在金属 General Corrosion 的表面。 2)、点腐蚀 √点腐蚀局部呈尖锐小孔，进而 Pitting Corrosion 向深度扩展成孔洞甚至穿透。 3)、晶间腐蚀 √均匀腐蚀腐蚀发生在晶粒边界 Intergranular Corrosion 或近旁
8.1 机械零件的失效（failures） 4、腐蚀失效Corrosion failure ✓ 均匀腐蚀 腐蚀均匀发生在金属 的表面。 1)、均匀腐蚀 Uniform Corrosion General Corrosion 第8章 零件失效分析与选材原则 零件的尺寸、形状、性能 发生变化而不能圆满完成 指定的功能。 ✓ 点腐蚀 局部呈尖锐小孔，进而 向深度扩展成孔洞甚至穿透。 2)、点腐蚀 Pitting Corrosion ✓ 均匀腐蚀 腐蚀发生在晶粒边界 或近旁。 3)、晶间腐蚀 Intergranular Corrosion