7机械零件的失效与选用.ppt

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1、第七章 机械零件的失效与选用,7.1 机械零件的失效及失效分析7.2 机械零件选材原则7.3 典型零件的加工工艺,2,失效：零件在使用过程中由于某种原因而不能圆满完成指定的功能的现象。失效导致严重事故,7.1 机械零件的失效及失效分析,3,7.1.1 零件失效形式,零件失效的模式及其失效机理,4,一、畸变失效 畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。,1.弹性畸变失效刚度2.塑性畸变失效强度 3.翘曲畸变失效,5,二、断裂失效,6,（1）韧性断裂断裂前发生明显的宏观上的塑性变形断口特征：明显缩颈，杯锥状、灰暗（2）脆性断裂断裂前未发生明显的宏观上的塑性变形，或产生很小的永久变形断口特征：

2、断口平整、光亮（3）韧性脆性断裂,1.断裂失效的分类（按断裂性质）,7,（1）沿晶断裂指多晶体材料的裂纹萌生与扩展是在晶界处发生的分离过程（2）穿晶断裂指裂纹萌生和扩展是在晶粒内部发生的断裂。（3）混晶断裂,1.断裂失效的分类（按断裂路径）,8,2.断口分析方法,断裂失效分析的核心和向导断口三要素 F-纤维状区 R-放射状区（脆性特征）S-剪切唇区（灰色）,9,3.断裂的微观特征,脆性断裂断口(解理花样),沿晶断口(冰糖花样),10,三、磨损失效,磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面状态和尺寸改变的现象。,活塞环与缸套之间的摩擦,11,1.磨损失效的基本类型,（1）粘着磨损（2）磨料

3、磨损（3）表面疲劳磨损（4）冲刷磨损（5）腐蚀磨损,12,粘着磨损示意图,局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间,（1）粘着磨损,粘着磨损磨痕,13,外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤的磨损。主要特征是表面被犁削形成沟漕。,（2）磨粒（料）磨损,磨粒磨损示意图,磨粒磨损磨痕,磨料磨损是最常见的、危害最为严重的磨损形式。在各类磨损形式中，磨料磨损大约占50%。,14,冲刷磨损示意图,接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失。齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与外座圈、轮箍与钢轨等都可能产生表面疲劳磨损。

4、形成麻坑。,（3）表面疲劳磨损,（4）冲刷磨损 含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失,（5）腐蚀磨损摩擦的同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。,15,（1）摩擦副材质 互溶性；表面强化处理情况；表层组织和结构缺陷。（2）工况参数 接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。,2.影响磨损失效的基本因素,16,1.均匀腐蚀全面腐蚀2.点腐蚀局部腐蚀3.晶间腐蚀局部腐蚀,四、腐蚀失效,腐蚀：材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。,17,断裂仅占5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%,齿面接触疲劳,轴瓦磨损,失效统计：,18,7.1

5、.2 失效分析的基本方法,任务：找出失效的主要原因，制订改进措施。,导致零件失效的主要原因的示意图,19,1.事故调查 失效现场；背景材料。2.资料搜集3.实验分析 失效机械的结构分析宏观和微观断口分析失效件材料的成分分析金相分析失效件材料的组成相分析失效件材料的力学性能检测、应力分析、测定4、分析结果提交：提出失效性质、失效原因，预防措施或建议，提交失效分析报告。,失效分析程序：,20,7.2 机械零件选材原则,7.2.1 使用性能原则（首要原则）,材料的使用性能应满足使用要求,使用性能是零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。,大量机器零件和工程构件,特殊条件下工作的零

6、件,21,（1）受力状况 载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式（拉伸）；载荷的特点（均匀、集中）等。（2）环境状况 温度特性、介质情况等。（3）特殊要求 对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。,零件使用时的工作条件,22,零件根据使用性能选材的步骤,零件工作条件和失效形式分析，确定使用性能要求；性能要求指标化：如强硬度、塑韧性等的具体数值。几何形状、尺寸及载荷，计算应力分布；利用手册选材。局限性：力学性能与零件尺寸有关,23,7.2.2 工艺性能原则,满足生产工艺的要求,图8-4 高分子材料的加工工艺路线,24,图8-5 陶瓷材料的加工工艺路线,25,金属

7、材料零件选材的工艺性能原则,图8-6 金属材料的加工工艺路线,26,3.精密金属零件的工艺路线（精密丝杠、镗床主轴）毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理或氮化精加工稳定化处理零件。,1.一般金属零件的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。,2.性能要求较高的金属零件的工艺路线（轴、齿轮 等）毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火+回火，固溶时效或渗碳等)精加工零件。,工艺性能：铸、锻、焊、机加工、热处理,27,一、材料的价格 应该尽量低。占30%70%,7.2.3 经济性与环境友好性原则,三、国家的资源 来源丰富并顾及我

8、国资源状况。四、材料的环境友好与循环使用提倡绿色制造，使用材料与环境友好，不污染环境，可循环使用。使用可降解性塑料。,二、零件的总成本 生产和使用的总成本最低。与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。,28,7.3.1 齿轮选材7.3.2 轴类零件选材7.3.3 弹簧选材7.3.4 刃具选材,7.3 典型工件的选材与工艺,29,7.3.1 齿轮选材,1 齿轮的工作条件,(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力作用。,30,2 齿轮的失效形式,31,(1)

9、高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。(4)较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小等。,3 齿轮材料的性能要求,32,性能要求主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。,4 齿轮类零件的选材,选用低、中碳钢或其合金钢，表面强化处理,33,传递动力，改变运动速度和方向工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。可选中碳钢（45钢）制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢（40Cr钢）,5 典型齿轮选材举例,工艺路线：下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一

10、轮齿高频淬火+低温回火一精磨,（1）机床齿轮,机床变速箱齿轮,34,热处理的目的正火处理可消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性。高频淬火+低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序。通过高频淬火，提高轮齿表面硬度，提高表面耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破坏的能力。低温回火消除淬火应力。,工艺路线：下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一轮齿高频淬火+低温回火一精磨,35,例 题,C618机床变速箱齿轮（尺寸不大，厚15mm）工作时转速较高，性能要求如下：齿的表面硬度5056HRC，齿心部硬度2225HRC，整体强

11、度b=760800MPa，整体韧性K=4060J/cm2。请从下列材料中进行合理选用，并制订其工艺流程：35、45、T12、20CrMnTi、38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti、W18Cr4V。,选用45钢制造，较为合适。其加工工艺路线为：下料锻造正火（840860空冷）机加工调质（840860水淬，500550回火）精加工高频表面淬火（880900水冷）低温回火（200回火）精磨。,36,（2）汽车齿轮,汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。采用低碳合金钢进行渗碳处理来作重要齿轮。20Cr或20CrMnTi,齿轮的工艺路线为：下料一

12、锻造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷丸一磨削加工,汽车后桥齿轮,37,热处理目的：正火：消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，改善齿轮表面加工质量。渗碳、淬火及低温回火：渗碳后表面碳含量大大提高，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。喷丸处理增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。,下料一锻造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷丸一磨削加工,38,例 题,有一载重汽车变速箱齿轮，使用中受一定冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为5863HRC，齿心部硬度33

13、45HRC，其余力学性能要求为:b 1000Mpa，-1440Mpa，a K 95J/cm2。试从下列材料中选择制造该齿轮的合适钢种，制订工艺流程，分析每步热处理的目的及其组织。35、45、T12、20CrMnTi、38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti、W18Cr4V。,制造该齿轮的适宜钢种为20CrMnTi,39,加工工艺路线：下料锻造正火（950970空冷）机加工渗碳（920950渗碳68小时）预冷淬火（预冷至870880油冷）低温回火喷丸磨削。热处理的目的及相应组织：正火：细化、均匀组织，改善锻造后组织，提高其切削加工性。组织为S。渗碳：表面获得高碳，保证经淬火后得到高硬度、高耐磨性。

14、渗碳温度下对应的组织为。预冷淬火：齿表面获得高硬度、高耐磨性，组织为高碳+碳化物+残余A；齿心部强、韧结合，组织为低碳+F+T。低温回火：减少淬火应力、稳定组织，组织为：表面M回+碳化物+残余A，心部M回+F+T。,40,(1)轴类零件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。,7.3.2 轴类零件选材,1 轴类零件的工作条件,41,(1)长期交变载荷下的疲劳断裂(2)过量变形甚至断裂;(3)表面过度磨损等。,2 轴类零件的失效方式,(1)良好的综合机械性

15、能(2)高的疲劳强度(3)高耐磨性(4)良好的切削加工性能，价格便宜。,3 轴类零件的性能要求,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损,42,一般轴类零件：碳钢：35、40、45、50 钢热处理：正火、调质或表面淬火,性能指标：强度、冲击韧性和表面耐磨性。材料：一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。,载荷较大，限制外形、尺寸和重量，或轴颈耐磨性要求高：合金钢例：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等,4 轴类零件材料及选材方法,球墨铸铁和高强度灰铸铁也可作曲轴的材料。,43,5 典型轴的选材,（1）机床主轴选材（C620车床主轴）交变弯曲和扭转，但载荷和转速均不高，冲击

16、载荷也不大具有一般综合机械性能，大端轴颈等部位耐磨性高,44,选材：45钢热处理：调质处理，有摩擦部位进行表面淬火性能指标 硬度220250HB，轴颈52HRC。工艺路线 锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火磨削最终组织 心部：S回轴颈表面：M回如果这类机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，如20Cr或20CrMnTi等,45,受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力 形状极不规则，应力分布很不均匀 曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。失效形式：疲劳断裂和轴颈严重磨损材料要求：高强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈还应有

17、高的硬度和耐磨性。,（2）内燃机曲轴选材,46,实际生产中按制造工艺分锻钢曲轴和铸造曲轴两种锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr，35CrMo钢等。工艺路线：模锻-调质-切削加工-轴颈表面淬火+低温回火 磨削,47,铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁以及合金铸铁等制造，如ZG45、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4。工艺路线：铸造一高温正火一高温回火一切削加工一轴颈气体渗氮高温正火获得细P基体的组织，以满足强度要求高温回火消除正火时产生的内应力轴颈气体渗氮在保证不改变组织及加工精度的前提下提高轴颈表面硬度和耐磨性。,4

18、8,例 题,175A型农用柴油机曲轴-载荷不大性能指标：b750MPa，整体硬度240260HBS，轴颈表面硬度625HV(HRC55),2%,aKU150kJ/m2,49,选材 QT700-2热处理工艺 高温正火950+高温回火560+轴颈氮化570 最终组织 P+G+少量F 工艺路线 铸造高温正火高温回火机加工轴颈氮化,50,思考题,1.欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10）。2.某汽车变速箱齿轮，要求b1080MPa，aKU255J，齿面硬度HRC58，试选一材料，制定最终热处理工艺，分

19、析每步热处理后组织。3.选材设计一个车床主轴。要求：该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，轴肩位置需要耐磨，经适当热处理后能有良好的综合机械性能，请选材，并设计热处理工序，分析每步热处理后组织。（第2、3题的待选材料：H70、20CrMnTi、T10、GCr15、60Si2Mn、45、Q390、2Cr13、LC4、40Cr、Cr12MoV）,51,答：选材 20CrMnTi，b1100MPa，aKU255J，齿面HRC5863。热处理工艺 930渗C+预冷830油淬+200回火最终组织 心部：M回+F齿面：M回+碳化物+A,答：选材 45。下料锻造正火粗加工调质精

20、加工局部表面淬火+低温回火精磨成品,52,1.弹簧的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件 1）弹簧在外力作用下，材料将承受弯曲应力或扭转应力。2）承受交变应力和冲击载荷的作用。3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。,7.3.3 弹簧类零件的选材,53,（2）主要失效形式 1）塑性变形 2）疲劳断裂 3）快速脆性断裂 4）腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。,（3）对弹簧用材性能要求 1）高的弹性极限和屈强比（s/b）。2）高的疲劳强度。3）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性。,54,2.弹簧零件的选材（1）汽车板簧 一般选用65Mn、

21、60Si2Mn钢制造。重型载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnMoVNb钢制造。（2）火车螺旋弹簧 可使用50CrMn、55MnMo等钢制造。,55,56,1.刃具的工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件 1）刃具在切削材料时，承受很大的弯曲应力，某些刃具（如钻头、铰刀）还会受到较大的扭转应力。2）刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃部温度可升到500 C600 C。3）机用刃具往往承受较大的冲击与震动。,7.3.4 刃具选材,57,（2）主要失效形式 1）磨损 2）断裂 3）刃部软化,（3）对刃具材料的性能要求高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62 HRC；高的红硬性；强韧性好

22、；高的淬透性。可采用较低的冷速淬火，防止刃具变形和开裂,58,材料：碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷（1）简单的手用刃具，如手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。如T8、T10、T12钢等。碳素工具钢价格较低,但淬透性差。（2）低速切削、形状较复杂的刃具，如丝锥、板牙、拉刀等可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造。因钢中加入了Cr、W、Mn等元素,使钢的淬透性和耐磨性大大提高,耐热性和韧性也有所改善,可在 300 C的温度下使用。,2.刃具的选材,59,1）高速钢(W18Cr4

23、V、W6Mo5Cr4V2）2）硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物(TiC、WC)和金属用粉末冶金方法制成,常用硬质合金的牌号有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬质合金的硬度很高(89HRA94HRA),耐磨性、耐热性好,使用温度可达1000 C。3）陶瓷 陶瓷硬度极高、耐磨性好、红硬性极高,也用来制造刃具。热压氮化硅(Si3N4)陶瓷显微硬度为5000 HV,耐热温度可达1400 C。立方氮化硼的显微硬度可达8000 HV9000 HV,允许的工作温度达1400 C1500 C。,（3）高速切削用的刃具,60,引 用 及 版 权 声 明,本课件的内容涉及到引用国内外学者的专著、教材、论文、课件、报告及一些网站等，没有逐一注释，向相关者表示感谢！本课件仅用于课堂教学和学生学习，不得用于商业活动，课件制作者保留相关权利！,61,Thanks for attention!,