机械工程材料 第8章 第八章 失效分析、材料选择及热处理工艺

1、1 mechanical engineering materials 2 8.1 8.1 零件的失效分析零件的失效分析 8.2 8.2 零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择 8.3 8.3 典型零件、工具的材料选择与热处理工艺典型零件、工具的材料选择与热处理工艺 第八章第八章 失效分析、材料选择及热处理工艺失效分析、材料选择及热处理工艺 3 8.1 8.1 零件的失效分析零件的失效分析 8.1.1 失效的概念与形式 8.1.2 失效的原因及分析 8.1.3 失效分析实例 4 失效分析的重要性失效分析的重要性 零件失效是不可避免的。任何一个零件，都有其设计寿命。 但有些零件可能会因各种原因，

2、其运行寿命远远低于设计 寿命就发生早期失效，从而带来严重安全隐患，甚至酿成 重大事故。 1943年美国 t-2油轮断裂 5 u零件丧失使用功能，称为失效。 u正常失效：零件在达到或超过设计的预期 寿命后 发生的失效。 u非正常失效：在低于设计预期寿命时发生的失效。 u突发性失效：例如:桥梁倒塌、油轮断裂等 失效的概念失效的概念 6 零件常见的失效形式一般可分为断裂失效、过量变形失效和 表面损伤失效三大类。 （1）断裂失效 零件失效的主要形式，也是最严重的失效形式，它是因零件 承载过大或因疲劳损伤等发生破断。 （2）过量变形失效 指零件变形量超过允许范围而造成的失效，主要有过量弹性 变形失效和过

3、量塑性变形失效。 失效的形式失效的形式 7 （3 3）表面损伤失效）表面损伤失效 指零件的表面及附近材料失去正常工作所必须的形状、 尺寸和表面粗糙度造成的失效。 除上述几种失效形式外，材料的老化也会导致失效。 例如，高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变 硬或变软、变黏，从而失去原有性能指标，通常称为 高分子材料的老化高分子材料的老化。 老化是高分子材料不可避免的现象。 8 （1）设计不合理 （2）选材不合理 （3）装配使用不当 （4）加工工艺不当 失效的原因失效的原因 9 失效分析方法失效分析方法 （1）取样，先拍照记录现场，再收集失效零件残体，确 定分析区域，样品应取自失效的发源部位，或

4、能反映失效 的性质或特点的地方。 （2）整理失效零件的有关资料，包括设计文件、工艺文 件及使用维修记录等。 （3）对样品进行宏观、微观的断口分析、金相剖面分析， 确定失效的发源地及失效的形式。 10 （4）测定样品的必要数据，包括设计性能指标及与失效 有关的性能指标，材料的组织及化学成分。必要时作断 裂力学分析。 （5）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原 因，提出改进措施，写出分析报告。 11 某型号面包车正常行驶256km后，半轴发生断裂。 失效分析实例失效分析实例 12 断裂汽车半轴的材料为40cr，直径为48mm。 加工制造工艺过程为： 下料锻造正火粗加工调质精车、钻孔、制齿键

5、 中频淬火、回火磨削探伤。 13 取样、观察和测试： 在凸缘与杆连接的轴台阶转角处起裂， 并向内扩展至轴的中心部位最后断裂。 整个断口呈斜坡状，未见明显塑性变 形，断面颜色为暗灰色，靠近断裂源 的断面较平整，宏观可见明显的贝纹 线，具有疲劳断裂特征，为裂纹扩展 区；其余断面呈纤维状，凹凸变化较 大，具有塑性断裂特征，为最后的瞬 断区。 14 在断裂源附近取样，经镶嵌、磨光、抛光后制成金相试样。用 扫描电镜进行夹杂物观察，断口表面处存在较多的非金属夹杂 物，主要有a类条状硫化物夹杂和d类球状氧化物夹杂。 15 能谱分析： 因夹杂物数量多、尺寸大，用能谱仪对夹杂物成分进行 分析后发现球形夹杂物为复

6、合氧化物，其成分与冶炼炉渣相 近。 原因： 由于采用上铸法浇注时炉渣容易混于钢液中，小铸锭的 凝固较快，没有足够的时间使其浮出而残留下来的。而条状 硫化物夹杂主要为硫化铁和硫化锰，是由于钢材在轧制时发 生变形所致。 16 下图为半轴断口的扫描电镜（sem）形貌，可见裂纹源处 的断口呈典型的脆性断裂特征，没有观察到具有塑性特征 的韧窝。 17 显微组织为粗大的回火马氏体；在凸缘与杆连接的轴台 阶处存在明显的表面脱碳层，在表面脱碳层中发现有多 个表面裂纹源，裂纹先沿表面扩展，然后转向垂直于表 面生长。 18 原因分析之一： 材料本身质量较差，较大尺寸和较好数量的非金属夹杂物 的存在不仅降低了钢的塑

7、性、韧性，同时破坏了钢基体的 均匀性、连续性，成为疲劳源，在外力作用下，沿夹杂物 与其周围金属基体的界面开裂，形成疲劳裂纹。 19 原因分析之二： 断裂半轴经热处理，得到粗大回火马氏体，说明中频淬火 温度相对较高，引起晶粒粗大；回火时间过短，致使硬度 偏高。断裂半轴表面存在脱碳层，是由于在调质处理后进 行精加工时，加工余量太小，未能把脱碳层去除掉。 20 结论： 主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱碳 层，在高的扭转疲劳剪应力作用于形成裂纹源；40cr钢 中含有较多的大尺寸非金属夹杂物；此外，热处理工艺 不当，中频感应淬火温度偏高且回火不足，使材料的综 合力学性能变差，使表面萌生的裂

8、纹在应力作用下迅速 扩展，导致半轴发生早期疲劳断裂。 21 8.2 8.2 零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择 u 选材的基本原则 u 选材的一般步骤及注意事项 22 选材的基本原则 u使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 u工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。 u经济性：是指材料加工成零件，它的生产和使用总成 本最低。总成本包括材料本身的价格、加工费、试验 研究费、维修管理费等费用，有时甚至还要包括运费 和安装费用。 23 选材的一般步骤及注意事项 u从材料的使用性能、工艺性能和经济性三个方面进行综合分析， 在满足使用性能要求的前提下，考虑工艺性能和经济性。 24 根据使用性能

9、选材： （1）分析零件的工作条件 （2）分析零件的失效形式 （3）将对零件的使用性能指标要求转化为对材料 性能指标的要求 （4）材料预选（了解常用材料的主要特性） 25 根据工艺性能选材： 如果所选材料制备工艺复杂或难以加工，必然带来生 产成本提高，严重时材料无法使用。当工艺性能与使用性 能相矛盾时，有时也从工艺性能考虑，这时工艺性能成为 选材考虑的主导因素。 26 根据经济性能选材： 选材时应立足于国内和较近地区的资源，考虑货源 的生产和供应情况，所选材料的品种、规格，应尽量少 而集中，尽可能采用标准化、通用化的材料，以便于采 购、运输、保管、生产管理，同时也可降低材料成本、 减少运输、试验

10、研究费用。 27 8.3 8.3 典型零件、工具的选材与热处理工艺典型零件、工具的选材与热处理工艺 8.3.1 轴类零件 8.3.2 齿轮类零件 8.3.3 弹簧类零件 8.3.4 箱体类零件 8.3.5 常用刃具 28 8.3.1 轴类零件的选材及热处理工艺 作用作用：支撑传动零件；传递运动和动力。 种类种类：如各种传动轴、机床主轴、齿轮轴、凸轮 轴、曲轴、连杆、丝杆等。 轴的质量好坏直接影响机器的精度与寿命 29 1、轴类零件的工作条件 主要承受弯曲应力、扭转应力拉压应力；轴颈表面易产 生过量的磨损；多数轴类零件承受一定的冲击载荷和过 载产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。 2、轴类零件

11、的失效形式 疲劳断裂、断裂失效、过量变形和磨损失效等。 30 3、轴类零件的性能要求 良好的综合力学性能； 高的疲劳强度； 高的表面硬度和良好的耐磨性； 良好的切削加工性。 特殊工况下：如高温下工作的轴，要求抗蠕变性能 好；腐蚀介质中工作的轴，要求耐腐蚀性能好。 31 4、轴类零件的常用材料 大多是经锻造或轧制的低、中碳钢或中碳合金钢。有时也 采用球墨铸铁件、铸钢件或焊接件。例如，对于受力小或 不重要的轴，采用q235钢、q275钢等；对于承受中等载荷， 转速不高的轴，采用35钢、45钢等。 32 45钢为常用的中碳钢，锻造性能和切削加工性能好，价格 适当，故一般轴类零件常选此牌号。对于承受载

12、荷较大者 ，可选用40cr等中碳合金钢。也有用球墨铸铁制造机床主 轴的，如用qt700-3球墨铸铁制作磨床、铣床、车床的主 轴等。 33 5 轴类零件的加工工艺路线 较有代表性的： （1）下料锻造正火（退火）粗加工调质 精加工检验 （2）下料锻造正火（退火）粗加工调质 半精加工表面淬火精加工检验 （3）下料锻造正火粗加工半精加工渗 碳淬火并低温回火精加工检验 （4）下料锻造退火粗加工调质半精加 工去应力回火粗磨氮化精加工检验 34 例1 机床主轴的选材与工艺路线 6 6 典型轴类零件的选材示例 35 车床主轴，工作时承受应力不大。主轴大端内锥孔和锥度外 圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；花键部分

13、与齿轮有相对 滑动，轴颈处易磨损；锥孔与外圆锥面，易拉毛，故这些部 位要求有较高的硬度和耐磨性。选用45钢制作。 36 工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质半精加工（除花键外） 局部表面淬火（锥孔与外圆锥面）回火粗磨（外圆、 锥孔与外圆锥面）铣花键花键高频感应淬火回火精 磨（外圆、锥孔与外圆锥面）检验。 37 例2 曲轴的选材与工艺路线 在内燃机中，曲轴承受冲击和扭转，因此曲轴承受很大 的弯曲应力和扭转应力。主要失效形式是轴颈磨损和疲 劳断裂。 一般都选用合金调质钢，如35crmo、42crmo等；中、小 型的内燃机曲轴、常选用45钢或球墨铸铁。 38 工艺路线： 选用中碳钢或中碳合金钢时： 下

14、料锻造正火粗加工调质半精加工轴颈表 面淬火、低温加火精加工检验。 选用球墨铸铁时： 熔炼铸造正火高温回火机加工轴颈表面淬火、 低温加火精磨检验。 39 1、齿轮类零件的工作条件 齿轮运转时，两个相互啮合的轮齿之间通过一个狭小的接 触面传递动力和运动，因此，齿面上要承受很大的接触应 力。 2 、齿轮类零件的失效形式 （1）断齿 大多数表现为疲劳断裂，主要是由于齿根所受 的弯曲应力超过材料的抗弯曲强度引起。 8.3.2 齿轮的选材及热处理工艺 40 （2）齿面磨损 齿面接触区强烈的滚动和滑动摩擦或 者外部硬质磨粒的侵入引起齿面磨损失效等现象。 （3）表面疲劳剥落（点蚀） 因表面疲劳而使齿面表 层产

15、生点状、小片剥落的破坏。 （4）齿面塑性变形 齿轮强度不够、齿面硬度低时， 在低速、重载和启动、过载频繁的齿轮中容易产生。 41 3、齿轮类零件的性能要求 （1）高的接触疲劳强度，齿面应有高的强度、硬度和耐 磨性，防止疲劳破坏和表面损伤。 （2）高的抗弯曲强度，轮齿心部要有足够的强韧性，防 止过载断裂。 （3）较好的工艺性能，淬火变形小。 此外，在齿轮副中，两齿轮齿面硬度应有一定差值，因小 的齿轮的齿根薄，齿轮受载次数多，故应比大齿轮硬度高 些。 42 4、齿轮类零件的常用材料 一般选用45、40cr、40 crni、 40mnb、35crmo等中碳钢或中碳合金 钢锻件为毛坯。 单件或小批量生

16、产，直径100mm以下 的小齿轮可用圆钢下料毛坯。 直径500mm以上的大型齿轮锻造比较 困难，常采用铸钢件或球墨铸铁。 43 铸造齿轮一般以辐条结构代替 锻造齿轮的辐板结构 有时也以焊接方式生产大型齿 轮毛坯 特殊情况下选用工程塑料，如 受力不大或在无润滑条件下工 作的齿轮，可选用尼龙、聚碳 酸脂等高分子材料来制造 44 5、齿轮类零件的加工工艺路线 （1）下料锻造正火粗加工调质精加工高频 淬火及低温回火精加工检验 （2）下料锻造正火机加工渗碳（碳氮共渗） 淬火及低温回火喷丸磨削检验 45 l6、典型齿轮类零件的选材示例 例1 机床齿轮的选材与工艺路线 l车床的传动齿轮，工作时受力不大，转速

17、中等，工作较平 稳，无强烈冲击。因此，对强度和韧性要求均不太高，一 般用中碳钢制造，如45钢；对于性能要求较高，如受力较 大时，可选用40cr钢等中碳合金钢。经正火或调质处理， 再进行高频感应加热淬火表面强化处理，以提高耐磨性。 工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火、 低温回火拉花键孔精磨检验。 46 例2 汽车、拖拉机齿轮的选材与工艺路线 在变速箱中的齿轮用于传递转矩，改变发动机、曲轴 和主轴齿轮的传动速度比。在差速器中齿轮用来增加 扭转力矩并调节两车轮的转速，将动力传递到主动轮， 推动汽车、拖拉机运行。工作条件远比机床齿轮恶劣， 受力较大，超载荷和受冲击频繁。因此，在耐磨性、

18、疲劳强度、抗冲击能力等方面的要求比机床齿轮高。 这类齿轮通常选用合金渗碳钢制造。 如20crmnti、20crmnmo、20mnvb等。 47 工艺路线： 下料锻造正火机加工渗碳淬火低温回火 喷丸磨削检验。 48 8.3.3 弹簧类零件的选材及热处理工艺 通过产生及恢复变形，把机械功或动能转换为形变 能，或者，把形变能转换为动能或机械功，以便达 到缓冲、减震、控制运动或复位、储能及测量等目 的。 通常按弹簧的制作方法分为： 冷成形弹簧和热成形弹簧两大类。 49 1、弹簧类零件的工作条件 普通机械用弹簧一般是在室温或较高工作温度、大气条 件下承受负荷。 2、弹簧类零件的失效形式 （1）变形失效

19、弹簧在工作过程中发生变形，往往影响 产品的灵敏度和可靠性。 （2）断裂失效 分为脆性断裂、塑性断裂、疲劳断裂、 应力腐蚀断裂及腐蚀疲劳断裂。 50 3、弹簧类零件的性能要求 （1）高的弹性极限和高的屈强比。 （2）高的疲劳强度，以承受交变载荷。 （3）足够的塑性和韧性。 （4）一定的淬透性，表面脱碳倾向小。 （5）应具有特殊性能。 51 4、弹簧类零件的常用材料 弹簧钢主要有碳素弹簧钢，合金弹簧钢。特殊性能 的弹簧材料有不锈钢耐酸弹簧钢、耐热弹簧钢及合 金（镍基、钛基及钴基合金、高弹性高导电的铜基 合金）。非金属弹性材料有橡胶、塑料、陶瓷及流 体等。 52 5、弹簧的热处理 （1）一般通过冷拔

20、（或冷拉）、冷卷成型。冷卷后的弹 簧不需进行淬火，只需进行一次去应力退火和稳定尺 寸的定型处理。 （2）通常在热卷后进行淬火加中温回火处理。 53 6、强化处理 （1）形变热处理 提高弹簧的综合力学性能、疲劳性能和 抗应力松弛性能。 （2）化学热处理 渗碳和碳氮共渗等化学热处理。提高弹簧 表层硬度、耐磨性、耐腐蚀性、残余压应力及疲劳寿命。 （3）喷丸处理 通常采用喷丸处理进行表面强化，安排在成 型及热处理后进行。 54 7 7、典型弹簧的热处理 l图8.13为拖拉机卡圈，是线弹簧中 最简单的一种零件，直径小、结构 简单，可选用碳素弹簧钢丝冷卷成 形，如65钢。 55 工艺路线： （1）单件成形：下料冷卷成形端部加工及整平去 应力退火发黑检验 （2）连续成形：盘料通过自动卷簧机功用车床绕制成形 单个弹簧切断磨两端面、去毛刺整平去应力退 火检验表面防锈处理 去应力退火工艺 :盐浴炉32020 56 8.3.4 箱体类零件的选材及热处理工艺 1、箱体类零件的工作条件 一般有较好的刚度和减振性；工作台、导轨等零件则 要求有较好的耐磨性和减振性；有些机器的机身、支架 往往同时承受压、拉和弯曲应力的联合作用。 57 2、箱体类零件的失效形式 变形失效、断裂失效、磨损失效