工程材料学 第12成形方法章

1、1南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics2失效失效机械产品丧失功能的现象。机械产品丧失功能的现象。失效分析失效分析分析失效的原因，研究采取补救和预防分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。措施的技术活动和管理活动。 下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效失效：p零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；p零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；p零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。12.

2、1 .1机械零件失效与分析机械零件失效与分析12.1 工程材料的选择工程材料的选择34一、一、 失效原因失效原因（1）设计因素）设计因素 设计不合理和设计时考虑不周密是构件失效的重要设计不合理和设计时考虑不周密是构件失效的重要原因之一。例如，突然直角过渡的台阶轴，零件的尖角、原因之一。例如，突然直角过渡的台阶轴，零件的尖角、棱角、棱边等都是应力集中的部位，必然也是破坏的祸棱角、棱边等都是应力集中的部位，必然也是破坏的祸源。源。（2）材料选择的正确性）材料选择的正确性 材料选择不当，所选材料不符合构件性能要求，或材料选择不当，所选材料不符合构件性能要求，或设计者不能正确使用材料性能数据，或没有充

3、分考虑各设计者不能正确使用材料性能数据，或没有充分考虑各种材料的性能特点。例如，材料的缺口敏感性，脆性转种材料的性能特点。例如，材料的缺口敏感性，脆性转变温度等，都将导致早期破坏变温度等，都将导致早期破坏。5l（3）工艺历史）工艺历史l冶金质量：冶金质量：l 冶金缺陷，如夹杂物、气孔、疏松、成分偏析、严冶金缺陷，如夹杂物、气孔、疏松、成分偏析、严重带状组织等，这些都是内伤，导致裂纹萌生，扩展。重带状组织等，这些都是内伤，导致裂纹萌生，扩展。l机械制造工艺缺陷：机械制造工艺缺陷：l 例如，高残余应力；不良表面质量；不正常的组织例如，高残余应力；不良表面质量；不正常的组织状态；达不到机械性能要求。

4、状态；达不到机械性能要求。6（4）服役条件（安装使用不当）服役条件（安装使用不当）受力情况受力情况 负荷类型负荷类型：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。 负荷性质和速度负荷性质和速度：静负荷、冲击负荷、交变负荷。静负荷、冲击负荷、交变负荷。 负荷状态负荷状态：单向应力、三向应力、硬性状态、软性状单向应力、三向应力、硬性状态、软性状态、应力集中和残余应力等。态、应力集中和残余应力等。 负荷数值负荷数值：过负荷、安全负荷。过负荷、安全负荷。工作环境工作环境 工作介质工作介质：水、油、大气、蒸汽、腐蚀（酸、碱、水、油、大气、蒸汽、腐蚀（酸、碱、盐）。盐）。 温度温度：低

5、温、室温、高温。低温、室温、高温。 7l（5）使用维护状态）使用维护状态l 使用过程如果超载运行，润滑不良，净洁使用过程如果超载运行，润滑不良，净洁不好，腐蚀生锈，表面碰伤等，违反操作规程，不好，腐蚀生锈，表面碰伤等，违反操作规程，不定期维修或维修不当，都可能导致提前失效。不定期维修或维修不当，都可能导致提前失效。8表面损伤失效表面损伤失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效应应力力腐腐蚀蚀断断裂裂失失效效蠕蠕变变断断裂裂失失效效疲疲劳劳断断裂裂失失效效低低应应力力脆脆断断失失效效塑塑性性断断裂裂失失效效塑塑性性变变形形失失效效弹弹性性变变形形失失效效磨磨损损失失效效表表面面疲疲劳劳失失效效腐腐蚀

6、蚀失失效效零件失效零件失效二、二、 零件失效的基本形式零件失效的基本形式9(1)断口分析断口分析T形法形法分枝法分枝法10韧性断口：韧性断口：宏观：纤维状，色质灰暗宏观：纤维状，色质灰暗微观：大小不等的韧窝微观：大小不等的韧窝微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌(2)韧性断裂韧性断裂在构件断裂之前产生显著宏观塑性变形的断裂。在构件断裂之前产生显著宏观塑性变形的断裂。11剪切韧窝剪切韧窝撕裂韧窝撕裂韧窝等轴韧窝等轴韧窝12等轴韧窝等轴韧窝剪切韧窝剪切韧窝撕裂韧窝撕裂韧窝13根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。(3)脆性断裂脆性断裂构件在断裂

7、之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂。形的断裂。山形条纹山形条纹源区源区源区源区人字条纹人字条纹14宏观：宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。微观：微观：平坦的解理台阶与河流花样。平坦的解理台阶与河流花样。宏观形貌宏观形貌 微观解理花样微观解理花样脆性断口脆性断口:15状花样状花样16应力腐蚀应力腐蚀高温蠕变高温蠕变 脆性断裂也可能沿晶界发生。脆性断裂也可能沿晶界发生。呈现较大浮凸，可以看到多面体的晶粒外形和三叉边界。呈现较大浮凸，可以看到多面体的晶粒外形和三叉边界。17应力腐蚀裂纹分叉现象应力腐蚀

8、裂纹分叉现象氢脆裂纹的宏观形貌氢脆裂纹的宏观形貌18疲劳断口疲劳断口:疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌(4)疲劳断裂疲劳断裂金属构件在交变载荷作用下，经过一定的循环周期后金属构件在交变载荷作用下，经过一定的循环周期后会发生突然的断裂。会发生突然的断裂。19疲劳条纹的微观形貌疲劳条纹的微观形貌a. 疲劳辉纹疲劳辉纹20b. 轮胎压痕花样轮胎压痕花样21(5)现代测试分析现代测试分析型号型号 Bruker D8 Advance 2223透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM）型号：型号： FEI Tecnai G2 20 S-TWIN 24(6)断口分析方法断口分析方法a. 选取合适大小的试样。选

9、取合适大小的试样。25b. 借助现代分析仪器。借助现代分析仪器。 26三、零件失效分析实例三、零件失效分析实例(1)齿轮的失效齿轮的失效 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。还会产生附加应力。齿轮的轮齿的疲劳断裂齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）（宏观）27齿轮的失效行为齿轮的失效行为: :失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因齿面接触齿面接触疲劳破坏疲劳破坏

10、在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）疲劳断裂疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式是齿轮最严重的失效形式齿面磨损齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小过载断裂过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿主要是冲击载荷过大造成的断齿28(2)机车车辆的失效机车车辆的失效车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称

11、性，通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口见图：断口见图：车轴疲劳断口车轴疲劳断口（a） 疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。（b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源疲劳源 (a)(b)29车轴的疲劳断裂失效分析：车轴的疲劳断裂失效分析：撞伤撞伤意外损伤意外损伤疲劳裂纹源发生在车轴内部疲劳裂纹源发生在

12、车轴内部冶金缺陷（残余缩孔、冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳车轴疲劳断裂分析断裂分析断口面断口面基本与基本与轴向垂轴向垂直直设计不当、严重缺设计不当、严重缺陷或过载陷或过载断口特征异常断口特征异常机加工缺陷机加工缺陷机加工不当机加工不当腐蚀产物腐蚀产物环境腐蚀环境腐蚀磨损产物磨损产物微动摩擦微动摩擦轴表轴表面异面异常常化学成份化学成份冶炼工艺不当冶炼工艺不当力学性力学性能不合能不合格格金相组织金相组织冶炼、锻造冶炼、锻造 或热处理或热处理工艺不当工艺不当疲劳裂疲劳裂纹源发纹源发生在车生在车轴表面轴表面断口面与轴向成断口面与轴向

13、成45 角角扭转载荷过大扭转载荷过大30（1）使用性能原则）使用性能原则首要原则首要原则（2）工艺性能原则）工艺性能原则 （3）经济性原则）经济性原则（4）环境与资源原则）环境与资源原则 根本原则根本原则12.1.2 选材的原则及应用实例选材的原则及应用实例选材的动机选材的动机 : 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代；现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 一、选材的一般原则一、选材的一般原则31(1) 使用性能原则使用性能原则分析零件的工作

14、条件；分析零件的工作条件；进行失效分析；进行失效分析；确定零件对使用性能的要求；确定零件对使用性能的要求；具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；性、硬度等）；根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值，具体数值，首要原则首要原则32（2）工艺性能原则）工艺性能原则 设计中所作出的选材决定必然会影响整个生产过程的技设计中所作出的选材决定必然会影响整个生产过程的技术要求，因此术要求，因此选材选材在某种程度上在某种程度上“决定决定”了制造方法。了制造方法。一旦发现不能很经济地

15、将选用的材料加工成所要求的形一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。状，那么已选定的材料将变得毫无意义。机械制造机械制造采用适当的工艺方法，改变材料的形状采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能热处理及表面改性处理进行性能的重塑。的重塑。制造过程的基本目的：制造过程的基本目的：一定的形状和尺寸一定的形状和尺寸一定的性能一定的性能一定

16、的精度一定的精度33粉粉末末冶冶金金焊焊接接塑塑性性成成形形铸铸造造毛毛 坯坯预先热处预先热处理理零零 件件切削加工切削加工最终热处理最终热处理 金属零件的加工工艺路线金属零件的加工工艺路线34加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。材料的工艺性能。说明说明毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）低温回火，固溶时效或渗碳）半精加工半精加工稳定化处稳定化处理（或氮化）理（或氮化）精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。 加

17、工工艺加工工艺性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠） 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。说明说明毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工精加工零件。零件。 加工工艺加工工艺性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 如铸

18、铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性 能均能满足要求。能均能满足要求。举例举例毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。 加工工艺加工工艺性能、质量要求不高的零件性能、质量要求不高的零件35（3）经济性原则）经济性原则根本原则根本原则产品消费的总成本产品消费的总成本购置价格购置价格使用成本使用成本固定成本固定成本制造厂利润制造厂利润维护费维护费维修费维修费保险费保险费折旧费折旧费日常开支日常开支行政费行政费批发与零售费批发与零售费研究与开发费研究与开发费可变成本可变成本（生产成本）（生产成本）基本材料成本基本材料

19、成本制造成本制造成本36我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格材材 料料相对价格相对价格材材 料料相对价格相对价格普通碳素结构钢普通碳素结构钢1 铬不锈钢铬不锈钢5普通低合金结构钢普通低合金结构钢1.25 铬镍不锈钢铬镍不锈钢15优质碳素结构钢优质碳素结构钢1.31.5 灰口铸铁灰口铸铁1.4合金结构钢（合金结构钢（Cr-Ni钢除钢除外）外）1.72.5 球墨铸铁球墨铸铁1.8铬镍合金结构钢（中合铬镍合金结构钢（中合金钢）金钢）5 可锻铸铁可锻铸铁22.2滚珠轴承钢滚珠轴承钢3 铸造铝合金、铜合金铸造铝合金、铜合金810碳素工具钢碳素工具钢1.6 普通黄铜普通黄铜1317低合金工

20、具钢低合金工具钢34 锡青铜、铝青铜锡青铜、铝青铜19高速钢高速钢1620 钛合金钛合金5080硬质合金硬质合金150200 （工程塑料）（工程塑料）51537（1）选材的一般程序）选材的一般程序 1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。具有的力学性能指标和理化性能指标。 2对若干备选材料性能指标和制造工艺进行

21、综合分析和对若干备选材料性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。 3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。下来。二、二、 选材的实际过程选材的实际过程38航空航天器用材很广泛，工程塑料、橡胶、陶瓷材料航空航天器用材很广泛，工程塑料、橡胶、陶瓷材料和各种金属。和各种

22、金属。 1. 中碳调质钢中碳调质钢 40CrNiMoA、34CrNi3MoA用于高负载、大截面的用于高负载、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮机轴、喷轴类以及承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮机轴、喷气式客机的起落架及火箭发动机外壳等。气式客机的起落架及火箭发动机外壳等。 2. 高合金耐热钢高合金耐热钢 1Cr13、2Cr25Ni、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB用用于制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其它于制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其它零件。零件。 （2）选材举例）选材举例航空航天器用材航空航天器用材39l l4. 镍基耐蚀合金镍基耐蚀合金l I

23、nconel718(Ni19Cr18.5Fe5.1Nb3Mo0.9Ti)。制造泵轴、涡轮等航空发动机零部件。制造泵轴、涡轮等航空发动机零部件。 3. 高温合金高温合金 K403(Ni11Cr5.25Co4.65W4.3Mo5.6Al)。主要用于制造涡轮工作叶片和导向器叶片。主要用于制造涡轮工作叶片和导向器叶片。 40 5. 铝及其合金铝及其合金41形变铝合金形变铝合金 5A05（LF5）、）、5A11（LF11），用于焊接油箱、油管，），用于焊接油箱、油管，制造铆钉和中载零件制品。制造铆钉和中载零件制品。3A21（LF21）用于焊接油箱、油管，制造铆钉及轻载零）用于焊接油箱、油管，制造铆钉及轻

24、载零件和制品。件和制品。硬铝合金硬铝合金2A01（LY1）可制造工作温度不超过）可制造工作温度不超过100的结的结构用中等强度铆钉。构用中等强度铆钉。2A11（LY11），用于制造骨架、模），用于制造骨架、模锻的固定接头、支柱、螺旋桨叶片、局部镦粗的零件、锻的固定接头、支柱、螺旋桨叶片、局部镦粗的零件、螺栓和铆钉等中等强度的结构零件。螺栓和铆钉等中等强度的结构零件。42l2A12（LY12），适宜制造飞机的高强度结构零），适宜制造飞机的高强度结构零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、铆钉等件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、铆钉等150以下工作的零件。以下工作的零件。l超硬铝合金超硬铝合金7A04（LC4）、）、7A06（LC6），适），适宜制造飞机大梁、架、加强框、蒙皮接头及起宜制造飞机大梁、架、加强框、蒙皮接头及起落架等结构中的主要受力件。落架等结构中的主要受力件。l锻铝锻铝2A50（LD5），适宜制造形状复杂、中等），适宜制造形状复杂、中等强度的锻件和模锻件。强度的锻件和模锻件。2A70（LD7），适合制），适合制造高温下工作的复杂锻件，板材可做高温下工造高温下工作的复杂锻件，板材可做高温下工作的结构件。作的结构件。2A14（L