机械零件的失效分析与选材PPT教案

1、会计学1机械零件的失效分析与选材机械零件的失效分析与选材第1页/共76页 一、失效形式一、失效形式常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。等。1 1、变形失效、变形失效（1 1）弹性变形失效）弹性变形失效不恰当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的防止弹性畸变的主要措施主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。的材料，防止超载。（2 2）塑性变形失效）塑性变形失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形( (

2、永永久变形久变形) )。防止零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材料，进采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。行合理的热处理，防止超载。 第2页/共76页2 2、断裂失效、断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂）韧性断裂 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2 2）脆性断裂脆性断裂 断裂前无塑性变形。疲劳断裂

3、、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 （3 3）疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。金属的疲劳断裂。第3页/共76页蠕变断裂第4页/共76页第5页/共76页（3）腐蚀失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。 断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%第6页/

4、共76页潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制第7页/共76页潘存云教授研制潘存云教授研制第8页/共76页零件工作条件常见失效形式性能要求应力种类载荷性质受载状态螺栓拉、剪静载-过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环冲击轴颈摩擦疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环冲击摩擦振动断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变冲击振动弹性失稳，疲劳破坏弹性极限，屈强比，疲劳极限第9页/共76页第10页/共76页高温蠕变零件失效加 工设 计计算错误热处理缺陷焊接缺陷 结构外形不合理工作条件估计错误冷加工缺陷铸锻造缺陷安装使用维

5、护环境材料材质低劣选材不当操作失误过载使用 维护不良安装不良腐蚀低温脆性第11页/共76页现场调查失效特征服役条件失效部位取样分析查阅相关原始资料原始资料的正确性制造过程的执行情况冷热加工质量材料成分综合分析解决方案正在使用和库存件的解决方案新生产件的解决方案台架试验使用考验三、失效分析 的一般程序第12页/共76页第13页/共76页第14页/共76页第15页/共76页力学性能指标的综合作用 一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选材时一定要考虑力学性能指标的综合作用，充分考虑

6、零件力学性能的强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。第16页/共76页 对于静载荷，结构上存在非尖锐缺口(如结构小孔、键槽、凸肩等)的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。 对于承受小能量多次冲击的零件，以及结构上存在尖锐缺口和内部存在裂纹的零件，强度（疲劳强度、断裂韧度）是非常重要的因素。 对于在低温下工作的零件，常选择韧性较大的材料。对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。第17页/共76页14:3

7、5第18页/共76页6:05:33第19页/共76页6:05:33第20页/共76页6:05:34第21页/共76页第22页/共76页第23页/共76页6:05:34第24页/共76页产品成本分析产品成本分析第25页/共76页 占总成本的占总成本的3070%3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%30%加工成本加工成本 = = 工具与设备费用工具与设备费用 + + 每件产品成本每件产品成本 生产批量生产批量材 料元 / kg材 料元 / kg铂290,000 Zn34金160,000 铝21银3,500 40Cr3.7钛200 碳钢3.3铜68 生铁2.3

8、第26页/共76页 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1. 1. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。 重要金属的世界储量重要金属的世界储量 2. 2. 能源消耗少能源消耗少 可用年数再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493. 3. 环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解第27页/共76页第28页/共76页第29页/共76页6:05:35第30页/共76页6:05:35第31页/共76页第32页/共76页第33

9、页/共76页第34页/共76页第35页/共76页第36页/共76页中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。第37页/共76页第38页/共76页第39页/共76页第40页/共76页第41页/共76页第42页/共76页6:05:36第43页/共76页第44页/共76页第45页/共76页第46页/共76页第47页/共76页第48页/共76页第49页/共76页第50页/共76页第51页/共76页第52页/共76页第53页/共76页第54页/共76页实例实例 C620 C620 车床车床主轴主轴，综合机械性能一般

10、；大端轴颈，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。等部位耐磨性高。 性能指标性能指标 硬度硬度220220250HB250HB，轴颈轴颈52HRC 52HRC 。选材选材 45 45钢，整体硬度钢，整体硬度220220250HB250HB，轴颈表面淬火硬度轴颈表面淬火硬度5257HRC5257HRC。热处理工艺热处理工艺 840 840水淬水淬 + 600 + 600回火回火( (水或油冷）水或油冷）+ + 轴颈高频淬火轴颈高频淬火 + 200 + 200回火回火最终组织最终组织 心部：回火心部：回火S S轴颈表面：回火轴颈表面：回火M M 工艺路线工艺路线 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调

11、质调质精加工精加工表面淬表面淬火低温回火火低温回火磨削磨削第55页/共76页内燃机曲轴选材 1. 曲轴的工作条件、性能要求、材料 （1）工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。第56页/共76页（3）曲轴材料 锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等； 铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁

12、及合金铸铁等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。第57页/共76页2. 175A型农用柴油机曲轴选材（1）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求b750 MPa, 整体硬度240 HBS260 HBS, 轴颈表面硬度625 HV, 2%, ak150 kJ/m2。 175A型柴油机曲轴简图第58页/共76页（2）曲轴材料 QT700-2（3）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后, 在轴颈部位进行表面淬火。第5

13、9页/共76页第60页/共76页第61页/共76页第62页/共76页第63页/共76页强度强度刚度刚度减震减震易于成形易于成形易于加工易于加工灰铸铁灰铸铁液态成形液态成形第64页/共76页第65页/共76页第66页/共76页汽车用材 汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占有一定比例。 1 汽车用金属材料汽车主要结构可分为四部分：(1) 发动机 提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。(2) 底盘 包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、转向蜗杆等)和制动系(油泵或气泵、刹车片等)。(3) 车身 驾驶

14、室、货箱等。(4) 电气设备 电源、起动、点火、照明、信号、控制等。第67页/共76页汽车发动机和传动系示意图第68页/共76页一、缸体和缸盖缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。 缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。二、缸套 气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行

15、表面处理。第69页/共76页三、活塞、活塞销和活塞环活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组，活塞组在工作中受周期性变化的高温、高压燃气(温度最高可达2000 ，压力最高可达13 MPa15 MPa)作用，并在气缸内作高速往复运动(平均速度一般为9 m/s13 m/s)，产生很大的惯性载荷。对活塞材料的要求是热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小, 减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。常用的活塞材料是铝硅合金。 活塞销材料一般用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理

16、。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高23倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等第70页/共76页四、连杆连杆连接活塞和曲轴，作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个很复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。1 小头与连杆的过渡 2 连杆中间3 大头与连杆的过渡处连

17、杆上的三个高应力区域第71页/共76页五、气门气门工作时，需要承受较高的机械负荷和热负荷，排气门工作温度高达650 850 。气门头部还承受气压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。气门经常出现的故障有：气门座扭曲、气门头部变形、气门座面积碳时引起燃烧废气对气门座面强烈地烧蚀。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造, 而排气门则要求用高铬耐热钢（如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。第72页/共76页六、汽车半轴 汽车半轴在工作时主要承受扭转力矩和反复变曲以及一定的冲击载荷。在通常情况下，半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，但断裂现象也不时发生。要求半轴材料具有高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。汽车半轴是要求综合机械性能较高的零件，通常选用调质钢制造。中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr, 而重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。1 突缘与杆部相连部位 2 花键与杆部相连部位 3 花键端 半轴易损坏部位示意图第73页/共76页七、车