第13章零部件的失效与选材

1、 材型专业主干专业课程第十三章 材料的选用及失效分析1986年1月28日助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损，喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。n 每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，即零件已功能时，即零件已。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：l 零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；l 零件严重损伤，不能

2、保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；l 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。零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类三大类型。型。应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗

3、力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用宏观和微观宏观和微观的研究手段进行系统的分析。的研究手段进行系统的分析。以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图n该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。使用的有效方法之一。失效树分析失效树分析n失效分析失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向

4、认识失效本质的过程。结果果和原和原因因具有双重性，失具有双重性，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。“顺藤摸瓜顺藤摸瓜” 以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。结果。“顺藤找根顺藤找根” 以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。的直接原因。“顺瓜摸藤顺瓜摸藤” 从过程中

5、的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。“顺根摸藤顺根摸藤” 从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。还有还有“顺瓜摸藤顺瓜摸藤+顺藤找根顺藤找根”、“顺根摸藤顺根摸藤+顺藤摸瓜顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜顺藤摸瓜+顺藤找根顺藤找根”等。等。无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（

6、肉眼、低倍显微镜）及微观（高是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最发源地、扩展区和最终断裂区终断裂区，判断出断裂的性质和机理。，判断出断裂的性质和机理。通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判

7、断。检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。T型法则型法则 分叉法则分叉法则 B裂纹产生在后裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹产生在前裂纹扩展方向裂纹扩展方向根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区裂纹区。源区源区源区源区 结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。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

8、观解理花样 回火脆性断口回火脆性断口 应力腐蚀断口应力腐蚀断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口纤维状，色质灰暗纤维状，色质灰暗, 有明显的塑性变形。有明显的塑性变形。大小不等的大小不等的韧窝韧窝。纤维状韧性宏观断口纤维状韧性宏观断口 微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌 疲劳源疲劳源 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 “贝纹贝纹”状花样状花样 瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌 疲劳断口示意图疲劳断口示意图 疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力齿表面受到接触力和摩擦力的作的作用；用；齿根

9、部受到交变弯曲应力齿根部受到交变弯曲应力的作用；此外由于过载和换档时的的作用；此外由于过载和换档时的冲击冲击还会还会产生附加应力。产生附加应力。齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂（宏观）（宏观）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在交变接触应力作用下，齿面产生微裂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（或称麻纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）。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。所致，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，轮齿变薄。

10、由于齿面接触区摩擦，轮齿变薄。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。车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，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（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（疲劳裂疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂）。）。疲劳源在轴疲劳源在轴内部内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；疲劳源在轴疲劳源在轴表面表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应

11、，致使裂纹萌生。致使裂纹萌生。疲劳源疲劳源断口面基断口面基本与轴向本与轴向垂直垂直设计不当、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轴表面轴表面异常异常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）车轴车轴疲劳疲劳断裂断裂分析分析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

12、热处理或热处理工艺不当工艺不当疲劳裂纹疲劳裂纹源发生在源发生在车轴表面车轴表面断口面与轴向成断口面与轴向成45 角角扭转载荷过大扭转载荷过大失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因磨耗磨耗钢轨与车轮接触面表层发生磨损。钢轨与车轮接触面表层发生磨损。压溃压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。剥离剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层( (次表层次表层) )形成扩展至剥落。形成扩展至剥落。疲劳裂纹或折断疲劳裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生交变应力引起疲劳裂纹的萌生, ,并可能进一步并可能进一步扩展至断裂。扩展至断裂。擦

13、伤擦伤轮轨接触面发生热机械作用轮轨接触面发生热机械作用, , 导致组织产生导致组织产生相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。锈蚀锈蚀腐蚀环境作用。腐蚀环境作用。钢轨的失效行为钢轨的失效行为轨头侧面磨耗轨头侧面磨耗 轨头踏面被压溃及出现飞边轨头踏面被压溃及出现飞边 鱼鳞状裂纹和剥离坑鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂磨耗、腐蚀、疲劳断裂是其主要是其主要失效形式。失效形式。钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和

14、表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。夹杂物引起的核伤断口（白核）夹杂物引起的核伤断口（白核） 表面剥离引起的核伤断口表面剥离引起的核伤断口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

15、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，需重新选材。零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需重新选材。 n传统设计传统设计把选材归入设计过程的后期；把选材归入设计过程的后期；根据前人的经验进行设计和选材；根据前人的经验进行设计和选材；采用过大的安全系数；采用过大的安全系数；倾向于选用所谓倾向于选用所谓“万能材料万能材料”。n现代设计现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。的范围内使用，选材的安全系数越来

16、越小，难度越来越大。 使用性原则使用性原则 工艺性原则工艺性原则 经济性原则经济性原则 环境与资源原则环境与资源原则 根本原则根本原则首要原则首要原则首要原则首要原则 分析零件的工作条件；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； 具体转化为力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；具体转化为力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）； 根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值。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。设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因设计中所作出的选材决定必

17、然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上此选材在某种程度上“决定决定”了制造方法。了制造方法。一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选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。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，改变材料的形状和性质，获得合格的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。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

18、改性处理进行性能的重塑。的重塑。l一定的形状和尺寸一定的形状和尺寸l一定的性能一定的性能l一定的精度一定的精度n金属材料的工艺路线金属材料的工艺路线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 坯坯预先热处理预先热处理零零 件件切削加工切削加工最终热处理最终热处理n 高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线有机物原料或型材有机物原料或型材成形加工成形加工切削加工切削加工零零 件件焊接等焊接等热压、注塑、挤压、喷热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等射、真空成形等n 陶瓷材料的工艺路线陶瓷材料的工艺路线粉末粉末成成 形形 加加 工工配料配料压制压制烧结烧结磨削加工磨削加工零件零件热处理热处理

19、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成本制造成本制造成本在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的3070%。提炼和制取的成本；提炼和制取的成本；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；材料的提纯、合金化（合成）成本材料的提纯、合金化（合成）成本 ； 加工增

20、值成本加工增值成本 ； 供求关系所造成的价格波动。供求关系所造成的价格波动。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钢钢除外）除外）1.72.5 球墨铸铁球墨铸铁1.8铬镍合金结构钢（中铬镍合金结构钢（中合金钢）合金钢）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低合金工具钢低合金工具钢34 锡青铜、铝青铜锡青铜、铝青铜1

21、9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515n目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为65%，而美国达到，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。 能源和资源消耗少能源和资源消耗少重要金属的世界储量（重要金属的世

22、界储量（2004年）年）世界能源储藏量（2004年）环境污染小环境污染小材料材料矿物燃料能耗矿物燃料能耗排碳量排碳量MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3木材木材1.52.8750139030561528混凝土混凝土2.0480050120钢材钢材35266,0007005320一次铝一次铝4351,100,000870022,000再生铝再生铝1333,000齿轮工作时的受力情况齿轮工作时的受力情况l由于传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；l齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并产生强烈的摩擦；齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并产生强烈

23、的摩擦；l在换挡、启动或啮合不良时，齿部承受一定的冲击载荷；在换挡、启动或啮合不良时，齿部承受一定的冲击载荷；l因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷使工作条件恶化。硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷使工作条件恶化。齿轮的主要失效形式齿轮的主要失效形式根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是断齿断齿，齿面剥落齿面剥落、磨损及过量塑性变形磨损及过量塑性变形等。等。齿轮对材料性能的要求齿轮对材料性能的要求根据齿轮的受力情况和失效形式

24、，要求齿轮应具备：根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备：l具有高的接触疲劳强度；具有高的接触疲劳强度；l高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；l高的齿面硬度和耐磨性；高的齿面硬度和耐磨性；l足够的心部强度和韧性；足够的心部强度和韧性；l淬火变形及组织内部缺陷控制在允许的范围内等。淬火变形及组织内部缺陷控制在允许的范围内等。机床齿轮的选材机床齿轮的选材机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。一般选用强烈冲击

25、，转速也不很高，工作条件较好。一般选用调质钢调质钢制造，如制造，如4040钢，钢，4545钢，钢，40Cr40Cr，42SiMn42SiMn等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火即可达到使用要求。即可达到使用要求。随着机床工业的发展，机床中也出现了高速且承受冲击载荷较大的重要齿轮随着机床工业的发展，机床中也出现了高速且承受冲击载荷较大的重要齿轮（如立式车床上的一些齿轮），这种情况下，宜选（如立式车床上的一些齿轮），这种情况下，宜选20CrMnTi20CrMnTi、2020r r等等合金渗合金渗碳钢碳钢制造，经渗碳、淬火、低温回火处理使之

26、达到使用要求。制造，经渗碳、淬火、低温回火处理使之达到使用要求。 下料下料齿坯锻造齿坯锻造正火（正火（850850870870空冷）空冷）粗加工粗加工调质调质（840840860860油淬，油淬，600600650650回回火）火）精加工精加工高频感应加热淬火高频感应加热淬火（860860880880高频感应加热，乳化高频感应加热，乳化液冷却）液冷却）低温回火（低温回火（180180200200回火）回火）精磨。精磨。卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮 工作条件工作条件l工作负荷大；工作负荷大；l高速运转高速运转 ( 1015m/s以上以上 )；l受冲击频繁，磨损较严重。受冲击频繁，磨损较严重。技术要求技术要求l齿面硬度齿面硬度HRC5862，金相组织为回火马氏体，金相组织为回火马氏体+合金碳化物合金碳化物+残余残余奥氏体。奥氏体。l齿心部硬度齿心部硬度HRC3545， 金