机械零件的失效及其选材

1、机械零件的失效及其选材第1页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四失效的概念 指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。 一个零件的失效，一般包括以下几种情况：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）虽仍能安全工作，但不能满意地起到预期的作用；（3）零件严重损伤，继续工作不安全。Failure Analysis第2页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四本章重点掌握的内容：机械零件常见的失效形式；失效分析的基本方法；选材的一般原则；金属材料的一般加工工艺路线;典型工件的选材及工艺路线设计。Failure Ana

2、lysis第3页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 零件失效的三种形式: 过量变形（畸变失效） 、断裂失效、表面损伤失效。5.1 零件的失效形式Failure Analysis一、畸变失效 1. 弹性畸变失效 2. 塑性畸变失效 外加应力超过零件材料屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。第4页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四Failure Analysis第5页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第6页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四二、断裂失效零件在使用中发生断裂而失效第7页，共50页，2022年，

3、5月20日，21点43分，星期四第8页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四二、断裂失效1. 断裂分类(1)按断裂性质根据材料或零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小，将断裂类型分为韧性断裂、脆性断裂。韧性断裂材料断裂之前发生明显的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。韧性断裂是金属材料破坏的主要方式之一。 第9页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四脆性断裂 指材料在断裂之前不发生或发生很小的宏观可见的塑性变形的断裂，断裂之前没有明显的预兆，第10页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四(2)按断裂路径分为沿晶断裂、穿晶断裂和混晶断裂三种类型。

4、 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。 穿晶断裂 指裂纹萌生和扩展是在晶粒内部发生的断裂。 混晶断裂第11页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四2. 断裂形式的特征 (1)韧性断裂的特征 韧性断裂的宏观特征 韧性金属的光滑圆试样拉伸的宏观变形方式为颈缩，其典型断口为杯锥状断口，还有一种剪切断口。第12页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四韧性断裂的微观特征韧窝：它是材料在微观范围内塑性变形产生的显微空洞的生核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后在断口上留下的痕迹。韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征。第13页，共50页，2022

5、年，5月20日，21点43分，星期四(2)脆性断裂的特征材料脆性断裂的特点1）脆性断裂时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过按常规设计程序确定的许用应力，所以脆性断裂又称为低应力脆断。2）脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹作为源开始的。这种裂纹在远低于屈服强度的应力下逐渐扩大，最后导致突然断裂。第14页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四脆性断裂的微观特征 脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态。 金属在正应力作用下，因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的主要特征是：开裂速度快；开裂沿着低指数的结晶面(称为解理面)发生；解理断

6、裂时，一般不发生或产生较小的塑性变形。 脆性断口的宏观特征 脆性断口的宏观特征是在断裂前没有可以观察到的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。断口的颜色比较光亮，有时稍有灰暗。第15页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四三、磨损失效 磨损失效的基本类型有：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损、腐蚀磨损等五种基本类型。 1. 粘着磨损 两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(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，这一现象称为粘着磨损。第16页，共50页，2022年，5月20日，21点

7、43分，星期四2. 磨料磨损 配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤的磨损称为磨粒(料)磨损。磨料磨损的主要特征是表面被犁削形成沟漕。第17页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 3. 表面疲劳磨损 两个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的现象称为表面疲劳磨损。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。形成麻坑。 4. 冲刷磨损由于含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失的磨损。 5. 腐蚀磨损 金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反

8、应，产生表层金属的损失或迁移现象。化学反应会增强机械磨损作用。 第18页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四四、腐蚀失效 腐蚀失效有下列几种基本类型：1均匀腐蚀2点腐蚀3晶间腐蚀 晶界腐蚀的主要原因是晶界处化学成分不均匀。由于晶界是原子排列较为疏松而紊乱的区域，所以在这个区域易于富集杂质原子、易于发生晶界沉淀。第19页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第20页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第21页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第22页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四失效分析的任

9、务就是找出失效的主要原因，制订改进措施。一般分析程序是：1.调查研究 一是调查失效现场；二是调查背景材料，收集原始材料和数据。2.残骸收集和分析 目的是确定首先破坏件及其失效源。3.实验分析 （1） 无损检测 （2） 断口分析 断口分析分为宏观分析和微观分析两种。断口宏观分析系指用肉眼、放大镜或低倍光学显微镜来研究断口特征的一种方法。通过宏观分析初步确定断裂性质，断裂源，载荷情况。 5.2 零件失效分析的一般方法第23页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 断口微观分析大多采用电子显微镜，其分辨率和景深都高于光学显微镜，能深入观察断口微观细节、断裂性质，便于研究裂纹形成和扩

10、展机理。 （3） 化学成分分析 （4） 金相分析 这种方法来分析裂纹的走向、性质、判定材料组织、工艺状态，检查可能导致失效的组织缺陷。 （5） 力学性能分析 (6) 其它试验方法 例如,应力测定方法等4.综合分析，作出结论，写出报告 失效分析工作达到预期目的后，应对进行的工作、所获得的全部资料进行集中、整理、分析评价和处理，作出结论，写出报告。 第24页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四5.3 机械零件选材原则 1.选材原则：优异的使用性能、良好的加工工艺性能和便宜的价格是机械零件选材的最基本原则。（1）使用性能原则 对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊

11、条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理性能和化学性能。（2）工艺性能原则 金属材料的主要工艺性能、金属材料的加工工艺路线（3）经济性原则 材料的价格、零件的总成本、国家的资源第25页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 2. 金属材料的加工工艺路线（1）性能要求不高的一般零件毛坯一正火或退火一切削加工一零件（2）性能要求较高的零件毛坯一预先热处理（正火、退火）一粗加工一最终热处理（淬火、回火、固溶处理或渗碳处理等）一精加工一零件（3）要求较高的精密零件毛坯一预先热处理（正火、退火）一粗加工一最终热处理（淬火、回火、固溶处理或渗碳处理等）一半精加工一稳定化处理或氮化

12、一稳定化处理一零件第26页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四5.4 典型零件的选材及工艺路线设计 1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求 （1）工作时的受力情况 1)由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。 2)齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的磨檫。 3)由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。 一、齿轮选材 第27页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四（2）主要失效形式 1)疲劳断裂 主要发生在齿根。 2)齿面磨损 3)齿面接触疲劳破坏 4)过载断裂 （3）齿轮用材性能要求 1)高的弯曲疲劳强度。 2)高的接触疲劳强度和耐

13、磨性。 3)齿轮心部要有足够的强度和韧性 第28页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四2.齿轮零件的选材 根据工作条件和性能要求，齿轮一般选用低、中碳钢或其合金钢，下表给出了一般齿轮的选材情况。 第29页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第30页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四3. 典型齿轮选材举例 （1）机床齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选中碳钢制造，如45钢；为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢，如40Cr、45MnB、35CrMo等。工

14、艺路线为： 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及回火一精磨第31页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四热处理的目的正火处理可消除锻造应力，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。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，能承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，并可减少齿轮的淬火变形。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为： 下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一轮

15、齿高频淬火及回火一精磨第32页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 （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。采用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，渗碳齿轮的工艺路线为：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热处理目的：正火处理可消除锻造应力，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

16、，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。第33页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求 （1）一般轴的工作条件 1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。 2）轴颈承受较大的磨擦。 3）承受一定的冲击载荷。二、轴类零件选材 第34页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四（2）主要失效形式 1）疲劳断裂。 2）断裂失效。 3）磨损失效。 （3）对轴用材料性能要求 1）良好的综合力学性能。 2）高的疲劳强度。 3）良好的耐磨性。 第35页，共

17、50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 2. 轴类零件的选材 （1）不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴 可以用碳钢或球墨铸铁来制造。 （2）主要受弯曲、扭转的轴无需选用淬透性很高的钢种，通常选用中碳钢，如45钢、40Cr、40MnB等；若要求高精度、高的尺寸稳定性及耐磨性的轴，如磨床主轴，则常选用38CrMoAl钢，进行调质及氮化处理。 （3）同时承受弯曲（或扭转）及拉、压载荷的轴 选用淬透性较高的钢种。 第36页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 3. 典型轴的选材（1）机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但

18、载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但有摩擦部位要求有较高的硬度和耐磨性。车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质处理，有摩擦部位进行表面淬火。 如果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。第37页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四工艺路线： 锻造一正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火及低温回火-磨削加工。 第38页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四（2）内燃机曲轴选材 曲轴在工作中受到更加复杂的力的作用。如弯曲、扭转、剪切、拉

19、压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，使之产生附加应力。因曲轴形状极不规则，应力分布很不均匀，另外，曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损两种。 材料要求：具有高的强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面还应有高的硬度和耐磨性。 实际生产中，按制造工艺把曲轴分为锻钢曲轴和铸造曲轴两种。第39页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四锻钢曲轴主要由优质中碳钢和中碳合金钢制造，如35、40、45、35Mn2、40Cr，35CrMo钢等。工艺路线：模锻- 调质- 切削加工- 轴颈表面淬火铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠

20、光体可锻铸铁以及合金铸铁等制造，如QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。第40页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四工艺路线：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(950)是为了获得细珠光体基体的组织，以满足强度要求。高温回火(560 )是为了消除正火时产生的内应力。轴颈气体渗氮(渗氮温度570 )是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。第41页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四1. 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

21、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。 三、弹簧类零件的选材 第42页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 （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）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使用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。 第43页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 2. 弹簧零件的选材 （1）汽车板簧 一般选用65Mn、60Si

22、2Mn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。 第44页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四第45页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四1. 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。四、刃具选材 第46页，共50页，2022年，5月20日，21点43分，星期四 （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 1）高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62 HRC； 2）高的红硬性； 3）强韧性好； 4） 高的淬透性。可采用较低的冷速淬火