工程材料的选用与发展市公开课一等奖省赛课获奖课件

第十四章工程材料选取与发展§14.1失效分析§14.2选材标准§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第1页§14.1失效分析一、失效零件在使用过程中，因零件外部形状尺寸和内部组织结构发生改变而失去原有设计功效，使其低效工作或无法工作或提前退伍现象。二、失效形式工程材料的选用与发展第2页粘着磨损磨痕粘着磨损示意图§14.1失效分析工程材料的选用与发展第3页磨粒磨损磨痕磨粒磨损示意图§14.1失效分析工程材料的选用与发展第4页三、失效原因§14.1失效分析工程材料的选用与发展第5页四、失效分析基本步骤与方法（一）调查取证（二）整理分析（三）断口分析（四）成份组织性能分析与测试（五）综合分析得出结论§14.1失效分析工程材料的选用与发展第6页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析1998年6月3日早晨，一辆运载287人德国城际特快列车（ICE）从德国慕尼黑开往汉堡，在途经小镇艾雪德附近时候突然脱轨。短短180秒内，时速200公里火车冲向树丛和桥梁，300吨重双线路桥被撞得完全坍塌，列车8节车厢依次相撞在一起，挤得仅剩下一节车厢长度。事故发生后，秉持着“专业精神”德国各相关部门，开始了近乎惊人援救和调查。他们不但更换了全部车轮，更进行了长达5年技术调查和法律审判。工程材料的选用与发展第7页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析工程材料的选用与发展第8页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析1991年6月2日，德国高速铁路在惊叹和赞许中开始运行，最高时速250公里。在通车后7年时间内，德国高铁保持了零死亡事故统计。在德铁疏忽呵护下，死神躲过了全部搜查，与列车上287人一道，驶向通往毁灭末路。

第一个发觉死神车轮存在是搭乘这趟列车约格狄曼。在列车行驶到艾雪德镇以南约6公里地方时，他突然看到一截巨大金属条从太太和儿子中间座椅扶手中弹出，车厢地板被捅出一个大口。依据今后调查，这片金属条是第二节车厢第三条车轴上一个车轮外钢圈，因为长时间频繁使用出现了金属疲乏现象，进而造成金属爆裂，而突然爆裂外钢圈插进了车厢正中约格狄曼包厢。工程材料的选用与发展第9页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析约格狄曼快速离开车厢去找列车员。然而，就在他和列车员赶回包厢短短一分钟内，列车驶过转换铁路线路转辙器，破裂车轮外钢圈把转辙器上并不牢靠铁轨勾起，这块铁轨插入车体，并冲破车厢顶，造成车头和今后车体分离，列车脱轨。原本在ICE上使用是德国专有技术整块钢材切割而成单毂钢轮，不过因为这种车轮会产生较大噪音，而且会让车体显著摇摆，德国旅客以为“摇摇摆晃餐车太不雅观”，所以德铁才将车轮换成箍着钢条双毂钢轮，因为其中有橡胶层，能够降低噪音，且使运行更平稳。但这种双毂钢轮缺点是轻易出现金属疲乏现象，进而造成金属断裂。1997年秋天，德国电车企业曾通知德铁，这种车轮会出现问题，应较为频繁地更换车轮，但德铁仅以一句“我们并没有发觉金属疲乏”而草草了事。工程材料的选用与发展第10页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析而最终放过死神车轮，是德铁负责检验设备员工。检察院称，他们“本应该能够在对列车例行检验中发觉裂缝”，但因为“没有足够重视车轮异响”，在检验中没有使用超声波检测，而仅用一只手电筒查看。现场救援和搜寻工作整整连续了3天，而技术调查和法律审判则连续了5年事故发生后，德国震惊了。德国《明镜》周刊用“德国泰坦尼克号事件”来形容此次事故。文章称，艾雪德事件标志着德国人对“技术崇敬”结束。即使“技术崇敬”有所动摇，但依然秉持着“专业精神”德国，开始了近乎惊人援救和调查。时任德国交通部长马蒂亚斯·魏斯曼在媒体前向德国公众确保：“绝不允许蒙混过关，不允许半点掩饰和含糊，一定清查到底。”工程材料的选用与发展第11页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析

——事故发生6分钟后，接到报警警车、消防车和救护车抵达现场，德国红十字救援协调中心宣告临近地域进入紧急状态。

——事发20分钟后，为了确保重伤员能够第一时间被救助转移，德铁宣告停顿运行，并于7分钟后停驶全部列车。

——事发一个半小时后，全部被找到重伤者都被转移到附近医院，24架直升机、60名医护工作者和150名救援人员抵达现场。现场快速搭起帐篷，就地诊治轻伤者。

——事发后，德国联合信息中心（GAST）和紧急事件信息中心（EPIC）专门开设了统一人员身份确认和失踪举报电话。电信通信系统也开设了两个专门波段，供事故救援使用。

——事发约两小时后，德国联邦军队三辆军用坦克及从汉诺威调派一部40吨重消防起重机一起挖掘现场残骸，随即开始了挖掘遇难者工作。工程材料的选用与发展第12页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析——搜救工作整整连续了三天才结束。约有1900名救援人员参加了现场抢救，其中包含驻扎在附近英国军队。为了确保幸存者救治，德铁在事发后很快派设了专员，赋予他500万马克应急资金支配权，用于确保第一时间救治需求。随即又设置两个捐款账户，并提供了80万马克。除了援助基金外，直至，德铁已支付3200万欧元作为事故赔偿金，并预计未来还将支付千万欧元。时任德铁董事会主席约翰内斯·路德维希走访了许多受难家庭，向受难者表示慰问。现场救援和搜寻工作结束了，而长达5年技术调查和法律审判才刚才开始。德国联邦铁路局是监管铁路及其相关基础设施权威机构。一旦有证据显示铁路企业未能尽责防范危机、确保安全，联邦铁路局作为监管机构将介入调查。在它组织下，组成了独立调查小组，对事故原因展开全方面调查。工程材料的选用与发展第13页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析事发第二天，德铁降低了全线高速列车时速，并停运全部同型号列车死神藏身ICE列车，动摇了德国人对高科技“技术崇敬”，致使事故发生后，人们一度对高速列车产生了怀疑，乘车人数锐减。“对于ICE乘客来说，艾雪德事故确实留下了阴影。不过德铁在事发后及时主动公开信息，并花费很长时间去研究改变高速列车车轮结构方式。我认为德铁在事后处理上表现令人满意。”德国柏林工业大学交通研究所主攻铁路研究教授于尔根·西格曼在接收中国青年报采访时说。艾雪德事发后第二天，德铁降低了全线高速列车时速，并全方面检验安全性，随即按照联邦铁路局要求，停运全部同型号列车，对其进行超声波安全检测，将59辆同型号列车上全部箍着钢条双毂钢轮，换成整块钢材切割而成单毂钢轮。工程材料的选用与发展第14页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析因为联邦铁路局要求进行全方面安全检测，德国实施了紧急列车时刻表，多辆列车被取消，多条线路被缩短，直至事故后一个多月才基本恢复国内铁路运行。德国旅客直至第二年11月全部车轮更换完成后，才重新体验到列车原有运行状态。尽管德国铁路在橡胶轮胎上含有领先技术，但时至今日，他们仍不敢恢复使用这类轮胎。“对一个铁路企业来说，确保安全是至关主要第一要务。”德国联邦铁路局新闻办公室讲话人莫里兹·哈克布林克对中国青年报记者说。即使死神藏身车轮中，但被改变不但仅是车轮。1999年，德铁依据对艾雪德事故原因调查研究，公布了一份新铁路安全方案。这份安全方案成为今后许多国家开展高速铁路借鉴宝典。工程材料的选用与发展第15页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析比如，方案指出，因为在事故中列车撞上桥梁，造成伤亡惨重，所以德铁要求未来新建铁路要避开隧道和桥梁等设施。另外，在新方案中，德铁要求，要定时对列车进行超声波安全检验，而且最少要有两名工作人员共同检验。今后，德铁对于安全隐患愈加慎重。在一次列车事故后，德铁施行了高于以往10倍检测频率，来找寻可能存在安全隐患。现在，负责监管德国联邦铁路局要求全部行程超出3万公里车轮每七天都要接收检验。而在艾雪德事故营救过程中，因为车窗难以被打破而造成了极大困难。于是，在事故发生几个月后，德铁在ICE列车每一节车厢都设置了能在紧急情况下敲碎逃生玻璃车窗，而这种车窗之前只能在大型车厢里见到。工程材料的选用与发展第16页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析“艾雪德事故原因已从技术和操作层面彻底调查过了。现在重点是怎样预防相同事故再度发生，并施行更为严格安全规范。从艾雪德事故中吸收教训，已被融入到日常规则和安全标准之中了。”德国联邦铁路局讲话人莫里兹·哈克布林克说。在面积近似云南省德国，速度快、价格适中、安全性高ICE依然是最惯用出行工具。“乘坐时速好几百公里列车，我原来也没指望是毫无风险事。不过坏事发生后，德铁在调查期间公开了多份汇报，天天都能够在新闻上看到跟进情况，在法律调查过程中也非常配合。他们公开透明地调查，并很快改进了列车。看到现在ICE，我以为很满意，乘坐高速列车很安心。”史提芬说。工程材料的选用与发展第17页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析即使“技术崇敬”受到了动摇，但史提芬认为，知错就改、尊重真理专业精神也是德国自豪根本。据于尔根·西格曼教授说，事故发生六个月之后，乘坐ICE出行人数开始恢复，今后开始不停增加，甚至超出了事故前人数。工程材料的选用与发展第18页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析受损车体没有被丢弃，它们是调查人员眼中最宝贵“教材”距离艾雪德事故已经过去了，死神经过地方，重现却是生力量。被死神车轮戳穿车体，没有伴随时间流逝而远去。列车前牵引车头因为并无太大受损，在事发后很快重新回到铁轨上，奔跑在德国城市之间。而剩下车体即使受损，却并没有被当做废铁普通丢弃。在事发后长达5年调查和审判期间，供调查机构研究、取证。在相关调查人员眼中，它们是最宝贵“教材”。审判结束后，除了受损尤其严重车厢被销毁以外，可用车厢再度回到公众视野中。其中，几乎没有受损第一节车厢保持了1998年事故前样子，它成为了德国联邦政府技术应急机构教学样本。工程材料的选用与发展第19页德国高铁惨祸后重建信任§14.1失效分析列车后牵引车头则长久存放在机车修理厂，为其它损坏车头提供零配件。年，后牵引车头与其它两辆损坏牵引车头被重新组装，成为一个新牵引车头，再度回到铁轨上飞驰。而在死神走过铁轨周围，早已种下了101棵樱桃树。据艾雪德事故纪念官方网站介绍，101棵樱桃树代表着101个逝去生命，每年6月，鲜红樱桃果实和繁茂枝丫相互辉映，象征着事故受害者彼此扶持，相互照料。，当地政府在事故现场旁树立起一块长8米、高2.1米纪念碑，上面刻着101位受难者名字、出生年月和故乡，以及对事故介绍。每年6月，现有德国高速列车正式运行纪念日，也有艾雪德事故国悼日。此时，樱桃树也开始结果。挂满枝头樱桃，“守护”着不远处铁轨上一列列飞驰列车。工程材料的选用与发展第20页§14.2选材标准一、使用性能选材标准二、工艺性能选材标准三、经济性能选材标准四、材料技术经济评价指标工程材料的选用与发展第21页§14.2选材标准工程材料的选用与发展第22页§14.2选材标准一、使用性能选材标准工程材料的选用与发展第23页四、材料技术经济评价指标§14.2选材标准工程材料的选用与发展第24页四、材料技术经济评价指标§14.2选材标准工程材料的选用与发展第25页§14.2选材标准四、材料技术经济评价指标工程材料的选用与发展第26页§14.2选材标准四、材料技术经济评价指标

由表可知：对飞机机身而言，聚氨酯发泡塑料芯材成本虽低，但却无法满足机身夹层结构功效要求(主要是力学性能)，此时应选成本虽高、而功效更加好铝蜂窝芯材；冰箱壳体价值选材结果与之恰好相反。高速列车、城市轨道客车车门夹层结构，其芯材选铝蜂窝和硬质聚氨酯发泡塑料均可，而后者更佳。工程材料的选用与发展第27页§14.3经典零件选材与工艺分析一、工程材料应用概况与评价二、齿轮类零件选材三、轴类零件选材四、刀具选材五、冷作模具选材工程材料的选用与发展第28页二、齿轮类零件选材（一）齿轮工作条件、主要失效形式及性能要求1.工作条件

齿根部承受圈套交变弯曲应力；齿面啮合并发生相对滑动，承受较大交变接触应力及强烈摩擦；因开启、抵挡或啮合不良，齿轮要承受一定冲击力；有时还有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性能要求。§14.3经典零件选材与工艺分析2.

主要失效形式

断裂、齿面损伤、齿面腐蚀等。3.主要性能要求（1）齿轮材料应有高弯曲极限，以预防轮齿疲劳断裂。（2）齿轮材料应有足够高齿面接触疲劳极限和高硬度、耐磨性，以预防齿面损伤。（3）齿轮材料应在足够强韧性，以防冲出过载断裂。工程材料的选用与发展第29页二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第30页二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析齿轮轮齿脆性断裂工程材料的选用与发展第31页（二）惯用齿轮材料二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析

1.金属材料（1）锻钢（2）铸钢（3）铸铁（4）有色金属，如黄铜、青铜（5）粉末冶金材料

2.非金属材料，如尼龙、ABS、聚甲醛工程材料的选用与发展第32页（二）惯用齿轮材料二、齿轮类零件选材

1.金属材料（1）锻钢

①低碳钢及低碳合金钢如20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，其热处理工艺普通为：退火或正火渗碳后淬火+低温回火，可使齿轮含有表面高硬度、高耐磨性、高弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高强韧性，适合制造高速、大冲击中载和重载齿轮。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第33页二、齿轮类零件选材②中碳钢及中碳合金钢如Q235、40、45、40Cr、40MnB等，其热处理工艺普通为正火或调质表面淬火+低温回火，可确保齿轮表面硬度、疲劳极限和耐磨性，但齿面硬度不很高，心部韧性也不够高，其综协力学性能不如低碳渗碳钢，适合制造中低速、无猛烈冲击齿轮。③中碳渗氮钢如40Cr、35CrMo、38CrMoAlA钢，经调质处理后进行渗氮，其力学性能优良、变形小，主要用于高精度、高速齿轮。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第34页二、齿轮类零件选材（2）铸钢如ZG270-500、ZG310-570、ZG40Cr等，因为力学性能比锻钢差，使用较少，适合用于制造对性能要求不高、低速、尺寸较大、形状复杂齿轮。（3）铸铁灰铸铁含有优良减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，但强韧性欠佳，多用于制造一些低速、轻载、不受冲击非主要齿轮，如HT200、HT250、HT350等；球墨铸铁强韧性很好，可采取QT600-3、QT500–7代替部分铸钢齿轮。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第35页二、齿轮类零件选材（4）有色金属在仪器仪表及一些特殊条件下工作轻载齿轮，在有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采取一些耐磨性很好有色金属材料制造，其中最主要是铜合金，如H62、铝青铜，如QSn6.5-0.1、硅青铜，如QSi3-1等。（5）粉末冶金材料

§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第36页二、齿轮类零件选材（三）经典齿轮选材实例

1.机床齿轮

机床传动齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高，普通用中碳钢（如45钢），也可选取中碳合金钢（如40Cr、40MnB、40MnVB）制造，经调质后心部有足够强韧性，能承受较大弯曲应力和冲击载荷。表面采取表面淬火+低温回火，硬度可达52HRC左右，提升了耐磨性。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第37页机床齿轮简明加工工艺路线：下料─铸造─正火─粗加工─调质─精加工─高频淬火+低温回火─精磨二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析机床变速箱齿轮工程材料的选用与发展第38页C616机床齿轮1.工作条件:（1）工作负荷不太大；（2）中速运转(6～10m/s)。2.技术要求:（1）齿面硬度45～50HRC，金相组织为回火索氏体。（2）齿心部硬度22～25HRC，金相组织为回火马氏体。二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析3.选材:40、45钢。4.加工工艺路线:下料铸造正火粗加工调质半精加工精车加工高频淬火及低温回火精磨工程材料的选用与发展第39页二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第40页2.汽车、拖拉机齿轮

这类动力车辆齿轮工作条件比机床齿轮恶劣，尤其是主传动系统中齿轮更是如此，它们受力较大，易过载，起动、制动及变速时受到频繁强烈冲击，所以要求这类齿轮材料耐磨性、疲劳性能、心部强度和韧性等性能要求都比机床齿轮高。通常选取合金渗碳钢（20Cr、20CrMnB、20CrMnTi、20CrMnMo），经渗碳淬火+低温回火后使用。二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第41页二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析我国多采取20CrMnTi制造汽车齿轮，其简明加工工艺路线：下料─铸造─正火─切削加工─渗碳、淬火+低温回火─喷丸─磨削加工汽车后桥齿轮

工程材料的选用与发展第42页JN–150型载重汽车变速箱齿轮1.工作条件:（1）工作负荷大。（2）高速运转(10～15m/s以上)。（3）受冲击频繁,磨损较严重。2.技术要求:（1）齿面硬度58～62HRC,组织为M回+合金K+AR。（2）齿心部硬度35～45HRC,组织为M回（低碳）+F+细P。二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析3.选材:20CrMnTi钢。4.加工工艺路线:下料铸造正火机械加工渗碳淬火低温回火喷丸磨齿

工程材料的选用与发展第43页二、齿轮类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第44页三、轴类零件选材（一）轴工作条件主要失效形式与性能要求1.工作条件受交变弯曲载荷、扭转载荷或拉—压载荷；轴与轴相对运动表面发生摩擦；因机器开—停、过载等，轴还要承受一定冲击载荷。2.主要失效形式断裂、磨损、过量变形3.主要性能要求高疲劳极限；优良综协力学性能；局部承受摩擦部分应含有较高硬度和耐磨性。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第45页（二）惯用轴类零件材料三、轴类零件选材1.

锻钢

铸造成形优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料主体。

35、40、45、50等碳钢含有较高综协力学性能且价廉，应用广泛Q235、Q255、Q275等普通碳钢用于受力不大或不主要轴，可深入降低成本40Cr、40MnVB等合金调质钢含有良好综协力学性能，适用于制造受力较大、尺寸较大、形状复杂主要轴。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第46页三、轴类零件选材

（1）对精度要求极高轴要采取专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造中碳钢热处理特点是：正火或调质确保轴综协力学性能（强韧性），然后对易磨损相对运动部位进行表面强化处理（表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等）。

（2）当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造。

（3）当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高耐磨性时，宜用高碳钢（如GCr15、9Mn2V）制造。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第47页（二）惯用轴类零件材料三、轴类零件选材2.铸钢对形状极复杂、尺寸较大轴可采取铸钢来制造，如ZG230–450。3.铸铁因大多数轴很极少以冲击过载而断裂失效，故近几十年来越来越多地采取球墨铸铁（如QT700-2）和高强度灰铸铁（如HT350、KTZ550–06）来代替钢作轴材料。§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第48页（三）经典轴选材实例三、轴类零件选材直结式高速主轴§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第49页三、轴类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析C616-416车床主轴简图工程材料的选用与发展第50页1.工作条件:（1）该轴在滚动轴承中运转。（2）承受中等负荷，承受一定冲击力。（3）转速中等。

2.技术要求:（1）整体调质后硬度应为200～230HB，金相组织为回火索氏体。（2）内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC45～50，

表面3～5mm内金相组织为回火托氏体和少许回火马氏体。（3）花键部分硬度48～50HRC，金相组织同上。三、轴类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第51页3.选材:45钢4.加工工艺路线:下料铸造正火粗加工调质半精加工钻中心孔精车加工铣键槽局部淬火(锥孔及外锥体)粗磨滚铣花键花键淬火精磨三、轴类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第52页（二）YJ–130汽车半轴三、轴类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第53页1.工作条件:（1）该轴在上坡或开启时,承受较大扭矩。（2）承受一定冲击力和含有较高抗弯能力。（3）承受重复弯曲疲劳应力。2.技术要求:（1）杆部硬度HRC37～44；盘部外圆硬度HRC24～34；金相组织为回火索氏体和回火托氏体。（2）弯曲度:杆中部<1.8mm；盘部跳动<2.0mm。三、轴类零件选材§14.3经典零件选材与工艺分析工程材料的选用与发展第54页3.选材:40Cr、42CrMo、40CrMnMo。4.加工工艺路线:下料铸造正火粗加工调质半精加工精车加工盘部钻孔磨花键

三、轴类零件选材§14.3