第5章 零件失效分析

零件的失效选材的原则典型零件的选材

零件的失效什么是失效：由于某种原因丧失其规定功能①完全不能工作；②虽仍能工作，但已不能完成指定的功能或工作低效；③有严重损伤，不能确保安全工作。失效的基本类型①断裂失效②过量变形失效（畸变失效）③表面损伤失效失效的主要原因①设计缺陷②选材不当或材质存在缺陷③制造工艺问题④装配调试因素⑤运转维修因素零件失效形式类型零件失效的主要原因：失效分析的一般方法

正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序：

（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。

（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、材料、加工、使用各方面进行具体的分析。

（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。

（4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。

（5）断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。

（6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。典型零件的工作条件、失效形式及主要机械性能指标螺栓的脆性断裂韧性扭转过载断口齿轮折断齿面点蚀齿面磨损齿面胶合齿面塑性变形齿轮的失效常见的滚动轴承失效形式接触疲劳失效磨损失效腐蚀失效断裂失效铁路货车摇枕出现裂纹的宏观位置摇枕断口宏观照片目测可见的两条亮线和焊补区

使用性能原则

根据零件的工作条件、失效形式，确定零件的使用性能指标工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺（铸、锻、焊、机加工、热处理）的要求经济性原则应考虑材料的价格、零件的总成本

、国家的资源等因素

选材的原则机械零件选材的一般步骤典型工件的选材及工艺机床齿轮

工作条件——转速中等，载荷不大，工作平稳，无强烈冲击

性能指标——心部HBS220~250，齿面硬度≥HRC52

选材

——45、40Cr

工艺路线——锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轮齿高频淬火及低温回火→精磨

最终组织——心部：回火S齿面：回火M

载重汽车变速箱齿轮

工作条件——受力较大，受冲击频繁。

性能指标——耐磨性、疲劳强度、心部强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高（σb>1000MPa，aK≥50J，齿面硬度≥HRC55）

选材——

20CrMnTi、20Cr

工艺路线——

下料→锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削

最终组织——心部：回火M+F齿面：回火M+碳化物+Ar

机床主轴工作条件与性能要求：受交变弯曲和扭转复合应力，载荷和转速不高，冲击载荷不大，一般综合机械性能即可；大端轴颈、锥孔与卡盘、顶尖间有摩擦，要有较高硬度和耐磨性。

典型工件的选材及工艺C620车床主轴选材与工艺：普通车床（轻载）主轴

——45，调质或正火+轴颈高频表面淬火。工艺路线:锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面淬火＋低温回火→磨削心部：回火S，轴颈表面：回火M铣床（中载）主轴

——40Cr，调质+轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴

——20CrMnTi、20Cr，渗C+淬火+回火处理。精密镗床（高精度）主轴——38CrMoAl，调质+N化+时效。

175A型农用柴油机曲轴

性能——功率和承受载荷不大；轴颈部要有较高硬度及耐磨

σb>750MPa，整体硬度240～260HBS，轴颈表面硬度≥(HRC55)

选材——QT700-2

工艺

——铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈

N化

最终组织

——P+G+少量F

热处理工艺

——880~920℃正火+500～600℃回火+轴颈

N化手工刃具（手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速刃具）性能——高硬度、高耐磨性，红硬性和强韧性要求不高选材——碳素工具钢，T8、T10、T12等工艺——锻造→球化退火→机加工→淬火—低温回火最终组织

——回火M

低速切削、形状较复杂的刃具

（丝锥、板牙、拉刀等

T工作<300ºC）

性能——高硬度、高耐磨性，一定的热硬性和韧性

选材——9SiCr、CrWMn

工艺

——锻造→球化退火→机加工→淬火—低温回火

最终组织

——回火M板牙丝锥高速切削用的刃具（高速车刀、钻头、铣刀等

T工作<600ºC)

性能——高硬度、高耐磨性，高热硬性、高精度；较高的强度、韧性

选材——高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)

、硬质合金、

陶瓷

工艺

——锻造→球化退火→粗加工→淬火+回火→精加工→表面处理

齿轮滚刀

连杆

性能——承受多种力的作用，要求综合性能好

选材——45、40Cr、球墨铸铁工艺——锻造→正火→粗加工→调质→精加工

最终组织

——回火索氏体典型弹簧选材

汽车板簧

——用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷，需要高的屈服强度和疲劳强度

选材——轻型汽车65Mn、60Si2Mn；中型或重型汽车50CrMn,55SiMnVB；重型载重汽车55SiMnMoV,55SiMnMoVNb。

工艺

——下料→压力成型→淬火+中温回火→喷丸强化

最终组织

——回火T自行车弹簧——承受载荷小,精度要求不高

选材——60、65、65Mn

工艺

——下料→冷拔加工成型→淬火+中温回火

最终组织

——回火T板弹簧拉伸螺旋弹簧用45钢制造车床变速箱齿轮，其工艺路线为：下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--渗碳、预冷淬火--低温回火--磨削。20CrMnTi制造齿轮，其工艺路线为：下料--锻造--正火--切削加工--渗碳、淬火及低温回火--喷丸--磨削。制造形状简单、小型、精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具选用45，而形状复杂的大、中型精密塑料模具选用3Cr2Mo钢。下列零件与构件中选材不正确的是：机床床身用灰铸铁制造；桥