工程材料学第成形方法章优秀课件

工程材料学第成形方法章1第1页，共42页，2023年，2月20日，星期四失效——机械产品丧失功能的现象。失效分析——分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：零件完全破坏，不能继续工作；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件虽能安全工作，但工作低效。§12.1.1机械零件失效与分析12.1工程材料的选择2第2页，共42页，2023年，2月20日，星期四哥伦比亚号全体人员合影及左翼上的裂纹3第3页，共42页，2023年，2月20日，星期四一、失效原因（1）设计因素 设计不合理和设计时考虑不周密是构件失效的重要原因之一。例如，突然直角过渡的台阶轴，零件的尖角、棱角、棱边等都是应力集中的部位，必然也是破坏的祸源。（2）材料选择的正确性

材料选择不当，所选材料不符合构件性能要求，或设计者不能正确使用材料性能数据，或没有充分考虑各种材料的性能特点。例如，材料的缺口敏感性，脆性转变温度等，都将导致早期破坏。4第4页，共42页，2023年，2月20日，星期四（3）工艺历史冶金质量：冶金缺陷，如夹杂物、气孔、疏松、成分偏析、严重带状组织等，这些都是内伤，导致裂纹萌生，扩展。机械制造工艺缺陷：例如，高残余应力；不良表面质量；不正常的组织状态；达不到机械性能要求。5第5页，共42页，2023年，2月20日，星期四（4）服役条件（安装使用不当）①受力情况

负荷类型：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。

负荷性质和速度：静负荷、冲击负荷、交变负荷。

负荷状态：单向应力、三向应力、硬性状态、软性状态、应力集中和残余应力等。

负荷数值：过负荷、安全负荷。②工作环境

工作介质：水、油、大气、蒸汽、腐蚀（酸、碱、盐）。

温度：低温、室温、高温。

6第6页，共42页，2023年，2月20日，星期四（5）使用维护状态使用过程如果超载运行，润滑不良，净洁不好，腐蚀生锈，表面碰伤等，违反操作规程，不定期维修或维修不当，都可能导致提前失效。7第7页，共42页，2023年，2月20日，星期四表面损伤失效断裂失效变形失效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零件失效二、零件失效的基本形式8第8页，共42页，2023年，2月20日，星期四(1)断口分析T形法分枝法9第9页，共42页，2023年，2月20日，星期四韧性断口：宏观：纤维状，色质灰暗微观：大小不等的韧窝微观典型韧窝形貌(2)韧性断裂在构件断裂之前产生显著宏观塑性变形的断裂。10第10页，共42页，2023年，2月20日，星期四剪切韧窝撕裂韧窝等轴韧窝11第11页，共42页，2023年，2月20日，星期四等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝12第12页，共42页，2023年，2月20日，星期四根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。(3)脆性断裂构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂。山形条纹源区源区人字条纹13第13页，共42页，2023年，2月20日，星期四宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。微观：平坦的解理台阶与河流花样。宏观形貌微观解理花样脆性断口:14第14页，共42页，2023年，2月20日，星期四河流解理花样羽毛状花样15第15页，共42页，2023年，2月20日，星期四应力腐蚀高温蠕变

脆性断裂也可能沿晶界发生。呈现较大浮凸，可以看到多面体的晶粒外形和三叉边界。16第16页，共42页，2023年，2月20日，星期四应力腐蚀裂纹分叉现象氢脆裂纹的宏观形貌17第17页，共42页，2023年，2月20日，星期四疲劳断口:疲劳断口宏观形貌(4)疲劳断裂金属构件在交变载荷作用下，经过一定的循环周期后会发生突然的断裂。18第18页，共42页，2023年，2月20日，星期四疲劳条纹的微观形貌a.疲劳辉纹19第19页，共42页，2023年，2月20日，星期四b.轮胎压痕花样20第20页，共42页，2023年，2月20日，星期四(5)现代测试分析X射线衍射（XRD）型号BrukerD8Advance21第21页，共42页，2023年，2月20日，星期四扫描电子显微镜（SEM）型号：Quanta20022第22页，共42页，2023年，2月20日，星期四透射电子显微镜（TEM）型号：FEITecnaiG220S-TWIN23第23页，共42页，2023年，2月20日，星期四(6)断口分析方法a.选取合适大小的试样。24第24页，共42页，2023年，2月20日，星期四b.借助现代分析仪器。25第25页，共42页，2023年，2月20日，星期四三、零件失效分析实例(1)齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）26第26页，共42页，2023年，2月20日，星期四齿轮的失效行为:失效形式失效的原因齿面接触疲劳破坏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（或称麻点）疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿27第27页，共42页，2023年，2月20日，星期四(2)机车车辆的失效车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，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（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口见图：车轴疲劳断口（a）

疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。（b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源(a)(b)28第28页，共42页，2023年，2月20日，星期四车轴的疲劳断裂失效分析：撞伤意外损伤疲劳裂纹源发生在车轴内部──冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳断裂分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常机加工缺陷机加工不当腐蚀产物环境腐蚀磨损产物微动摩擦轴表面异常化学成份冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织冶炼、锻造或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45角扭转载荷过大29第29页，共42页，2023年，2月20日，星期四（1）使用性能原则——首要原则（2）工艺性能原则

（3）经济性原则——（4）环境与资源原则

根本原则§12.1.2选材的原则及应用实例选材的动机:

首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；

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，需改变用材。

一、选材的一般原则30第30页，共42页，2023年，2月20日，星期四(1)使用性能原则——①分析零件的工作条件；②进行失效分析；③确定零件对使用性能的要求；④具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；⑤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，首要原则31第31页，共42页，2023年，2月20日，星期四（2）工艺性能原则设计中所作出的选材决定必然会影响整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”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，那么已选定的材料将变得毫无意义。机械制造——采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能的重塑。制造过程的基本目的：一定的形状和尺寸一定的性能一定的精度32第32页，共42页，2023年，2月20日，星期四粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预先热处理零件切削加工最终热处理

金属零件的加工工艺路线33第33页，共42页，2023年，2月20日，星期四加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。说明毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）─→半精加工─→稳定化处理（或氮化）─→精加工─→稳定化处理─→零件。加工工艺性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。说明毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。加工工艺性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。举例毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。加工工艺性能、质量要求不高的零件34第34页，共42页，2023年，2月20日，星期四（3）经济性原则——根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成本制造厂利润维护费维修费保险费折旧费日常开支行政费批发与零售费研究与开发费可变成本（生产成本）基本材料成本制造成本35第35页，共42页，2023年，2月20日，星期四我国常用金属材料的相对价格材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1铬不锈钢5普通低合金结构钢1.25铬镍不锈钢15优质碳素结构钢1.3~1.5灰口铸铁~1.4合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5球墨铸铁~1.8铬镍合金结构钢（中合金钢）5可锻铸铁2~2.2滚珠轴承钢3铸造铝合金、铜合金8~10碳素工具钢1.6普通黄铜13~17低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200（工程塑料）5~1536第36页，共42页，2023年，2月20日，星期四（1）选材的一般程序

1．基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。

2．对若干备选材料性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。

3．进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。二、选材的实际过程37第37页，共42页，2023年，2月20日，星期四航空航天器用材很广泛，工程塑料、橡胶、陶瓷材料和各种金属。

1.中碳调质钢

40CrNiMoA、34CrNi3MoA用于高负载、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮机轴、喷气式客机的起落架及火箭发动机外壳等。

2.高合金耐热钢

1Cr13、2Cr25Ni、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB用于制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其它零件。（2）选材举例——航空航天器用材38第38页，共42页，2023年，2月20日，星期四

4.镍基耐蚀合金

Inconel718(Ni－19Cr－18.5Fe－5.1Nb－3Mo－0.9Ti)。制造泵轴、涡轮等航空发动机零部件。

3.高温合金

K403(Ni－11Cr－5.25Co－4.65W－4.3Mo－5.6Al)。主要用于制造涡轮工作叶片和导向器叶片。

39第39页，共42页，2023年，2月20日，星期四5.铝及其合金40第40页，共42页，2023年，2月20日，星期四形变铝合金

5A05（LF5）、5A11（LF11），用于焊接油箱、油管，制造铆钉和中载零件制品。3A21（LF21）用于焊接油箱、油管，制造铆钉及轻载零件和制品。硬铝合金2A01（LY1）可制造工作温度不超过100℃的结构用中等强度铆钉。2A11（LY11），用于制造骨架、模锻的固定接头、支柱、螺旋桨叶片、局部镦粗的零件、螺栓和铆钉等中等强度的结构零件。4