机械零件失效与选用

机械零件失效与选用第1页/共61页27.1.1零件失效形式零件失效的模式及其失效机理第2页/共61页3一、畸变失效

畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。

1.弹性畸变失效——刚度2.塑性畸变失效——强度3.翘曲畸变失效第3页/共61页4二、断裂失效第4页/共61页5（1）韧性断裂断裂前发生明显的宏观上的塑性变形断口特征：明显缩颈，杯锥状、灰暗（2）脆性断裂断裂前未发生明显的宏观上的塑性变形，或产生很小的永久变形断口特征：断口平整、光亮（3）韧性—脆性断裂1.断裂失效的分类（按断裂性质）第5页/共61页6（1）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（2）穿晶断裂指裂纹萌生和扩展是在晶粒内部发生的断裂。（3）混晶断裂1.断裂失效的分类（按断裂路径）第6页/共61页72.断口分析方法断裂失效分析的核心和向导断口三要素

F-纤维状区

R-放射状区（脆性特征）

S-剪切唇区（灰色）第7页/共61页83.断裂的微观特征脆性断裂断口(解理花样)沿晶断口(冰糖花样)韧性断裂断口（韧窝）滑移分离之蛇形滑移第8页/共61页9三、磨损失效磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面状态和尺寸改变的现象。活塞环与缸套之间的摩擦

第9页/共61页101.磨损失效的基本类型（1）粘着磨损（2）磨料磨损（3）表面疲劳磨损（4）冲刷磨损（5）腐蚀磨损第10页/共61页11粘着磨损示意图局部粘结(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（1）粘着磨损粘着磨损磨痕第11页/共61页12外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤的磨损。主要特征是表面被犁削形成沟漕。（2）磨粒（料）磨损磨粒磨损示意图磨粒磨损磨痕磨料磨损是最常见的、危害最为严重的磨损形式。在各类磨损形式中，磨料磨损大约占50%。第12页/共61页13冲刷磨损示意图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。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。（3）表面疲劳磨损（4）冲刷磨损

含固态粒子的流体(常为液体)

冲刷造成表面材料损失（5）腐蚀磨损摩擦的同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。第13页/共61页14

（1）摩擦副材质

互溶性；

表面强化处理情况；表层组织和结构缺陷。

（2）工况参数

接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。2.影响磨损失效的基本因素第14页/共61页151.均匀腐蚀——全面腐蚀2.点腐蚀——局部腐蚀3.晶间腐蚀——局部腐蚀四、腐蚀失效腐蚀：材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。第15页/共61页16断裂仅占5%

腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%齿面接触疲劳轴瓦磨损失效统计：第16页/共61页177.1.2失效分析的基本方法任务：找出失效的主要原因，制订改进措施。导致零件失效的主要原因的示意图第17页/共61页181.事故调查失效现场；背景材料。2.资料搜集3.实验分析

失效机械的结构分析宏观和微观断口分析失效件材料的成分分析金相分析失效件材料的组成相分析失效件材料的力学性能检测、应力分析、测定4、分析结果提交：提出失效性质、失效原因，预防措施或建议，提交失效分析报告。失效分析程序：第18页/共61页197.2机械零件选材原则7.2.1使用性能原则（首要原则）

材料的使用性能应满足使用要求使用性能是零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。大量机器零件和工程构件特殊条件下工作的零件第19页/共61页20

（1）受力状况

载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式（拉伸）；载荷的特点（均匀、集中）等。

（2）环境状况

温度特性、介质情况等。

（3）特殊要求

对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。零件使用时的工作条件第20页/共61页21零件根据使用性能选材的步骤零件工作条件和失效形式分析，确定使用性能要求；性能要求指标化：如强硬度、塑韧性等的具体数值。几何形状、尺寸及载荷，计算应力分布；利用手册选材。

局限性：力学性能与零件尺寸有关零件工作条件常见失效形式性能要求应力

种类载荷

性质受载

状态螺栓拉、剪静载--过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环

冲击轴颈

摩擦疲劳断裂，过量变形

轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环

冲击摩擦

振动断齿，磨损，

疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限心部强度及韧性弹簧扭、弯交变

冲击振动弹性失稳，

疲劳破坏弹性极限，屈强比疲劳极限第21页/共61页227.2.2工艺性能原则满足生产工艺的要求图8-4高分子材料的加工工艺路线第22页/共61页23图8-5陶瓷材料的加工工艺路线第23页/共61页24金属材料零件选材的工艺性能原则图8-6金属材料的加工工艺路线第24页/共61页253.精密金属零件的工艺路线（精密丝杠、镗床主轴）

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。1.一般金属零件的工艺路线

毛坯正火或退火切削加工零件。2.性能要求较高的金属零件的工艺路线（轴、齿轮等）

毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火+回火，固溶时效或渗碳等)精加工零件。工艺性能：铸、锻、焊、机加工、热处理第25页/共61页26

一、材料的价格

应该尽量低。占30%～70%7.2.3经济性与环境友好性原则三、国家的资源

来源丰富并顾及我国资源状况。四、材料的环境友好与循环使用提倡绿色制造，使用材料与环境友好，不污染环境，可循环使用。使用可降解性塑料。二、零件的总成本

生产和使用的总成本最低。

与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。第26页/共61页277.3.1齿轮选材7.3.2轴类零件选材7.3.3弹簧选材7.3.4刃具选材7.3典型工件的选材与工艺第27页/共61页287.3.1齿轮选材1齿轮的工作条件(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力作用。第28页/共61页292齿轮的失效形式(1)疲劳断裂

(2)齿面磨损(3)齿面接触疲劳破坏(4)过载断裂第29页/共61页30(1)高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。(4)较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小等。3齿轮材料的性能要求第30页/共61页31性能要求主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。4齿轮类零件的选材选用低、中碳钢或其合金钢，表面强化处理第31页/共61页32传递动力，改变运动速度和方向工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。可选中碳钢（45钢）制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢（40Cr钢）5典型齿轮选材举例工艺路线：

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+低温回火一精磨（1）机床齿轮机床变速箱齿轮第32页/共61页33热处理的目的正火处理可消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。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。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：

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+低温回火一精磨第33页/共61页34例题C618机床变速箱齿轮（尺寸不大，厚15mm）工作时转速较高，性能要求如下：齿的表面硬度50～56HRC，齿心部硬度22~25HRC，整体强度σb=760～800MPa，整体韧性ａK=40～60J/cm2。请从下列材料中进行合理选用，并制订其工艺流程：35、45、T12、20CrMnTi、38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti、W18Cr4V。选用45钢制造，较为合适。其加工工艺路线为：下料→锻造→正火（840℃～860℃空冷）→机加工→调质（840℃～860℃水淬，500℃～550℃回火）→精加工→高频表面淬火（880℃～900℃水冷）→低温回火（200℃回火）→精磨。第34页/共61页35（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。采用低碳合金钢进行渗碳处理来作重要齿轮。20Cr或20CrMnTi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汽车后桥齿轮第35页/共61页36热处理目的：正火：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，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。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第36页/共61页37例题有一载重汽车变速箱齿轮，使用中受一定冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为58～63HRC，齿心部硬度33～45HRC，其余力学性能要求为:σb≥1000Mpa，σ-1≥440Mpa，aK≥95J/cm2

。试从下列材料中选择制造该齿轮的合适钢种，制订工艺流程，分析每步热处理的目的及其组织。35、45、T12、20CrMnTi、38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti、W18Cr4V。

制造该齿轮的适宜钢种为20CrMnTi第37页/共61页38加工工艺路线：下料→锻造→正火（950℃～970℃空冷）→机加工→渗碳（920℃～950℃渗碳6～8小时）→预冷淬火（预冷至870℃～880℃油冷）→低温回火→喷丸→磨削。热处理的目的及相应组织：正火：细化、均匀组织，改善锻造后组织，提高其切削加工性。组织为Ｆ＋S

。渗碳：表面获得高碳，保证经淬火后得到高硬度、高耐磨性。渗碳温度下对应的组织为Ａ。预冷淬火：齿表面获得高硬度、高耐磨性，组织为高碳Ｍ+碳化物+残余A；齿心部强、韧结合，组织为低碳Ｍ+F+T。低温回火：减少淬火应力、稳定组织，组织为：表面M回+碳化物+残余A

，心部M回+F+T。第38页/共61页39(1)轴类零件工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。7.3.2轴类零件选材1轴类零件的工作条件第39页/共61页40(1)长期交变载荷下的疲劳断裂

(2)过量变形甚至断裂;(3)表面过度磨损等。2轴类零件的失效方式(1)良好的综合机械性能(2)高的疲劳强度(3)高耐磨性(4)良好的切削加工性能，价格便宜。3轴类零件的性能要求轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损第40页/共61页41一般轴类零件：碳钢：35、40、45、50

钢热处理：正火、调质或表面淬火性能指标：强度、冲击韧性和表面耐磨性。材料：一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。载荷较大，限制外形、尺寸和重量，或轴颈耐磨性要求高：合金钢例：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等4轴类零件材料及选材方法球墨铸铁和高强度灰铸铁也可作曲轴的材料。第41页/共61页425典型轴的选材

（1）机床主轴选材（C620车床主轴）交变弯曲和扭转，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大具有一般综合机械性能，大端轴颈等部位耐磨性高第42页/共61页43选材：45钢热处理：调质处理，有摩擦部位进行表面淬火性能指标——

硬度220～250HB，轴颈52HRC。工艺路线——锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削最终组织——心部：S回轴颈表面：M回如果这类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43页/共61页44受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力形状极不规则，应力分布很不均匀曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。失效形式：疲劳断裂和轴颈严重磨损材料要求：高强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈还应有高的硬度和耐磨性。（2）内燃机曲轴选材第44页/共61页45实际生产中按制造工艺分锻钢曲轴和铸造曲轴两种锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，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+低温回火–磨削第45页/共61页46铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁以及合金铸铁等制造，如ZG45、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4。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→获得细P基体的组织，以满足强度要求高温回火→消除正火时产生的内应力轴颈气体渗氮→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46页/共61页47例题175A型农用柴油机曲轴---载荷不大性能指标：σb>750MPa，整体硬度240～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2牌号基体机械性能bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB

QT400-17F40025017600179

QT420-10F42027010300207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202160229-302QT700-2P7004902160229-302QT800-2P8005602160241-321

QT1200-1下B1200840130038HRC第47页/共61页48选材——QT700-2热处理工艺——

高温正火950℃

+高温回火560℃

+轴颈氮化570℃

最终组织——P+G+少量F工艺路线——

铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈氮化第48页/共61页49思考题1.欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10）。2.某汽车变速箱齿轮，要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齿面硬度≥HRC58，试选一材料，制定最终热处理工艺，分析每步热处理后组织。3.选材设计一个车床主轴。要求：该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，轴肩位置需要耐磨，经适当热处理后能有良好的综合机械性能，请选材，并设计热处理工序，分析每步热处理后组织。（第2、3题的待选材料：H70、20CrMnTi、T10、GCr15、60Si2Mn、

45、Q390、2Cr13、LC4、40Cr、Cr12MoV）第49页/共61页50答：选材——20CrMnTi，σb≥1100MPa，aKU2≥55J

，齿面HRC≥58~63。热处理工艺——930℃渗C+预冷830℃油淬+200℃回火最终组织——

心部：M回+F齿面：M回+碳化物+A'

答：选材——45

。下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→局部表面淬火+低温回火→精磨→成品

第50页/共61页511.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。

7.3.3弹簧类零件的选材

第51页/共61页52

（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）腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下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（σs/σb）。

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52页/共61页53

2.弹簧零件的选材

（1）汽车板簧一般选用65Mn、60Si2Mn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53页/共61页54第54页/共61页551.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500ºC～600ºC。

3）机用刃具往往承受较大的冲击与震动。7.3.4刃具选材

第55页/共61页56

（2）主要失效形式

1）磨损

2