第八章mme08知识分享

8.1

机械零件的失效及失效分析8.2

零件失效形式

8.3机械零件的选材原则

8.4不同失效形式的选材分析第八章机械零件的失效与选材8.1机械零件的失效及失效分析失效

零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。8.1.1失效的分类通常按失效模式和其相应的失效机理分类。●失效模式

失效的外在宏观表现和规律。

●失效机理

引起失效的微观物理、化学变化过程。失效模式和失效机理相结合，宏观和微观相结合、由表及里地揭示失效的物理本质。机械零件最常见的失效模式及其失效机理见下表。8.1.2失效的基本因素

一、设计因素---为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。根据零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发生的失效模式，建立给定条件下正常工作的准则，确定合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件。技术文件

设备图纸和设计计算说明书。如设计有误,则机械设备或零件将不能使用或过早失效。三、安装调试因素安装过程达不到所要求的质量指标，导致零件失效。●啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过松或过紧，接触状态未调整好)；●连接零件必要的“防松”不可靠；●铆焊结构的必要探伤检验不良；

●润滑与密封装置不良等；

●初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。

四、材质因素●选材不当使零件达不到设计要求而导致失效。●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料内部缺陷导致失效。五、运转维修因素

●不正确的运转参数、忽视维修，导致零件失效。●运转工况参数(载荷、速度等)的监控是否准确；●定期大、中、小检修的制度是否合理、执行；●润滑条件是否保证,润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑装置冷却、加热和过滤系统功能是否正常。8.2

零件失效形式

8.2.1畸变失效

--畸变

指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。畸变有两种基本类型：尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小)、形状畸变(如弯曲或翘曲)。●受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形

●轴的弯曲

●壳体的翘曲变形---发生畸变失效的零件不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰。一、弹性畸变失效弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，不恰当的变形量导致失效。●拉、压变形的杆、柱类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承)过载，机械因丧失尺寸精度造成动作失误。●弯、扭变形的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常。如轴承的严重偏载，甚至咬死，导致传动失效；●某些控制元件，如温控元件，予定的弹性变形(挠度)是温控装置的精度的保证。

影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。二、塑性畸变失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲，导致倒塌；●齿轮严重过载下运行，齿面出现鳞皱、起脊等塑性畸变，导致齿轮失效；●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。引起零件塑性畸变的因素，除在弹性畸变中所述有关影响因素外，常见的还有材质缺陷、使用不当、设计有误等，特别是热处理不良更为突出，实际上往往是多种因素的综合结果。三、翘曲畸变失效尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲，导致失效。翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等不均匀性引起。其中以温度变化，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。●受力钢架翘曲变形；●壳体在高温下形状翘曲。

8.2.2断裂失效

一、断裂失效的分类塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变失效断裂机械零件因断裂而产生的失效称为断裂失效。二、断口的分析方法断口分析是断裂失效分析的关键，是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。例：金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察，可以看到断口分为：三、断裂形式的特征1.韧（塑）性断裂的特征(1)宏观特征---宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45

角。(2)微观特征---蛇形滑移和延伸，间距不等、短而且平行、不连续的条纹韧窝，大小相当于显微空洞裂纹的一半。2.脆性断裂的特征脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。脆性断裂以零件内部存在的宏观裂纹(如肉眼可见的0.1mm～1mm)作为源开始的。宏观裂纹可以是在生产工艺过程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀而产生。中、低强度钢在10℃～15℃以下会由韧性状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。

(1)宏观特征---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)。

(2)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。因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂叫解理断裂。断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是1030m/s，在低温和三向应力状态时更快；沿着特定的晶面(称为解理面)发生，这些晶面一般是属于低指数的。3.其它断裂失效形式(1)疲劳断裂---在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂的过程称金属的疲劳断裂。(2)蠕变断裂---在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。

空气压缩机工作时，皮带轮内三根辐条受到弯矩和剪切力的联合作用，并且承受强烈震动，产生疲劳裂纹。疲劳裂纹扩展使辐条断裂。连接在轮毂上的辐条残余部分将连接外缘的辐条部分撞断。撞击边缘，使边缘破损。皮带轮破断后，空气压缩机停止工作，造成客车气压不足、刹车失灵。最终造成重大交通事故。8.2.3磨损失效

磨损

相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。一、磨损失效的基本类型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。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（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。3.犁削磨损硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，在较软材料的表面形成“犁沟”。---活塞环与缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现象）、磨料磨损。4.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。5.冲刷磨损---冲刷磨损是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。6.腐蚀磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，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。二、影响磨损失效的基本因素1.摩擦副材质---材料副的互溶性，相同金属、晶格类型、原子间距、电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易于粘着而导致粘着磨损失效。金属与非金属(如塑料、石墨等)，互溶性小，粘着倾向小。材料副的表面强化处理提高耐磨性。材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各种磨损加剧。2.工况参数包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。提示：

合理的表面强化处理可以减少磨损。一是改变组织结构，二是适度提高硬度。表面强化处理有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨损率。8.2.4腐蚀失效

一、均匀腐蚀---

在整个金属的表面均匀地发生腐蚀。腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织，腐蚀环境包围金属表面是均匀而且不受限制。均匀腐蚀可在大气、液体以及土壤里产生。●钢材在大气中所产生的锈蚀；●铜在土壤里的锈蚀。

腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。二、点腐蚀金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部电池”，其中受破坏处是阳极，未受破坏处是阴极，腐蚀电流由阳极流向周围的阴极，阳极处很快被腐蚀成小孔。腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度扩展成孔穴甚至穿透(孔蚀)。三、晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。腐蚀失效举例

--（汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效分析）

弹簧材料为碳素弹簧钢。长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧丝的截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。在阀芯受到向上的作用力F时，弹簧破断。阀芯失去密封作用。使气体泄漏，造成气压降低，刹车失灵，造成严重事故。8.3机械零件选材原则

8.3.1使用性能原则

一、机械零件正确选材的使用性能原则

使用性能主要是指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。机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。二、零件使用时的工作条件（1）受力状况---主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。（2）环境状况---主要是温度特性、介质情况等。（3）特殊要求---如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。

三、零件根据使用性能选材的步骤●对零件工作条件和失效形式全面分析，确定零件对使用性能的要求；●根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；●由工作应力、使用寿命、安全性等，确定要求性能的具体数值；●利用材料手册根据使用性能选材。１.零件的工作条件和失效形式零件失效类型变形——弹、塑性变形。断裂——脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤——磨损、腐蚀等。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

，疲劳极限零件失效的原因——设计、材料、加工、安装和使用。２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能要求——导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。４.性能要求的指标化——如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性——力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能

热处理条件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的数据完全相同，必须注意以下情况：●材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。●材料的性能与试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。●材料的化学成分、加工处理的工艺参数都有一定波动范围。8.3.2工艺性能原则

——铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线一般零件——毛坯→正火或退火→切削加工轴、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，时效，渗C等）→精加工精密丝杠毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→ 时效（或N化）→精加工→时效1、高分子材料零件选材的工艺性能原则高分子材料成形容易，方法较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使其变焦(热固性塑料)或变软(热塑性塑料)。2、陶瓷材料零件选材的工艺性能原则陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。三、金属材料零件选材的工艺性能原则金属材料加工的工艺路线复杂，变化多。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。8.3.3经济性原则——根本原则１.产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70%制造（加工）成本——约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材

料美元

/t材料美元

/t铂26,000,000工业金刚石900,000,000金19,100,000硼―环氧树脂复合材料330,000钨26,000碳纤维复材料200,000钛合金10,190～12,720

玻璃纤维复合材料2400～3300

黄铜（型材）1650～2336

尼龙663289铝合金（型材）2000～2440

环氧树脂1650低碳钢（型材）440～480

天然橡胶1430铸铁260氧化铝1100-1760硬质合金66,000玻璃1500一、材料的价格--零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的比率，一般可占产品价格的30%～70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。

二、零件的总成本

---零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。

三、环境与资源原则——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程１.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量２.环境污染小废气排放少材料回收及降解

储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751提示

正确选材是机械设计的一项重要任务。材料的使用性能应满足使用要求；材料的工艺性能应满足生产工艺的要求；采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求——齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）强度，韧性。选材调质钢——调质+表面淬火+低温回火渗C钢——硬度、韧性高。实例——载重汽车变速箱齿轮

性能指标——σb>1000MPa，aKU2≥50J

，齿面硬度≥HRC55。

选材——20CrMnTi，σb

>1080MPa

，aKU2≥

55J，齿面HRC≥58~63。

最终热处理工艺——930℃渗C+预冷830℃油淬+200℃回火

最终组织——心部：回火M+F齿面：回火M+碳化物+A'

工艺路线——锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削二、机床主轴选材性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴——45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴——40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴——20CrMnTi，经渗C、淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴——38CrMoAl，调质+N化+时效。实例１——C620车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。

性能指标——硬度220～250HB，轴颈52HRC。选材——45钢热处理工艺——830℃水淬+500℃回火+轴颈高频淬火+200℃回火最终组织——心部：回火S

轴颈表面：回火M

工艺路线——锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削三、内燃机曲轴选材性能要求——强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材——调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例——175A型农用柴油机曲轴

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。选材——QT700-2

热处理工艺——880~920℃正火+500～600℃回火+轴颈

N化

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

N化小结重点要求在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。

一般要求1.选材原则——材料的使用性能、工艺性能和经济性。2.典型零件的加工工艺路线。3.零件失效的概念。本章是本课程的综合及实际应用渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油机械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63back调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）

p174淬透性钢号主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.3