机械工程材料课件Material-8.ppt

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1、,第8章 机械零件的失效与选材,【重点内容】 1.选材的原则及方法； 2.典型零件的选材及工艺路线制定； 【本章难点】 选材的原则及工艺过程的分析。 【基本要求】 1.熟悉选材过程； 2.正确分析各热处理工序的作用；,第8章 机械零件的失效与选材,第一节 零件的失效分析,第二节 零件的选材,8-1 零件的失效分析,一 零件的失效： 1、零件失效： 零件由于某种原因（由于承受载荷、运动表面间的互相摩擦以及各种介质的作用，丧失了预定的功能时，即它发生了失效。指： 零件完全破坏，不能继续工作； 严重损伤，继续工作不安全； 虽能安全工作，但不能满意的起到预期作用。,8-1 零件的失效分析,2、非正常失

2、效（早期失效）： 低于设计预期寿命时发生的失效，称为非正常失效。 零件的失效，特别是那些事先没有明显征兆的失效，往往会带来巨大的损失，甚至导致重大事故。 3、正常失效： 零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效，称为正常失效。 因此，对零件的失效进行分析，找出实效的原因，并提出防止或推迟失效的措施，具有重要的意义。 零件失效分析的结果， 对零件的合理进行设计和加工工艺及正确使用延长使用寿命是完全必要的。它为这些工作提供了实践基础。防止机器非正常性故障，提高经济效益具有重要意义。,8-1 零件的失效分析,二 零件失效的形式： 根据零件损坏特点，所受载荷形式和外界条件等，可将失效分为变形、断裂核

3、表面损伤三大类 1、变形失效：零件在工作过程中因受力或受温度的作用而产生超过允许变形量的现象。 弹性变形失效：是指因构件和零件刚性不足，在受力过程中产生过量的弹性变形或弹性失稳，而导致的失效。 塑性变形失效：多发生在构件和零件所承受的工作应力超过材料的s而产生过量变形失效。 蠕变失效：是指长期受固定载荷的零件，在高温下蠕变量超过规定范围，使之处于不安全状态而导致的失效。当温度超过材料的在结晶温度时，蠕变变形十分明显。材料发生蠕变是由于回复和再结晶，位错密度降低，碳化物的球化或石墨化，第二相析出或聚集等原因所引起。所以通过合金化，热处理等途径，增加金属的变形硬化能力，提高其回复和再结晶温度，可以

4、提高材料的抗蠕变能力。,2、断裂失效： 零件在工作中，当作用应力达到一定值时，材料的截面相邻两部分发生完全分离的现象，称为断裂。断裂是零件最危险的失效形式。它往往是多种因素综合作用，引起材料内部发生一系列复杂过程的最后结果。断裂的形式因载荷特性、材料性能，外界温度和环境介质等的不同而异。 塑性断裂失效：（韧性断裂) 是屈服强度的结果，受静载零件产生过量的塑性变形，直至断裂，断口形貌呈暗灰色，纤维状，断面收缩率大，断口呈杯状或45度斜断。 低应力脆断失效：脆性断裂时无明显塑性变形，常在低应力下能发生；在静载、冲击载荷时可发生；光滑、缺口构件也可以发生。但最多的是有尖锐缺口或裂纹的构件，在低温或受

5、冲击载荷时发生的低应力断裂。断口形貌较平齐，呈光亮结晶状。 疲劳断裂失效： 零件承受交变应力作用时，在比静载屈服应力低的多的应力下发生突然断裂，断裂前没有明显征兆。 蠕变断裂失效：受长期固定载荷的零件，特别是在高温下工作的，蠕变量超过规定范围，因而处于不安全状态，严重时可能与其它零件相撞，造成断裂。 介质加速断裂失效：零件在某些环境中受载时，由于应力和腐蚀介质的作用下，引起断裂。称为介质加速断裂失效（应力腐蚀失效）。,8-1 零件的失效分析,3、表面损伤失效： 零件在工作过程中，其表面由于受机械的或环境介质的共同作用下，表面质量或尺寸、形状发生变化而导致的失效，统称为表面损伤。 磨损： 表面疲

6、劳失效： 腐蚀失效：, 磨损：是零件最常见的失效形式之一。研究磨损规律，提高材料的耐磨性，对延长零件使用寿命具有重要意义。磨损的原因和种类很复杂，但按磨损机理，一般可分为磨粒磨损、氧化磨损、粘着磨损。 a、磨粒磨损： b、氧化磨损： c、粘着磨损：,磨擦副表面的硬的微观凸起或硬质磨粒，在外力作用下，嵌入软的一方，使相对运动时材料被犁切而逐渐磨耗的过程叫磨粒磨损。磨粒磨损受工作温度、环境介质、应力大小以及材料性能等因素的影响。一般的讲，材料硬度愈高，耐磨性愈好；硬度相同时，B下组织的耐磨性比M回的高；钢中高硬度的合金碳化物，可大大提高耐磨性；磨粒愈硬，磨损愈严重；机器的防尘和经常擦洗能大大减小磨

7、粒磨损。,材料由于外界环境的影响而产生表面氧化，氧化膜在摩擦之中被剥落，于是新露出的表面又被氧化，氧化膜又被剥落，如此不断重复所造成的磨损称为氧化磨损。 形成的氧化膜愈脆弱，和基体的结合愈差，磨损也就愈严重。适当的润滑和对零件表面进行发蓝，硫氮共渗以及对有色金属的氧化处理等，都可以有效的减少氧化磨损。,零件无论经过怎样精细的加工，表面不可能绝对平滑，总是存在高低不平，表面愈粗糙，真正接触面愈少，接触压力就愈大，在很大的接触压力下，接触点的润滑剂被挤出，可能发生粘着，这样，在相对运动中焊着的触点，受剪而撕落，产生粘着磨损。 粘着磨损与润滑条件、接触压力、表面粗糙度有关，也与材料的强度、塑性、韧性

8、有关。强韧性愈好，耐磨性也愈好。表面硬化处理可以有效的减小粘着磨损。渗硫并不提高硬度，但表面形成的硫化铁，摩擦系数小，可防止粘着。降低表面粗糙度和选用热稳定性高的合金钢等，均可减轻粘着磨损。, 表面疲劳失效： 零件表面在交变接触应力的作用下，产生的一种表面疲劳损坏现象称为疲劳磨损，又称为接触磨损，常发生在齿轮和滚动轴承等零件的接触表面上。受材料的冶金质量，零件表面光洁度，表面硬度和表面强硬化处理等因素的影响。 腐蚀失效： 金属材料由于化学或电化学作用而引起的破坏称为腐蚀失效。 多数情况下以电化学腐蚀方式进行的，为提高金属的耐腐蚀性，应使金属具有均匀的化学成分，均匀的组织，以尽量避免形成微电池，

9、提高金属的电极点位，或在金属表面形成致密的保护膜，使腐蚀介质不易向内侵蚀。对钢而言，主要是通过合金化，以便在室温下获得单相的铁素体或奥氏体组织，以提高抗蚀能力。 同一零件在使用过程中，可能存在多种失效形式，各失效形式之间并不是孤立的，而是与材料失效抗力指标相互关联的。为了提高使用寿命，首先应抓住危害最大的一种失效形式加以解决；其次要注意失效主导因素的转化，使另一失效形式上升为主要失效形式，要有针对性地进行分析解决。,8-1 零件的失效分析,8-1 零件的失效分析,三 零件失效的原因： 1、设计不合理： 最常见的情况时，零件尺寸和几何结构不正常；如过渡圆角大小存在尖角、锐角切口等，造成了较大的应

10、力集中。 设计中对零件工作条件估计错误； 如：对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件承载能力不够。或者对环境的恶劣成都估计不足，忽略或低估了温度、介质等因素的影响，造成零件实际工作能力下降而失效。 未经周密计算，或因零件结构复杂，很难进行应力计算，又未进行测试试验，就从事设计，也往往引起零件的早期失效。,8-1 零件的失效分析,2、选材错误： 选材不当：设计中对零件的服役条件和失效形式判断错误，使所选用的材料不能满足工作条件的要求。 材料的冶金质量太差。主要是金属材料中存在超标准允许的冶金缺陷：如缩孔、非金属夹杂物、脆性第二相、微量杂质元素偏析和夹层等，它们破坏了金属的连续性，使零件机械性

11、能恶化，并往往成为裂纹源，导致脆断或疲劳裂断失效。,8-1 零件的失效分析,3、加工工艺不当：零件在加工和成型过程中，由于采用的工艺不正确，可能造成种种缺陷。 冷加工常出现的缺陷是：表面光洁度太低，存在较深的刀痕，磨削裂纹等； 热变形中最容易产生的缺陷是过烧、过热和带状组织等； 热处理中，工序的遗漏，淬火冷却速度不够，表面脱碳，淬火变形，开裂等，都是造成零件失效的重要原因。尤其当零件厚度不均匀，截面变化急剧，结构不对称时，热处理工艺对零件失效的影响，更应特别注意。,8-1 零件的失效分析,4、安装使用不良： 安装时配合过紧过松，对中不好，固定不紧等，都可能使零件不能正常的工作，或工作不安全；

12、使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零件在不正常的条件下运转。 如：零件磨损后未及时调整间隙进行更换，会造成过量弹性变形和冲击受载；环境介质的污染会加速磨损和腐蚀进程，等等。 以上只讨论了导致零件失效的四个方面的原因，但实际的情况是很复杂的，还存在其它方面的原因。 另外，失效往往不只是单一原因造成的，而可能是多种原因共同作用的结果。在这种情况下，必须逐一考查设计、材料、加工和安装使用等方面的问题，排除各种可能性，找到真正的原因，特别是起决定作用的主要原因。,8-1 零件的失效分析,四 失效分析的方法： 1、失效分析：寻找一个零件失效原因的研究工作。它包括逻辑推理和实验研究。 2、失效分析作用

13、：找到失效的真正原因，提出防止失效的有效途径。 、失效分析的方法：,、失效分析的方法： 收集失效零件的残体，观测并记录损坏的部位，尺寸变化和断口宏观特征；收集表面剥落物和腐蚀产物，必要时照相留据； 了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏的顺序； 审查有关零件的设计、材料、加工、安装、使用及维修等方面的资料； 试验研究，取得数据。进行综合分析，判断失效的原因，提出改进措施，写出失效分析报告： a、在零件失效部位取样， 以供化验成分、检查冶金质量、组织分析、探伤和测定与失效形式有关的各项性能指标，从中找出材料性能指标不足之处，以次建立主要的失效抗力指标，确定这些抗力指标随材

14、料成分、组织、状态的变异规律。以判断原来所选用的材料及热处理工艺是否妥当。 b、首先判断失效的性质，对于事故性失效则需进一步分析其原因和提出克服失效的措施。为了做好这项工作，应做到设计、材料和成形加工和强化工艺统一考虑，零件结构强度与材料强度相结合；实验室试验研究与生产实验相结合，这样就使失效分析建立在可靠的科学方法的基础上。,8-2 零件的选材,一 选材的基本原则： （一）材料的使用性能原则： 1、概念：使用性能是指零件在正常的服役条件下，材料应具有的性能（机械、物理、化学）。 对于机器零件和工程构件，最重要的是机械性能。 根据零件工作条件(提出）机械性能的要求和失效形式,2、零件的工作条件

15、（服役条件）： 受力状况：主要是载荷类型（如动载、静载、循环载荷或单调载荷等）和大小；载荷的形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等）以及载荷的特点（如均匀载荷或集中载荷）； 环境状况：主要是温度特性（如低温、常温、高温或变温）；以及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用等）。 特殊要求：主要是导电性、磁性、导热性等特殊要求： 零件的失效形式如前述，主要包括过量变形、断裂和表面损伤三个方面。 通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求，确定该零件应具有的最关键的抗力指标。选择能满足性能要求的最合适的材料成分及组织状态，制定出最佳的热处理工艺，并为设计提出正确的许用应力，以期求得最经济合理

16、的设计，产生出质量高、重量轻、寿命长的零件。,8-2 零件的选材,(二）材料的工艺性能原则： 1、概念：工艺性能是指零件在冷、热加工过程中，材料应具有的性能，表示材料加工的难易程度。 在选材中，同使用性能比较，工艺性能常处于次要地位。但在某些特殊情况下，工艺性能也可成为选材考虑的主要依据。 另外，一种材料即使使用性能很好，但若加工困难，或者加工费用太高，它也是不可取的，应该考虑材料的工艺性能。 材料所要求的工艺性能与零件生产的加工工艺路线密切相关，具体的工艺性能，就是从工艺路线中提出来的。,2、金属材料的工艺性能： 金属材料的加工工艺路线： 金属材料的加工工艺路线如图示。可以看出，它远较高分子

17、材料和陶瓷材料复杂。金属材料的工艺路线大体可分成三类。 性能要求不高的一般零件： 毛坯正火或退火切削加工零件 毛坯由铸造或锻轧加工获得。如果用型材直接加工成零件，则因材料出厂前已经退火或正火处理，可不必再进行热处理。 一般情况下的毛坯的正火或退火，不单是为了消除铸造、锻造的组织缺陷和改善加工性能，还赋予零件必要的机械性能，因而也是最终热处理。由于零件性能要求不高，多采用比较普通的材料制造。它们的工艺性能都比较好。,8-2 零件的选材, 性能要求较高的零件： 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理（淬火、回火、固溶时效或渗碳处理等）精加工零件 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高

18、的尺寸精度和表面光洁度。在半精加工后进行一次或多次精加工及尺寸的稳定化处理。要求高耐磨性的零件还需进行氮化处理。由于加工路线复杂，性能和尺寸要求很高，零件所用材料的工艺性能应充分保证。这类零件有精密丝杠、镗床主轴等。, 金属材料的主要工艺性能：金属材料的加工工艺路线复杂，要求的工艺性能较多。 铸造性能：金属材料中，铸造性能较好的金属主要是各种铸铁、铸钢、铸造铝合金和铜合金。见下表，铸造铝合金和铜合金铸造性能优于铸铁和铸钢，铸铁又优于铸钢，而其中以灰口铸铁为最好。 锻造性能：按热锻性能比较，在碳钢中，低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差。低合金钢的可锻性近于中碳钢，高合金钢的较差。铝合金虽可锻造成

19、各种形状的锻件，但它的塑性很差，因锻造温度范围窄，可锻性并不很好，铜合金的可锻性一般较好。 焊接性能：铜合金和铝合金的焊接性能都较差，灰口铸铁基本上不能焊接，在机械工业中，焊接的主要对象是钢材。低碳钢和碳含量低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能，碳含量大于0.45%的碳钢和含碳量大于0.35%的合金钢的焊接性能较差。碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。,8-2 零件的选材, 切削加工性能：金属的切削加工性能一般用刃具耐用度为60min时的切削速度V60来表示。60越高，则金属的切削性能越好。 一般最佳切削硬度为200HBS，见下表。 热处理工艺性能： 一般说，铝合金的热处理要求较严，它的

20、淬火加热温度离熔点很近，温度的波动必须保持在正负5以内。铜合金只有很少几种可以用热处理强化，热处理工艺性能对钢非常重要。,三）经济性能原则 1、概念：经济性就是在满足性能要求和保证产品质量的前提下，所选材料必须保证零件总成本最低。零件总成本包括材料本身价格、加工费用与管理使用费用等。选材的经济性能不只是材料价格的问题，而是一个综合性的技术经济指标。 、材料选用： 在满足性能要求的条件下，应尽量选用价格低廉的材料； 零件的加工费用是与生产工艺过程直接有关的费用。（因材料不同，其加工方法与热处理方法也不同，所以加工费用也不一样，可以估算其加工费用的投入，结合材料价格，以确定最低生产成本。 除生产成

21、本外，还要考虑零件的使用寿命和整机的综合效益，以及零件的维修、更换等附加费用。全面综合考虑材料的经济性问题。 （有时选用优质的价格较贵材料，虽然材料费用增加，但由于零件的使用寿命延长，整机使用效率提高，维修费用和停机损失减少，反而是经济的。）,8-2 零件的选材,四)典型零部件的选材及工艺分析 1 齿轮类零件的选材 2 轴类零部件的选材,8-2 零件的选材,1 齿轮类零件的选材 (1)齿轮的工作条件,主要失效形式及对性能的要求,轮齿表面受强烈的摩擦和接触疲劳应力 轮齿根部受较大的弯曲疲劳应力 轮齿受冲击载荷,断齿,齿面磨损和接触疲劳破坏,齿轮材料应有高的弯曲疲劳强度,高的耐磨性和接触疲劳强度,轮齿心部要有足够的强度和韧性,8-2 零件的选材,(2) 机床齿轮的选材(45钢) 备料锻造 正火 粗加工調质 精加工高频淬火低温回火 装配,改善组织,消除锻造应力180-207HBS,提高齿心部的强度和韧性,33-48HRC,提高齿轮表面的硬度和耐磨性,提高轮齿表面的接触疲劳强度.表面M回,心部为S回,8-2 零件的选材,() 汽车,拖拉机齿轮的选材(20CrMnTi,20MnVB钢) 备料锻造 正火 加工滲碳 淬火低温回火喷丸 磨削 装配,改善组织,消除锻造应力,齿面硬度 回Fe3C 心部 M回（回）,提高轮齿表面的硬度.，并提高表面压应力,思 考 题 P221 13-2;13-6,