机械零件的失效分析与选材

第10章 机械设计与选材本章学习要求1. 了解机械零件的失效和失效的形式；2 掌握选材的原则和分析方法；3. 学会常用机械零件选材。 本章学习重点 选材的原则； 常用机械零件选材和工艺路线。 学习方法指导 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。 第 1 节 机械零件的失效分析l 失效的概念当零件由于某种原因丧失预定的功能时，即它发生了失效。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，但不能满意地起到预期的作用。l 失效的形式零件失效断裂失效变形失效表面损伤失效弹性变形失效塑性变形失效塑性断裂失效低应力脆断失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效介质加速断裂失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效l 失效的原因设 计加 工零 件 失 效安 装 使 用材 料材质低劣选材不当工作条件估计错误结构外型不合理计算错误焊 接 缺 陷铸、锻造缺陷热处理缺陷冷加工缺陷过载使用安装不良操作失误维护不良l 失效分析的方法基本环节示意图 服役条件失效零件失 效 分 析 技 术应力分析无损探伤断口分析金相分析化学分析机械性能测试失效类型磨 损断 裂变 形 力学分析应力分析失效原因装配使用工艺材料设 计主要抗力指标改进设计抗力指标与内外因素关系改进工艺加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径实验室试验使用考验工业试验第2节 选材的依据和基本原则从材料使用性能的角度出发，选用的材料必须保证零件在使用过程中具有良好的工作能力；根据材料工艺性能的要求，必须保证零件便于加工制造；从经济性角度考虑，必须保证零件的总成本最低。环境与资源原则 l 使用性能与选材-首要原则使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。 分析零件的工作条件 首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。 最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。 受力状况载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。环境状况温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 进行失效分析失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。 零件性能要求的指标化将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。l 选材与材料工艺性能的关系材料的工艺性能主要包括冷加工性能如冷变形加工和切削加工性能，热加工性能如铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能等。 尽量选用工艺简单的材料 选材材质与其工艺性要求 各工序工艺之间的相互联系和结合 金属零件的加工工艺路线图性能、质量要求不高的零件毛坯正火或退火切削加工零件。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。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工零件。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。性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）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。l 经济性与选材 产品成本与性能的关系： 产品成本分析1. 基本材料的成本材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（3070%）。 选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）。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 优质碳素结构钢 1.31.5 铬镍不锈钢 15 合金结构钢（Cr-Ni钢除外） 1.72.5 灰铸铁 1.4 铬镍合金结构钢（中合金钢） 5 铸造铝合金、铜合金 810 滚珠轴承钢 3 普通黄铜 1317 低合金工具钢 34 锡青铜、铝青铜 19 高速钢 1620 钛合金 5080 硬质合金 150200 （工程塑料） 515 基本材料的价格的影响因素： 提炼和制取的成本 矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 材料的提纯、合金化（合成）成本 加工增值成本 供求关系所造成的价格波动 2. 制造成本。加工成本约占零件成本的30%左右，生产批量越少，这一比例越高。总成本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产品的成本，N为生产批量（件/批）。产量对制造成本的影响l 环境与资源原则随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化，材料的环境和资源准则在今后会变得日益重要。这一准则要求材料在生产使用废弃的全过程中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小，可以完全再生利用或废弃时完全降解。1. 能源和资源消耗少世界能源储藏量石油 天然气 煤 铀 可开采储量 9970亿桶 138万亿m3 1，039，272吨 200万吨 可开采年限 45.5年 64年 219年 74年 主要产地及储量比例 中东66.4% 独联体、中东70% 美、苏、中、澳 70% 重要金属的世界储量储量（106t） 可用年数 再生率(%) Fe 1106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51 通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使用量； 通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使用量； 通过易分选及可再生循环材料的利用，降低对天然资源的依赖； 选用能耗低的材料及加工工艺。 2. 环境污染小环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产使用废弃的全过程中具有与环境的协调性，充分降低对环境造成的负荷。 采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺， 选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷， 选择以再生资源为原料的材料。 生产各种材料消耗的能量及碳的排放量 材料 矿物燃料能耗 排碳量 MJ/Kg MJ/m3 Kg/t Kg/m3 木材 1.52.8 7501390 3056 1528 混凝土 2.0 4800 50 120 钢材 35 266,000 700 5320 一次铝 435 1,100,000 8700 22,000 再生铝 13 33,000 一定性能水平下的材料能耗木材 混凝土 钢 塑料 铝、镁及钛合金 E/s b 24 145 100500 475-1002 710-1029 E生产每公斤材料的能耗 材料密度 s b抗拉强度3材料的可再生循环性： 混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解； 木材不但能耗低，还能充分回收，并可以降解； 多数塑料回收率很低； 金属材料能耗高但可较容易地回收，其中铝的回收价值尤其高，扩大对再生铝的利用，具有相当大的环境意义。l 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对若干备选材料的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。l 实例： 解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求：表面高