工程材料与热加工2-5零件失效.ppt

零件失效 12 第12章 机械零件材料与 成型方法的选择 选材是机械零件设计的第一步。 机械零件使用的材料种类繁多，如何合理地 选择材料是一项非常重要的工作。 在掌握各种工程材料性能和失效形式的基础 上，正确合理地选择和使用材料是从事工程 构件和机械零件设计与制造的工程技术人员 的一项重要任务。 第12章 机械零件材料与 成型方法的选择 机械零件的选材与成型方法选择不是相互独 立的。 在进行机械零件设计时，首先遇到的就是选 材问题，而材料的工艺性能好坏是决定其是 否被选用的一个重要因素。 而在选择零件成型方法时，也要首先考虑该 工艺是否适合对选中材料的成型加工。 由此可知，机械零件材料的选择与零件成型 方法的选择是相关的、统一的。 正确选择零件毛坯的材料、类型和合理选择 毛坯成型工艺方法是机械零件设计和制造中 的关键环节之一。 第12章 机械零件材料与 成型方法的选择 12.1 零件失效分析 12.2 零件材料与成型方法的选择原则 12.3 典型零件材料与成型方法选择 12.1 零件失效分析 零件失效：主要指某零件由于某种原因， 导致其尺寸、形状或材料的组织与性能的变 化而不能完满地完成指定的功能。 零件失效的原因很多，但零件的材料选用 不当（零件材料不能适应零件的服役条件） ，与零件材料和结构不相适应的零件成型方 法是造成零件失效的主要原因。 12.1 零件失效分析 12.1.1 机械零件的服役条件 机械零件在服役过程中可能承受的载荷主要 有三种类型： 力学载荷、热载荷(环境温度)和环境介质。 在力学载荷作用下，机械零件将产生变形 ，甚至出现断裂； 在热载荷作用下，机械零件会产生尺寸和 体积的改变，并产生热应力，同时随着温度 的升高，零件的承载能力下降； 12.1 零件失效分析 12.1.1 机械零件的服役条件 机械零件在服役过程中可能承受的载荷主要 有三种类型： 力学载荷、热载荷(环境温度)和环境介质。 环境介质的作用主要表现为机械零件的表 面磨损和腐蚀环境下机械零件表面的化学腐 蚀和电化学腐蚀，对于高分子材料制成的机 械零件，环境介质还会导致材料的老化。 12.1 零件失效分析 12.1.1 机械零件的服役条件 对于以承受力学载荷为主要功能的机械零件来 说，服役过程中主要是承受各种力学载荷的作 用。 根据外力作用性质的不同，分为静载荷、冲 击载荷及疲劳载荷。 根据外力作用方式的不同，分为拉伸载荷、 压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。 根据外力大小和分布的特点，分为均布载荷 和集中载荷。 机械零件在不同力学载荷作用下表现出不同的 力学行为。 12.1 零件失效分析 12.1.2 机械零件的失效形式 畸变失效， 断裂失效， 磨损失效， 腐蚀失效 15.1 零件失效分析 15.1.3 机械零件失效的原因 设计因素 材质因素 制造（工艺）因素 装配调试因素 运转维修因素 15.1 零件失效分析 影响失效的基本因素： 设计因素 设计时应考虑的因素： 零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发 生的基本失效模式。 设计过程： 依据经验预选材 确定零件结构 计算受力并验算 合格 不合格 12.1 零件失效分析 影响失效的基本因素： 材质因素 选材不当：所选用的材料的性能不能满足工 作条件的要求； 材料内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺； 冷热加工(特别是热处理)工艺过程中产生的 缺陷。 11.1 零件失效分析 影响失效的基本因素： 制造（工艺）因素 制造工艺条件达不到设计要求是导致零件失 效的一个重要因素。 v如零件在锻造过程中产生的夹层、冷热裂 纹； v焊接过程的未焊透、偏析、冷热裂纹； v铸造过程的疏松、夹渣，机加工过程的尺 寸公差和表面粗糙度不合适； v热处理工艺产生的缺陷，如淬裂、硬度不 足、回火脆性、硬软层硬度梯度过大； v精加工磨削中的磨削裂纹等。 11.1 零件失效分析 影响失效的基本因素： 装配调试因素 在安装过程中，未达到所要求的质量指标， 如： 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)； 联接零件必要的“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。 在初步安装调试后，未按规定进行逐级加 载跑合。 11.1 零件失效分析 影响失效的基本因素： 运转维修因素 对运转工况参数(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，包括润滑剂和润滑方 法是否选得合适，润滑装置以及冷却、加热 和过滤系统功能是否正常。 15.1 零件失效分析 失效分析的基本步骤： （1）现场调查研究和收集资料； （2）整理分析； （3）断口分析； （4）组织结构分析； （5）性能的测试与分析； （6）综合分析。 15.2 机械零件材料与成型方法的 选择原则 15.2.1 机械零件材料的选择原则 优异的使用性能、良好的加工工艺性能、便 宜的价格和环保性能是机械零件选材的最基 本原则。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 1. 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 具有的力学性能、物理性能和化学性能。材料 的使用性能应满足使用要求。 v对大量机器零件和工程构件，则主要是力学 性能。 v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。 使用性能的要求，是在分析零件工作条件和失 效形式的基础上提出来的。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 1. 使用性能原则 零件的工作条件包括三个方面： 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； 载荷的形式如拉伸、压缩、弯曲或扭转等； 载荷的特点，例如均布载荷或集中载荷等。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 1. 使用性能原则 零件的工作条件包括三个方面： 环境状况 主要是温度特性，例如低温、常温、高温或 变温等； 介质情况，如酸性环境、碱性环境、多尘环 境、霉雨环境等。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 1. 使用性能原则 零件的工作条件包括三个方面： 特殊要求 主要是对导电性、磁性、热膨胀、密度、外 观等的要求。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 1. 使用性能原则 零件的失效形式主要有： 12.2.1 机械零件材料的选择原则 2.工艺性能原则 材料的工艺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。 12.2.1 机械零件材料的选择原则 3.经济性原则 材料的经济性是选材的根本原则。 采用便宜的材料，把总成本降至最低， 取得最大的经济效益，使产品在市场上具有 最强的竞争力，始终是设计工作的重要任务 。 （1）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重，据有关资料统计 ，在许多工业部门中可占产品价格的30-70，因 此设计人员必须关心材料的市场价格。 12.2 机械零件材料与成型方法的 选择原则 3.经济性原则 （2）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。 价值工程原理：价值(V）功能（F）/成 本（C） 12.2.1 机械零件材料的选择原则 4.可持续发展原则 随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突 出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是 对于大批量生产的零件，所用材料应该来源 丰富并顾及我国资源状况。 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗， 尽量选用耗能低的材料。 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 机械零件的功能，主要由两方面的因素决 定： 零件所具有的结构（形状、尺寸、精度 、表面质量等）； 零件所采用的材料。 这两个方面决定着零件的成型加工方法。 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 第一步：初步确定零件的结构和材料 第二步：基本确定成型工艺； 第三步：结合零件的生产批量、经济指标甚至 企业生产条件等因素，对零件成型方法做出明 确的选择； 第四步：根据所选用的成型方法，对零件的结 构工艺性和材料的工艺性能进行评价和修正； 第五步：对零件结构的局部优化。 零件设计的基本步骤： 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 成型方法的选择是否合理，关系着零件制 造过程的生产成本和生产效率及零件能否 满足使用要求。 因此，在设计机械零件时，当零件的结构 和材料初步确定之后，其成型工艺的基本 类型就大致确定了。 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 零件成型工艺选择的基本原则： 1.工艺适应性原则 工艺适应性原则是指所采用的成型方法应 该与零件的结构和材料的工艺性能相适应 。即： 工艺适应性原则着眼于所用的成型方法是 否能使毛坯的成型过程容易，并且不易产 生缺陷。 因此，成型方法工艺性的优劣，会在不同 程度上影响到工件成型的难易程度、生产 效率、加工质量和成本等。 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 零件成型工艺选择的基本原则： 1.工艺适应性原则 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 零件成型工艺选择的基本原则： 2.经济性原则 经济性原则是指在选择成型方法时应致力 于把生产的总成本降至最低，以获取最大 的经济效益，使产品在市场上最具竞争力 。 因此，在满足零件使用要求的前提下，应 优先选用成品率高、生产成本低的成型方 法和加工方案。 12.2.2 机械零件成型方法 的选择原则 零件成型工艺选择的基本原则： 3.环保性原则 环保性原则是指在选择成型方法时应考虑到 生产过程对环境的影响，力求做到清洁生产， 与环境相宜。 因此，必须综合考虑资源和环境的关系，