机械制造基础模块6零件失效与失效类型

1、 退出退出 定定 义：义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象机械零件或工程构件丧失规定功能的现象 失效含义：失效含义： 零件零件破损，不能正常工作。破损，不能正常工作。 零件零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。 零件不能安全工作。零件不能安全工作。 失效的定量指标：失效的定量指标： 额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。达不到定量指标，即发生早期失效。 3失效分析实例失效分析实例Titanic使用的钢板使用的钢板 杂质含量较高，韧性很差，特别是杂质含量较高，韧

2、性很差，特别是在低温下呈明显的脆性，冲击试样为典型的脆性断口。在低温下呈明显的脆性，冲击试样为典型的脆性断口。Titanic 号钢板号钢板 船用钢板的冲击试验结果船用钢板的冲击试验结果现代船用钢板现代船用钢板 过量弹性变形失效：过量弹性变形失效： 特征：特征：弹性变形过弹性变形过大大, ,带来一系后果（如刀杆的带来一系后果（如刀杆的“让让刀刀”）。）。 措施：措施：提高刚度，具体办法为改变几何尺寸，切削提高刚度，具体办法为改变几何尺寸，切削用量及用用量及用E E大的材料。大的材料。 塑性变形失效：塑性变形失效： 特征：特征：s s、发生整体屈服。、发生整体屈服。 措施：措施：选高强度材料、采取

3、强化工艺、加大截面尺选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或降低应力水平。寸或降低应力水平。 过量蠕变失效：过量蠕变失效： 特征：特征：变形变形时间累积过程。时间累积过程。 措施：措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。选用高强耐热钢及合适的热处理。 韧断：韧断： 特征：特征：b b ，先塑变后断裂；原因为强度不足。，先塑变后断裂；原因为强度不足。 措施：措施：；提高材料强度。；提高材料强度。 低温脆性应力脆断：低温脆性应力脆断： 特征：特征：s s时突然发生，无明显宏观塑性变形征时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，低温最易发生。兆，最危险，低温最易发生。 措施：措施：提高材料韧性；减少

4、各种加工缺陷；减少应力提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。集中及消除内应力等。疲劳断裂：疲劳断裂： 特征：特征：脆断，无明显塑变；脆断，无明显塑变；s s，多次循环造成，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、刀痕等应力集中处。刀痕等应力集中处。 措施：措施：选材；设计改进（避免或减少应力集中）；表面选材；设计改进（避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。加工质量；表面强化。蠕变断裂：蠕变断裂： 过量蠕变变形后发生。过量蠕变变形后发生。 介质加速断裂：介质加速断裂： 应力腐蚀等。应力腐蚀等。磨损失效磨损失效

5、 特征：特征：摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨损会失效，例摩擦副、工模具。损会失效，例摩擦副、工模具。 措施：措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。条件。接触疲劳失效接触疲劳失效 特征：特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。 措施：措施：提高表面质量、表面强化。提高表面质量、表面强化。腐蚀失效：腐蚀失效： 量大面广；选抗蚀材料、表面防护等。量大面广；选抗蚀材料、表面防

6、护等。 总体上共四方面：总体上共四方面：设计设计选材与热处理选材与热处理加工缺陷加工缺陷装配与使用装配与使用 使用性能使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。学性能表征。机械零件主要是力学性能。 11材料的材料的工艺性能工艺性能就是材料加工的难易程度。就是材料加工的难易程度。工艺性能直接影响到零件的加工质量和生产成本。工艺性能直接影响到零件的加工质量和生产成本。与使用性能相比，工艺性能处于较次要地位，但在与使用性能相

7、比，工艺性能处于较次要地位，但在某些特殊情况下，工艺性能也会上升为选材的主要某些特殊情况下，工艺性能也会上升为选材的主要依据。依据。例如某种材料虽然使用性能很好，但加工极为困难例如某种材料虽然使用性能很好，但加工极为困难或成本太高，其使用价值就大打折扣。或成本太高，其使用价值就大打折扣。材料的工艺性材料的工艺性高分子材料成型工艺简单，切削加工性好熔点低，导热性差陶瓷材料硬度高，脆度高，切削无法实现可加工性差金属材料 加工方法多样铸、锻、焊、切削、热处理铸件共晶合金锻件、冲压件低碳钢焊接结构低碳钢、低碳合金钢（3）材料的经济性）材料的经济性总成本 = 材料本身价格 + 加工费 + 其他（运费、安

8、装费、管理费、研究费用等）降低成本，就近取材；考虑材料生产、供应情况；选材少而集中，便于采购和管理从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能、生产成本。n齿轮的功能传递扭矩变速改变传力的方向一、齿轮（一）工作条件、失效方式及性能要求（一）工作条件、失效方式及性能要求 传递扭矩时齿根承受较大的交变弯曲应力； 齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损； 换挡、启动、制动或啮合不均匀时承受一定的冲击力。n 工作条件n 失效方式u齿的折断（疲劳断裂、冲击过载断裂）u齿面损伤（接触疲劳点蚀、过渡磨损） 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿疲劳断裂； 高的齿心强度和韧性，防止轮齿过载断裂； 高的齿面接触疲劳

9、强度和高的硬度及耐磨性，防止齿面损伤； 较好的工艺性能，如切削加工性，热处理变形小或变形有一定规律，过热倾向小，有一定淬透性等。性能要求：性能要求：机床齿轮工作平稳，无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮强度和韧性的要求不高。材料：40或45钢热处理：正火或调质处理后再经高频感应加热表面淬火，齿面硬度可达52HRC，齿心硬度为220250HBS，能够满足性能要求。（二）选材及热处理（二）选材及热处理1、机床齿轮、机床齿轮下料锻造正火粗加工调质半精加工高频感应表面淬火低温回火精磨成品机床齿轮的加工工艺路线：正火：使组织均匀化，消除锻造应力，调整硬度改善切削加工性。调质：使齿轮具有较高的综合力学性

10、能，提高齿心的强度和韧性使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击载荷，并减小淬火变形；高频感应加热表面淬火：提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高齿面接触疲劳强度；低温回火：在不降低表面硬度的情况下，消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，提高轮齿抗冲击能力。工作条件比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部强度和韧性等要求均较高。材料：渗碳钢热处理：渗碳、淬火性能：表面硬度5862HRC，心部3545HRC2、汽车、拖拉机齿轮、汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮的加工工艺路线：下料锻造正火机械加工渗碳、淬火低温回火磨加工成品喷丸正火：使组织均匀化，消除锻造

11、应力，调整硬度改善切削加工性。渗碳：提高齿轮面碳的质量分数（0.81.05）；淬火：提高齿面硬度并获得一定淬硬层深度（0.81.3mm），提高耐磨性和齿面接触疲劳强度；低温回火：消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，提高轮齿抗冲击能力；喷丸：提高齿面硬度约13HRC，增加表面残余压应力，提高接触疲劳强度。轴的功能：支承传动零件并传递扭矩。工作条件：承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷 或拉-压载荷；局部（轴颈、花键等处）承受摩擦和磨损；特殊条件下受温度或介质作用。失效方式：疲劳断裂和轴颈处磨损，有时发生冲击过载断裂，及塑性变形或腐蚀失效。二、轴（一）工作条件、失效方式及性能要求（一）工作条件、失效方式及性能要求 高疲劳强度，防止轴疲劳断裂； 优良综合力学性能，防止塑性变形及过载或冲击载荷余下下的折断和扭断； 局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损失效； 在特殊条件下工作的轴，材料应具有特殊性能（蠕变、耐蚀）。性能要求：性能要求：机床主轴承受中等扭转-弯曲复合载荷，转速中等并承受一定冲击载荷。材料：45钢热处理：调质处理后轴颈及锥孔处再进行表面淬火。载荷较大的轴可选用4