材料科学基础第十七章.

1、材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology工程材料的选用与发展工程材料的选用与发展材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology绪论绪论材料的使用性能材料的使用性能材料的其他性能材料的其他性能原子结构与结合键原子结构与结合键晶体结构晶体结构晶体缺陷晶体缺陷高分子材料结构高分子材料结构固体材料中的原子扩散固体材料中的原子扩散相平衡与相图原理相平衡与相图原理材料的凝固材料的凝固材料的变形与回复再结晶材料的变形与回复再结晶固态相变与材料处理固态相变与材料处理金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料

2、复合材料功能材料功能材料工程材料的选用与发工程材料的选用与发展展材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technologyl 零件失效分析l 材料选择的原则l 典型零件选材与工艺分析 工程材料的应用概况与评价 齿轮类零件选材 轴类零件选材 刀具选材 冷作模具选材材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology使用性能经济性能工艺性能环境性能材料性能获得规定的性能和外形环境适应性、环境协调性经验性判断 科学性选材 材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology零件失效分析 失效在使用过程中，

3、因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作，或提前退役的现象；失效分析找出零件的薄弱环节寻找必要性能要求确立性能指标合理选材确定合理工艺路线材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology过量变形过量弹性变形失效物理性能降低失效形式过量塑性变形失效刚度不足屈服强度不足断裂脆性断裂韧性断裂疲劳断裂表面损伤磨损腐蚀接触疲劳材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology失效原因设计 结构形状设计不合理，安全系数过小或过大；材料 （1）选材不当；（2）材质欠佳（冶金缺陷超标）加工

4、冷、热加工，机加工缺陷；使用 装配不当，检修不及时，超温、超载、超速；材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology失效分析基本步骤和方法 失效分析思路是指以失效规律(宏观表象特征和微观机理)为理论依据，通过调查、观察、试验获得的产品失效信息(失效现象、失效对象、失效环境)分别加以考察，然后有机结合起来作为一个整体综合考虑，以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理方法，判断失效事件的失效模式，推断失效原因。调查取证整理分析试验分析综合分析现场调研背景调研材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology失效分析案例失效

5、分析案例已运行已运行6000小时烟气轮机叶片断裂分析小时烟气轮机叶片断裂分析烟气轮机在高温、高压、热腐蚀性和高应力的苛刻条件下工作，由于受热、力和腐蚀的交互作用造成叶片过早的破坏，而叶片的失效将导致烟机及整个再生烟气能量回收系统的停产，带来很大的损失；材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology失效叶片线切割取样宏观断口分析TEM组织观察SEM组织观察断口清洗组织观察样品制备失效机理分析材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of TechnologyElementCrCoMoTiAlCFeNiContent18-2112-153-

6、52.75-3.251.2-1.60.02-0.082基体基体合金的主要强化相合金的主要强化相 相相Ni3Al/Ti （TEM）合金的主要晶界析出相合金的主要晶界析出相 M23C6（SEM）叶片材料的基本情况叶片材料的基本情况GH738材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology断裂叶片的表面观察断裂叶片的表面观察第三榫齿断面第三榫齿断面(A为裂纹源，为裂纹源，B为扩展区，为扩展区，C为瞬断区为瞬断区) A为裂纹源同时是磨损最严为裂纹源同时是磨损最严重的地方重的地方严重氧化区域严重氧化区域材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of

7、 Technology断裂叶片的断口分析断裂叶片的断口分析能谱分析存在能谱分析存在Na，S，O，K，Ca存在腐蚀行为存在腐蚀行为材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology断裂叶片的晶粒度分析断裂叶片的晶粒度分析材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology断裂叶片的析出相分析断裂叶片的析出相分析正常组织晶界碳化物粗化Cr23C6晶界附近贫Cr以上组织导致力学性能、以上组织导致力学性能、抗腐蚀性明显降低抗腐蚀性明显降低材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology断裂叶片的

8、运行现场分析断裂叶片的运行现场分析接触不良导致磨损加剧，周期性振动接触不良导致磨损加剧，周期性振动材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology失效综合分析失效综合分析叶片热加工不当叶片热加工不当榫齿榫槽接触不良榫齿榫槽接触不良混晶组织混晶组织周期振动周期振动/疲劳疲劳高温高温腐蚀腐蚀晶界碳化物晶界碳化物粗化成膜粗化成膜晶界附近晶界附近贫贫Cr区产生区产生腐蚀坑形成腐蚀坑形成裂纹源裂纹源力学性能下降力学性能下降耐蚀性下降耐蚀性下降断裂失效断裂失效原因原因过程过程结果结果材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology

9、l 零件失效分析l 材料选择的原则l 典型零件选材与工艺分析 工程材料的应用概况与评价 齿轮类零件选材 轴类零件选材 刀具选材 冷作模具选材材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology1.使用性能原则 力学性能、物理性能、化学性能、功能特性2.工艺性能原则3.经济性能原则4.价值工程选材原则材料的选择原则材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology使用性能选材原则结构材料：力学性能、物理性能、化学性能功能材料：功能特性 具体方法和步骤： （1）分析工作条件（受力、温度、耐蚀性） （2）失效分析 （3）零件的使用

10、性能材料性能指标材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology按力学性能指标选材的问题材料性能与零件性能材料的尺寸效应零件结构的影响零件加工工艺的影响表面凹槽等表面脱碳等性能指标刚度、弹性、强度、塑性指标、断裂韧度、冲击韧度、硬度强度与塑韧性合理匹配提高零件的结构效率比刚度、比强度等材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technologyl 零件失效分析l 材料选择的原则l 典型零件选材与工艺分析 工程材料的应用概况与评价 齿轮类零件选材 轴类零件选材 刀具选材 冷作模具选材材料工程学院材料工程学院Nanjing Insti

11、tute of Technology工程材料应用概况高分子强度刚度低稳定性差密度低弹性好耐磨低受力结构件密封件耐磨件等硬度高耐高温耐腐蚀陶瓷硬而脆加工性差耐热、耐磨耐蚀零件复合材料价格昂贵力学性能高效率高（比强度）金属材料现阶段最主要的工程材料材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology齿轮类零件选材工作条件齿根交变弯曲应力；齿面交变接触应力、摩擦；冲击力失效形式断裂、齿面损伤、腐蚀性能要求弯曲疲劳强度、表面耐磨性、整体的冲击韧性常用材料(1)锻钢锻钢低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢：高速、大冲击的中载和重载齿轮：高速、大冲击的中载和重载齿轮渗碳渗

12、碳中碳钢及中碳合金钢：中碳钢及中碳合金钢：低速、小冲击的轻载齿轮低速、小冲击的轻载齿轮表面硬化表面硬化、形变强化形变强化中碳渗氮钢：中碳渗氮钢：高精度、高速齿轮高精度、高速齿轮材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology(2)铸钢：大尺寸、复杂形状-调质、正火(3)铸铁：低速、轻载、无冲击的非重要齿轮-调质、正火(4)有色金属材料：铜合金 仪器仪表等（耐蚀、无磁）(5)粉末冶金材料：大批量生产的小齿轮(6)非金属材料：高分子材料：轻载、低速、干摩擦条件下的小齿轮， 如仪表、玩具等材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Tech

13、nology机床齿轮工作条件较好：无强烈冲击、载荷不大、转速中等中碳钢（40/45）：正火/调质，表面淬火 /低温回火性能要求高 、尺寸大中碳合金钢（40Cr、40MnB）：正火/调质，表面淬火 /低温回火高精度、高速、重载渗氮钢（38CrMoAl）锻锻正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工去应力去应力粗磨粗磨渗氮渗氮精磨精磨材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology汽车齿轮受力较大、易过载、受冲击： 耐磨、抗疲劳、心部强韧性要求较高合金渗碳钢 20Cr, 20MnVB, 20CrMnTi, 20CrMnMo等锻正火切削加工渗碳淬火+低回喷丸磨削材

14、料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technologyl 零件失效分析l 材料选择的原则l 典型零件选材与工艺分析 工程材料的应用概况与评价 齿轮类零件选材 轴类零件选材 刀具选材 冷作模具选材材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology工作条件交变弯曲、扭转、拉压载荷；轴颈部位摩擦；开机、过载冲击失效形式断裂（主要为疲劳）、磨损、过量变形性能要求高的疲劳极限；综合力学性能；局部耐磨、高硬度材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology常用材料(1)锻钢锻钢优质中碳钢（优质中碳钢（4

15、040、4545、5050）：综合力学性能、价格低廉：综合力学性能、价格低廉普通碳素钢（普通碳素钢（Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275）：）：受力不大、不重要的轴受力不大、不重要的轴合金调质钢（合金调质钢（40Cr40Cr、40MnVB40MnVB）：）：受力较大、尺寸较大、形状复杂受力较大、尺寸较大、形状复杂渗氮钢（渗氮钢（38CrMoAl38CrMoAl）：）：精度要求极高的轴精度要求极高的轴渗碳钢（渗碳钢（20CrMnTi20CrMnTi、20Cr20Cr）：）：承受极大冲击承受极大冲击(2)铸钢铸钢形状极复杂、尺寸较大，但综合力学性能不如锻钢形状极复杂、尺寸较大，但综

16、合力学性能不如锻钢(3)铸铁铸铁球墨铸铁（球墨铸铁（QT700-2QT700-2）、高强灰铸铁，具有一定刚度、耐磨性，低）、高强灰铸铁，具有一定刚度、耐磨性，低缺口敏感性、减震减摩、切削加工性好，成本低缺口敏感性、减震减摩、切削加工性好，成本低材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technology机床主轴工作条件：弯扭交变载荷、转速中等、一定冲击；选材：一般情况-（45钢、40Cr）、高精度渗氮钢；工艺路线（以45、40Cr为例）：下料锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火低温回火精磨成品材料工程学院材料工程学院Nanjing Institute of Technologyl 零件