ch8-机械零件的失效与选材原则解析课件

1、第八章 机械零件的选用与加工工艺8.1 机械零件的失效及失效分析8.2 机械零件选材原则8.3 典型零件的加工工艺第八章 机械零件的选用与加工工艺8.1 机械零件的失效及失失效：零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象。 严重事故 8.1 机械零件的失效及失效分析失效：零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象。8零件失效类型 畸变失效 过量弹、塑性变形。 断 裂 脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤 磨损、腐蚀等。 零件失效的原因 设计、材料、加工、安装和使用。8.1.1 零件失效形式零件失效类型零件失效的原因8.1.1 零件失效形式一、畸变失效 畸变是指在某种程度上减弱了零件规

2、定功能的变形。 1. 弹性畸变失效 2. 塑性畸变失效 3. 翘曲畸变失效一、畸变失效 1. 弹性畸变失效3. 翘曲畸变失效（1）韧性断裂伴有宏观上的塑性变形，缩颈，断口呈盆状或杯状。（2）脆性断裂只产生很小的永久变形，断口平整。二、断裂失效1. 断裂失效的分类（1）韧性断裂二、断裂失效1. 断裂失效的分类2. 断口的分析方法 断口三要素： F - 纤维状区 R - 放射状区 S - 剪切唇区2. 断口的分析方法 断口三要素：3. 断裂路径：穿晶和沿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂3. 断裂路径：穿晶和沿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂微孔聚合型断口解理型断口晶间断裂晶内断裂四、断裂机制微孔聚合型断口解理型断口晶

3、间断裂晶内断裂四、断裂机制疲劳断裂断口，三个区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。疲劳断裂断口，三个区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区三、磨损失效磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面状态和尺寸改变的现象。 活塞环与缸套之间的摩擦 三、磨损失效磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面状1. 磨损失效的基本类型（1）粘着磨损（2）磨料磨损（3）表面疲劳磨损（4）冲刷磨损（5）腐蚀磨损粘着磨损示意图1. 磨损失效的基本类型（1）粘着磨损粘着磨损示意图磨粒磨损示意图冲刷磨损示意图犁削磨损示意图磨粒磨损示意图冲刷磨损示意图犁削磨损示意图 （1）摩擦副材质

4、互溶性； 表面强化处理情况； 表层组织和结构缺陷。 （2）工况参数 接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。2. 影响磨损失效的基本因素 （1）摩擦副材质2. 影响磨损失效的基本因素1. 均匀腐蚀2. 点腐蚀3. 晶间腐蚀四、腐蚀失效腐蚀：金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。1. 均匀腐蚀四、腐蚀失效腐蚀：金属暴露于活性介质环境中而发8.1.2 失效分析的主要试验方法宏观和微观断口分析技术；金相检验技术；无损探伤检验技术；常规成分、微区成分和表面成分分析技术；X射线衍射分析；实验应力分析；力学性能测试；断裂力学测试8.1.2 失效分析的主要试验方法宏观和微观断口分析技术

5、；8.2 机械零件选材原则8.2.1 使用性能原则 满足使用要求零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。大量机器零件和工程构件特殊条件下工作的零件8.2 机械零件选材原则8.2.1 使用性能原则 （1）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；载荷的特点等。 （2）环境状况 温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求 对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。 零件使用时的工作条件 （1）受力状况 载荷的类型(例如动载、静载、循环载 工 作 条 件 零件应力种类载荷性质受载状态常见的失效形式机械性能要求紧固螺栓拉，剪静载过量变形，断裂强度

6、，塑性传动轴弯，扭循环，冲击轴颈摩擦，振动疲劳断裂，过量变形，轴颈摩损综合机械性能传动齿轮压，弯循环，冲击摩擦，振动齿折断,磨损,疲劳断裂,接触疲劳(麻点)表面高强度及疲劳极限，心部强度、韧性弹簧扭，弯交变，冲击振动弹性失稳，疲劳破坏弹性极限，屈强比，疲劳极限冷作模具复杂交变，冲击强烈摩擦磨损，脆断硬度，足够的强度，韧性表8-2 常用零件的工作条件和失效形式 工 作 条 件 零件应力种类载荷性质受载状态8.2.2 工艺性能原则满足生产工艺的要求图8-4 高分子材料的加工工艺路线 8.2.2 工艺性能原则满足生产工艺的要求图8-4 高分图8-5 陶瓷材料的加工工艺路线图8-5 陶瓷材料的加工工艺

7、路线金属材料零件选材的工艺性能原则 图8-6 金属材料的加工工艺路线金属材料零件选材的工艺性能原则 图8-6 金属材料的加工工ch8-机械零件的失效与选材原则解析课件3. 精密金属零件的工艺路线 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。1. 一般金属零件的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。2. 性能要求较高的金属零件的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳等)精加工零件。3. 精密金属零件的工艺路线1. 一般金属零件的工艺路线2. 一、材料的价格 应该尽量低。占

8、30%70%8.2.3 经济性原则三、国家的资源 来源丰富并顾及我国资源状况。二、零件的总成本 生产和使用的总成本最低。 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。 一、材料的价格8.2.3 经济性原则三、国家的8.2.4 环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。.环境污染小废物排放少材料回收及降解8.2.4 环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废8.3 典型零件的加工工艺齿轮的失效形式： (1) 疲劳断裂 (2) 齿面磨损 (3) 齿面接触疲劳破坏 (4) 过载断裂8.3.1 齿轮选材8.3 典型零件的加工工艺齿轮的失

9、效形式：8.3.1 ch8-机械零件的失效与选材原则解析课件(1) 高的弯曲疲劳强度。(2) 高的接触疲劳强度和耐磨性。(3) 较高的强度和冲击韧性。(4) 较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。一、齿轮材料的性能要求(1) 高的弯曲疲劳强度。一、齿轮材料的性能要求二、齿轮类零件的选材性能要求 齿面硬度 （决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性） 强度，韧性选材：调质钢 调质 或（+ 表面淬火 + 低温回火） 渗C钢 硬度、韧性高，淬火+低温回火二、齿轮类零件的选材性能要求 齿面硬度选材： 转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击 选材：中碳钢或中碳合金钢，如40Cr三、典型齿轮选

10、材举例 工艺路线： 下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一轮齿高频淬火及回火一精磨1机床齿轮 转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击三、典型齿轮选材举热处理的目的正火：消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。调质处理：使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性。高频淬火：提高轮齿表面硬度、耐磨性，表面残余压应力提高抗疲劳能力。低温回火：消除淬火应力。热处理的目的2汽车齿轮受力较大，冲击频繁选材：渗碳钢，如20Cr或20CrMnTi工艺路线： 下料一锻造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷丸一磨削加工2汽车齿轮受力较大，冲击频繁工艺路线：热处理目的：正火：渗碳、淬火及低温回火：表

11、面高碳含量，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。 淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。喷丸处理：增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。热处理目的： (1) 良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定 的韧性； (2) 高的疲劳强度，对应力集中敏感性低； (3) 足够的淬透性，表面要有高硬度、高耐磨性； (4) 良好的切削加工性能，价格便宜。一、轴类零件的性能要求8.3.2 轴类零件选材C620 车床主轴 (1) 良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定 一般轴类零件： 碳钢，45钢 正火、调质或表面淬火热处理二、轴类零件材料性能指标：强度、冲击韧性和表

12、面耐磨性。要求高的轴承：合金钢例：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等一般轴类零件：二、轴类零件材料性能指标：强度、冲击韧性和表面 1机床主轴选材（C620车床主轴）受力：交变弯曲和扭转，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大要求：具有一般综合机械性能选材：45钢热处理：调质处理，有摩擦部位进行表面淬火三、典型轴的选材 1机床主轴选材（C620车床主轴）三、典型轴的选材工艺路线： 锻造一正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火及低温回火一磨削加工载荷较大，可用40Cr钢承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，可用20Cr或20CrMnTi等工艺路线：受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交

13、变应力 形状极不规则，应力分布很不均匀 曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。失效形式：疲劳断裂和轴颈严重磨损材料要求：高强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈还应有高的硬度和耐磨性。2内燃机曲轴选材受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力2内燃机曲轴选材锻钢曲轴和铸造曲轴两种锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr，35CrMo钢等。工艺路线：模锻- 调质- 切削加工- 轴颈表面淬火锻钢曲轴和铸造曲轴两种铸造曲轴：球墨、可锻铸铁等，如QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4。工艺路线：铸造一高温正火一高温回火一切削加工一轴颈气体渗氮高温正火获得细P基体的组织，以满足强度要求高温回火消除正火时产生的内应力轴颈气体渗氮提高轴颈表面硬