零部件的失效与选材

零部件的失效与选材1986年1月28日助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损，喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。第2页,共62页，2024年2月25日，星期天第十三章材料的选用及失效分析

使用性能--使用过程中安全可靠；工艺性能--零件便于加工制造；经济性--零件的总成本最低;环境与资源--环境友好。第3页,共62页，2024年2月25日，星期天第一节零件的失效分析每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，即零件已失效。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：

零件完全破坏，不能继续工作；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件虽能安全工作，但工作低效。第4页,共62页，2024年2月25日，星期天一、零件失效的基本形式零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。表面损伤失效断裂失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效第5页,共62页，2024年2月25日，星期天二、零件失效的主要原因

引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面。设计工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。材料选材不当；材质低劣。加工毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。安装使用安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。第6页,共62页，2024年2月25日，星期天三、失效分析的主要方法服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工艺使用材料设计失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。第7页,共62页，2024年2月25日，星期天以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。第8页,共62页，2024年2月25日，星期天失效树分析第9页,共62页，2024年2月25日，星期天失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结果和原因具有双重性，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。“顺藤摸瓜”以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。“顺藤找根”以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。“顺瓜摸藤”从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。“顺根摸藤”从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。还有“顺瓜摸藤+顺藤找根”、“顺根摸藤+顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜+顺藤找根”等。第10页,共62页，2024年2月25日，星期天无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口韧性断口疲劳断口第11页,共62页，2024年2月25日，星期天金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。第12页,共62页，2024年2月25日，星期天断口分析

分析破坏的顺序T型法则分叉法则B裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹扩展方向第13页,共62页，2024年2月25日，星期天根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。源区源区

失效源分析第14页,共62页，2024年2月25日，星期天宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。微观：平坦的解理台阶与河流花样。脆性断口

宏观形貌微观解理花样

第15页,共62页，2024年2月25日，星期天回火脆性断口

应力腐蚀断口脆性断裂沿晶断口第16页,共62页，2024年2月25日，星期天韧性断口宏观：纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形。微观：大小不等的韧窝。纤维状韧性宏观断口微观典型韧窝形貌

第17页,共62页，2024年2月25日，星期天疲劳断口疲劳源

疲劳裂纹扩展区

“贝纹”状花样

瞬时断裂区

疲劳断口宏观形貌疲劳断口示意图疲劳条纹的微观图象第18页,共62页，2024年2月25日，星期天齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力的作用；齿根部受到交变弯曲应力的作用；此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。四、零件失效分析实例齿轮的疲劳断裂（宏观）第19页,共62页，2024年2月25日，星期天失效形式失效的原因齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）。疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式。齿面磨损由于齿面接触区摩擦，轮齿变薄。过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿。齿轮的失效行为第20页,共62页，2024年2月25日，星期天机车车轴的失效车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂）。疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源第21页,共62页，2024年2月25日，星期天车轴疲劳断裂的失效分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常

轴表面异常撞伤

意外损伤疲劳裂纹源发生在车轴内部─冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳断裂分析机加工缺陷

机加工不当腐蚀产物

环境腐蚀磨损产物

微动摩擦化学成份

冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织

冶炼、锻造或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45

角扭转载荷过大第22页,共62页，2024年2月25日，星期天失效形式失效的原因磨耗钢轨与车轮接触面表层发生磨损。压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层)形成扩展至剥落。疲劳裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步扩展至断裂。擦伤轮轨接触面发生热机械作用,导致组织产生相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。锈蚀腐蚀环境作用。铁路钢轨的失效钢轨的失效行为第23页,共62页，2024年2月25日，星期天轨头侧面磨耗轨头踏面被压溃及出现飞边鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂是其主要失效形式。第24页,共62页，2024年2月25日，星期天钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。夹杂物引起的核伤断口（白核）表面剥离引起的核伤断口第25页,共62页，2024年2月25日，星期天第二节材料的选用选材的动机

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，需重新选材。第26页,共62页，2024年2月25日，星期天选材的基本过程第27页,共62页，2024年2月25日，星期天传统设计把选材归入设计过程的后期；根据前人的经验进行设计和选材；采用过大的安全系数；倾向于选用所谓“万能材料”。现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。第28页,共62页，2024年2月25日，星期天机械设计两大基本步骤结构设计材料设计前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料科学知识水平和经验的不同有很大差异。选择材料和工艺实质是一种极重要的“零件内部组织结构设计”（材料设计）。本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于：改善产品质量，提高寿命提供改进措施；判定事故责任；杜绝类似事故发生提供依据。第29页,共62页，2024年2月25日，星期天材料选用原则

使用性原则——

工艺性原则

经济性原则——

环境与资源原则根本原则首要原则第30页,共62页，2024年2月25日，星期天使用性能原则—首要原则分析零件的工作条件；进行失效分析；确定零件对使用性能的要求；具体转化为力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；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。第31页,共62页，2024年2月25日，星期天利用具体性能指标时，必须注意几个问题：材料的性能指标各有其物理意义。有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。第32页,共62页，2024年2月25日，星期天工艺性能原则

设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”了制造方法。一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。机械制造—采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能的重塑。制造过程的基本目的一定的形状和尺寸一定的性能一定的精度第33页,共62页，2024年2月25日，星期天金属材料的工艺路线粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预先热处理零件切削加工最终热处理第34页,共62页，2024年2月25日，星期天高分子材料的工艺路线有机物原料或型材成形加工切削加工零件焊接等热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等第35页,共62页，2024年2月25日，星期天陶瓷材料的工艺路线粉末成形加工配料压制烧结磨削加工零件热处理第36页,共62页，2024年2月25日，星期天经济性原则

——根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成本制造厂利润维护费维修费保险费折旧费日常开支行政费批发与零售费研究与开发费可变成本（生产成本）基本材料成本制造成本第37页,共62页，2024年2月25日，星期天基本材料的成本在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的30~70%。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。第38页,共62页，2024年2月25日，星期天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普通低合金结构钢1.25铬镍不锈钢15优质碳素结构钢1.3~1.5灰口铸铁~1.4合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5球墨铸铁~1.8铬镍合金结构钢（中合金钢）5可锻铸铁2~2.2滚珠轴承钢3铸造铝合金、铜合金8~10碳素工具钢1.6普通黄铜13~17低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200工程塑料5~15第39页,共62页，2024年2月25日，星期天目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为65%，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。第40页,共62页，2024年2月25日，星期天环境与资源原则

能源和资源消耗少重要金属的世界储量（2004年）储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751第41页,共62页，2024年2月25日，星期天世界能源储藏量（2004年）

种类项目石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m31，039，272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%第42页,共62页，2024年2月25日，星期天环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000生产各种材料消耗的能量及碳的排放量第43页,共62页，2024年2月25日，星期天可持续发展战略下的材料选择

选择绿色材料

绿色材料：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或材料制品。其主要特点：材料本身性能的先进性；材料使用的舒适性；材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循环利用率高。太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于具有绿色特性的新型材料。第44页,共62页，2024年2月25日，星期天减少所用材料种类

尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。如设计一个金属工具箱时，在结构上既要避免采用不同的金属焊接，又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组成，且每个独立分箱只宜用一种材料。尽量选用不加涂、镀层的原材料

现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且大部分涂料本身就有毒，且涂、镀工艺过程也给环境带来了极大的污染。如涂料挥发毒性溶剂气体，电镀时产生的含铬等重金属的废液、废渣污染等。

第45页,共62页，2024年2月25日，星期天产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料

报废产品若不易分解且难于为自然界吸收，将对环境产生极大的污染。高分子材料的加工和使用后的废弃物就属此例，尤其是塑料包装材料造成的污染极为严重。现在国内外均在研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包装材料和农用薄膜，这种新型塑料在废弃后，能在一定的时间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经自然界的侵蚀进入土壤而被微生物消化(即生化作用)，不再给环境造成污染。选用易回收再生的材料

废弃材料若易回收再生，既可减轻环境污染，又利于资源的再利用，节约能源，减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济效益好。

第46页,共62页，2024年2月25日，星期天第三节典型零件的选材第47页,共62页，2024年2月25日，星期天齿轮工作时的受力情况由于传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并产生强烈的摩擦；在换挡、启动或啮合不良时，齿部承受一定的冲击载荷；因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷使工作条件恶化。齿轮的主要失效形式

根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是断齿，齿面剥落、磨损及过量塑性变形等。

齿轮类零件的选材第48页,共62页，2024年2月25日，星期天齿轮对材料性能的要求

根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备：具有高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；高的齿面硬度和耐磨性；足够的心部强度和韧性；淬火变形及组织内部缺陷控制在允许的范围内等。

第49页,共62页，2024年2月25日，星期天齿轮常用材料及选用

齿轮的选材主要依据其工作条件（如圆周速度、载荷性质与大小以及精度要求等）来确定。根据齿轮的性能要求，一般选用低、中碳钢或低、中碳合金钢，并对轮齿表面进行强化处理，使轮齿表面有较高强度和硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较便宜。速度较小的齿轮，常选用非铁金属材料，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等，随着高分子材料性能的不断完善，工程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿轮，常选用铸铁并适当热处理。近年来球墨铸铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。

第50页,共62页，2024年2月25日，星期天机床齿轮的选材

机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。一般选用调质钢制造，如40钢，45钢，40Cr，42SiMn等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火即可达到使用要求。随着机床工业的发展，机床中也出现了高速且承受冲击载荷较大的重要齿轮（如立式车床上的一些齿轮），这种情况下，宜选20CrMnTi、20Ｃr等合金渗碳钢制造，经渗碳、淬火、低温回火处理使之达到使用要求。

齿轮选材的具体实例第51页,共62页，2024年2月25日，星期天下料→齿坯锻造→正火（850～870℃空冷）→粗加工→调质（840～860℃油淬，600～650℃回火）→精加工→高频感应加热淬火（860～880℃高频感应加热，乳化液冷却）→低温回火（180～200℃回火）→精磨。机床齿轮的工艺路线卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮

第52页,共62页，2024年2月25日，星期天JN–150型载重汽车变速箱齿轮工作条件工作负荷大；高速运转(10～15m/s以上)；受冲击频繁，磨损较严重。技术要求齿面硬度HRC58～62，金相组织为回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体。齿心部硬度HRC35～45，金相组织为回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。第53页,共62页，2024年2月25日，星期天选材:20CrMnTi工艺路线下料锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火喷丸磨齿。

第54页,共62页，2024年2月25日，星期天轴工作时的受力情况由于传递扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；轴颈承受较大的摩擦；承受一定的冲击载荷。轴的主要失效形式

根据轴的工作条件，其主要失效形式是疲劳断裂、折断、扭断及轴颈或花键处过度磨损等。

轴类零件的选材第55页,共62页，2024年2月25日，星期天轴常用材料及选用

轴的选材主要依据其工作条件来确定。不传递动力只承受弯矩起支撑作用，主要考虑刚度和耐磨性。以刚度为主，可以选用碳钢或球墨铸铁；轴颈有较高耐磨性要求的，选用中碳钢并表面淬火，硬度提高到HRC52以上。主要承受弯曲、扭转的轴，如变速箱传动轴、发动机曲轴、机床主轴等。一般选用中碳钢，45钢、40Cr、40MnB等；精度要求高的，常选用38CrMoAl，进行调质及氮化处