章 失效分析与选材

1、第十三章零件的失效和材料选择，1。本章内容13.1零件的失效与分析13.2零件的选择原则13.3典型零件的选择2。教学目的和要求：通过本章的学习，学生可以了解零件的失效形式和提高材料性能的方法，掌握选择零件的一般原则和方法。教学要点：1 .零件的失效形式和改善材料性能的方法：2.零件选择的一般原则和方法。零件故障和故障分析，1。零件故障，1。定义：零件失去正常运行应有的效率。2。正常故障，个零件在达到或超过设计预期寿命后出现故障。3.异常故障，次故障，低于设计预期寿命。4.突然失败。2.零件失效的主要形式，通常有三种类型的机械零件失效，即变形失效(a)变形失效变形失效逐渐发生，一般属于非灾难性

2、的。常温变形破坏主要包括弹性变形破坏和塑性变形破坏。高温变形破坏主要包括蠕变变形破坏和高温松弛破坏。1.弹性变形失效具有过度的弹性变形。虽然表面没有损伤痕迹，但弹性性能不能满足原设计要求。例如，车厢下面的弹簧，长期使用后，由于其松弛性能降低，不能起到缓冲作用，进而发生弹性变形失效。2.有塑性变形失效的零件在使用过程中塑性变形逐渐增加，以致变形超过一定限度后就不能再使用，即发生塑性变形失效。例如，长期运行后，当汽轮机的叶片逐渐伸出并与壳体接触时，叶片发生塑性变形而失效，使汽轮机无法正常运行。(2)当施加的应力达到一定值时，材料横截面的两个相邻部分完全分离，这称为断裂。机械零件断裂失效，尤其是突然

3、断裂，带来巨大的经济损失。长期以来，人们十分重视对骨折的观察和分析技术的研究，以找出骨折的原因和影响因素。断裂失效一般分为：韧性断裂失效；脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；介质的加速断裂失效，(3)表面损伤由于机械或环境介质或机械和环境介质之间的相互作用而引起的表面质量、尺寸和形状的变化所导致的失效统称为表面损伤。它可分为磨损失效和腐蚀失效。接触疲劳、点蚀、腐蚀裂纹、失效原因、失效分析1。定义：来分析和研究零件的失效原因。2.方法收集历史资料中的失效部位样品，检测成分，检查冶金质量，分析显微组织，检测和测量。进行全面分析，最后写一份故障分析报告。第二节：零件的选材原则，选材的三个基本原

4、则：可用性第一原则、可制造性第一原则、经济性第一原则、可用性第一原则适用性第一原则，适用性主要是指零件在使用中应具备的机械性能、物理性能和化学性能。(工程材料的选择)1。要分析零件的工作条件，首先要判断零件在工作过程中所受载荷的性质和大小，并计算载荷引起的应力分布。载荷的性质是决定材料性能的主要依据之一。二。计算应力是确定材料性能的定量基础。考虑零件的工作环境：环境因素会综合影响零件的机械状态，并提出更复杂的性能要求。最后，应充分考虑材料的一些特殊要求。应力状态：载荷类型(如静态载荷、动态载荷、循环载荷或单调载荷等)。)，荷载作用形式(如拉伸、压缩、弯曲或扭转等。)，载荷大小和分布特征(如均匀

5、载荷或集中载荷)。环境条件：温度(如低温、高温、常温或变温)和介质条件(如腐蚀或摩擦)。特殊天气报告失效分析抗失效性取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析往往可以综合零件所需的几种常见零件的工作条件和失效形式，零件性能要求的指数化将零件对使用性能的要求转化为机械性能指标(如强度、韧性、塑性、硬度等)。)；然后根据工作压力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体值。(1)不同应力条件下，基于设计的性能指标和计算公式不同。(2)塑性、韧性和强度指标应综合考虑，合理协调。过度的塑性和韧性会降低零件的使用寿命。2.技术特性原理1。如果将工艺性能和质量要求较低的零件进行正火或退火以切割零件，如铸铁或碳钢

6、，则金属材料的工艺性能可以满足要求。性能和质量要求极高的零件(如精密丝杠)毛坯预热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(低温淬火和回火、固溶时效或渗碳)半精加工稳定处理(或渗氮)精加工稳定处理零件。加工路线复杂，加工精度和质量要求高，因此在选材时必须保证材料的工艺性能。3.经济性原则在满足运行性能要求的前提下，使用廉价的材料使总成本最小化，实现经济效益最大化。1.材料价格和材料成本构成了零件成本2。零件的总成本包括材料、运输、加工和维护。国家资源，第3节。典型零件材料选择和工艺分析1。齿轮疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，位居第一，其次是表面损伤。断裂是齿轮失效的主要形式。齿轮的工作条件、失

7、效形式和材料性能要求。齿轮的工作状态主要用于传递扭矩和调节速度，工作时的受力状态如下：(1)齿根因传递扭矩而承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡时，起步或啮合不均匀，轮齿承受一定的冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力和摩擦。根据不同的工作条件，齿轮的主要失效形式如下：(1)疲劳断裂主要发生在齿根，这是齿轮最严重的失效形式，经常导致几个齿甚至全部齿断裂。(2)齿面磨损由于齿面接触区的摩擦，齿厚变小。(3)齿面接触疲劳失效；(3)齿轮材料的性能要求根据工况和失效形式的分析，对齿轮材料可提出以下性能要求：(1)高弯曲疲劳强度；(2)高接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击

8、韧性。此外，需要更好的热处理工艺性能，例如，热处理变形小或变形规则。齿轮零件的选材齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。疲劳强度与齿面硬度的关系如下：在SB k (HV)m公式中，SB为疲劳强度；高压是牙齿表面硬度；k和m是与材料有关的常数。显然，表面硬度越高，疲劳强度越高。齿中心应具有足够的冲击韧性，以防止齿轮齿因冲击过载而断裂。这方面没有合适的计算方法，基本上是由经验决定的。从以上两个方面，选择低碳中碳钢或低碳中碳钢合金钢。经过表面强化处理后，其表面具有较高的强度和硬度，芯部具有良好的韧性，能够满足使用要求。此外，这种钢具有良好的工艺性能和合理的经济性，是一种

9、理想的材料。典型齿轮材料选择示例1。机床齿轮箱的齿轮负责传递动力，改变运动的速度和方向。工作条件好，中等转速，低负荷，稳定其工艺路线如下：落料锻造正火粗加工淬火回火精加工齿轮齿高频淬火回火精磨，正火处理是锻造齿轮毛坯必不可少的热处理工艺，可消除锻造应力，使同一批毛坯具有相同的硬度，便于切削加工，提高齿轮表面加工质量。对于一般齿轮，正火也可以作为高频淬火前的最终热处理工艺。调质处理能使齿轮具有较高的综合力学性能，芯部具有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，并能减少齿轮的淬火变形。高频淬火和低温回火是决定齿轮表面性能的关键工艺。通过高频淬火，轮齿表面硬度可达52HRC以上，提高了

10、耐磨性，使轮齿表面存在残余压应力，从而提高了抗疲劳损伤的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后进行低温回火。汽车齿轮汽车齿轮主要装在变速箱和差速器里。汽车齿轮受力大，冲击频繁，要求其耐磨性、疲劳强度、核心强度和冲击韧性都高于机床齿轮。调质钢的高频淬火不能保证要求，所以低碳钢应渗碳制成重要的齿轮。中国最广泛使用的合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi是在低温下渗碳、淬火和回火的。渗碳齿轮的工艺路线是：落料锻造正火切削渗碳，淬火和低温回火喷丸磨削正火：提高硬度，便于加工渗碳；表面获得高碳成分淬火和低温回火；喷丸：2。轴零件的选择轴是机器上最重要的零件之一，所有旋转零件如齿轮和凸轮都安装在轴上。因此，轴主

11、要起到传递运动和扭矩的作用(1)轴类零件的工作条件(1)轴类零件在工作时主要受到弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴和轴的固定部分之间有相对运动，它们之间有摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会振动，轴承会受到冲击载荷；(4)大多数轴将承受一定的过载负荷。(2)轴类零件的失效模式由于轴类零件复杂的应力和工作条件，其失效模式也是多种多样的。轴类零件的一般失效模式为长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂；重载或冲击载荷导致过度变形甚至断裂；与其他零件的相对运动导致表面过度磨损。(3)轴类材料的性能要求根据轴类零件的工作条件和失效模式，材料应具备以下性能要求：(1)良好的综合力学性能：足

12、够的强度、塑性和一定的韧性，防止正常过载断裂和冲击断裂；(2)高疲劳强度和低应力集中敏感性，以防止疲劳断裂；(3)足够的淬透性。热处理后，表面应具有高硬度和高耐磨性，以防止磨损失效；(4)切割性能好，价格低。(4)轴类零件的材料和材料选择方法应考虑强度以及冲击韧性和表面耐磨性。一方面，强度设计可以保证轴的承载能力，防止变形破坏；另一方面，由于疲劳强度与抗拉强度近似成比例，因此也可以保证轴的抗疲劳性，这也有利于耐磨性。为了考虑强度、韧性和抗疲劳性，轴通常由锻造或轧制的低碳钢和中碳钢或合金钢制成。轴类零件常用的优质碳素结构钢包括35、40、45和50钢，其中最常用的是45钢。为了改善其性能，这种钢通常要经过正火、淬火和回火或表面淬火热处理。当负载较大且轴的形