机械零件的失效与选材原则.ppt

1、第8章 机械零件的失效与选材原则,内容提要： 本章按照失效模式与失效机理对零件失效形式进行分类，介绍各种失效形式，包括畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效。阐述机械零件选材原则，并依据不同的失效形式进行选材分析。 学习目标： 掌握机械零件选材原则。了解各种失效形式（畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效）的特点，了解依据不同的失效形式进行选材分析方法和过程。,8.1 机械零件的失效及失效分析 失效 主要指某零件于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。,8.1.1 失效的分类 失效的分类可以按照两种方法： 按失效模式失效的外在宏观表现和规律 按失效机理

2、引起失效的微观的物理、化学变化过程的本质,畸变失效,断裂失效,表面损伤失效,失效模式,失效机理,8.1.2 失效的基本影响因素 (1) 设计因素 为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。施工的技术文件的根据是设备图纸和设计计算说明书，其设计计算的核心是该零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发生的基本失效模式而建立的相应设计计算准则，即在给定条件下正常工作的准则，从而定出合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件：图纸、说明书等。如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用或过早失效。(2) 制造(工艺)因素 工艺制造条件往往是达不到设计要求而导致零件失效的一个重要因素。如零件在锻造过程中产生的

3、夹层、冷热裂纹，焊接过程的未焊透、偏析、冷热裂纹，铸造过程的疏松、夹渣，机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适，热处理工艺产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性、硬软层硬度梯度过大，精加工磨削中的磨削裂纹等。,3) 装配调试因素 在安装过程中，如达不到所要求 的质量指标，如啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过松或过紧，接触状态未调整好)，联接零件必要的防松不可靠，铆焊结构的必要探伤检验不良，润滑与密封装置不良等，在初步安装调试后，未按规定的进行逐级加载跑合。(4) 材质因素 材质除选材不当外，材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的缺陷是导致失效的

4、重要因素。(5) 运转维修因素 首先是对运转工况参数(载荷、速度等)的监控是否准确，定期大、中、小检修的制度是否合理、执行，再者，润滑条件是否保证, 包括润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑装置以及冷却、加热和过滤系统功能是否正常。最后，在影响失效的基本因素中，特别要强调人的因素，即注意人的素质条件的影响。,8.2 零件失效形式,8.2.1 畸变失效 畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。从变形的形貌上看，畸变有两种基本类型：尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小)和形状畸变(如弯曲或翘曲)。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形，轴的弯曲、壳体的翘曲变形等。 畸变具体体现：不能承受所规定载

5、荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰。,（1） 弹性畸变失效弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，其不恰当的变形量与零件的强度无关，是刚度问题。 影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。 （2）塑性畸变失效是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。 引起零件塑性畸变的因素，除在弹性畸变中所讨论的有关影响因素外，常见的还有材质缺陷、使用不当、设计有误等，特别是热处理不良更为突出，实际上往往是多种因素的综合结果。 （3）翘曲畸变失效是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形，从而导致严重的翘曲畸变失效

6、。 翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合，其中以温度变化，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。,8.2.2 断裂失效 机械零件因断裂（特别是突然断裂）而产生的失效称为断裂失效。 1.断裂失效的分类 断裂失效的形式有多种，常见的主要有塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂及蠕变失效断裂等。,2.断口的分析方法 断口分析是断裂失效分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。 例：金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察，可以看到其断口可分为： F-纤维状区; R-放射状区; S-剪切唇区,断口,3.断裂形式的特征 （1）韧性断裂的特征 宏观特征：

7、宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45角 微观特征：蛇形滑移和延伸，间距不等、短而且平行、不连续的条纹韧窝，大小相当于显微空洞裂纹的一半。,韧性（塑性）断裂实物,断口韧窝电镜照片,（2）脆性断裂的特征 脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断 脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹(如肉眼可见的0.1mm1mm)作为源开始的。这种宏观裂纹可以是在生产工艺过程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀而产生。 中低强度钢在1015以下发生的由韧性状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。,脆性断口的宏观特征

8、 在断裂前没有可以观察到的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。,脆性断裂的微观特征 脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态。,解理断裂：因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂，开裂速度快，一般钢中的解理速度大约是1030m/s，在低温和三向应力状态时更快；沿着特定的结晶面(称为解理面)发生，这些结晶面一般是属于低指数的。在不同高度的平行解理面之间产生解理台阶。解理裂纹扩展过程中，众多的台阶相互汇合，便形成河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致。,(3）其它断裂失效形式 疲劳失效断裂，蠕变断裂,疲劳断裂实物,疲劳断裂显微形貌,8.2.3 磨损失效

9、相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。,1.粘着磨损 两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。,粘着磨损示意图,2.磨料磨损 配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。,磨粒磨损示意图,3.表面疲劳磨损 两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。,4.冲刷磨损 冲刷磨损是由于含

10、固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失的磨损。,冲刷磨损示意图,5.腐蚀磨损 腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。 影响磨损失效的基本因素 摩擦副材质 材料副的互溶性，相同金属、晶格类型、原子间距、电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易于粘着而导致粘着磨损失效。 金属与非金属(如塑料、石墨等)，互溶性小，粘着倾向小。 材料副的表面强化处理情况。 材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各种磨损加剧。 工况参数 包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等 合理的表面

11、强化处理以减少磨损 合理的表面强化处理，一是改变组织结构，二是适度提高硬度。表面强化处理有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨损率。,8.2.4 腐蚀失效 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。 1.均匀腐蚀 均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。 腐蚀均匀性的前提是： 被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织 腐蚀环境包围金属表面是均匀而且不受限制与障碍的,2.点腐蚀,腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成孔穴甚至穿透(孔蚀)。 金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部电池”，其中受破坏处是阳极，未受破坏处是阴

12、极，腐蚀电流由阳极流向周围的阴极，阳极处很快被腐蚀成小孔。,点腐蚀示意图,3.晶间腐蚀 腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。,晶间腐蚀示意图,8.3 机械零件选材原则,8.3.1 使用性能原则 1.机械零件正确选材的使用性能原则 使用性能主要是指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。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。 2.零件使用时的工作条件 （1） 受力状况，主要是载荷的类型(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

13、荷的特点等。 （2） 环境状况，主要是温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、比重、外观等的要求。 3.零件根据使用性能选材的步骤 通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用手册根据使用性能选材。,由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况： 材料的性能不单与

14、化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。 材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。,8.3.2 工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。,金属材料的零件选材的工艺性能原则,金属材料的加工工艺路线,（1）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线 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选材的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工零件 （3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺

15、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。 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。,8.3.3 经济性原则 1.材料的价格 零件材料的价格无疑应该尽量低。 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。 2.零件的总成本 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关, 3.国家的资源等因素 随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，保证零件便于加工制造，同时保证零件的总成本尽可能低。,小结 1.失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能的现象称为失效。按照失效模式与失效机理零件失效可以分为畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效几类。 2.机械零件选材原则有三个：材料