ch8-机械零件的失效与选材原则解析课件.ppt

1、第八章第八章 机械零件的选用与机械零件的选用与加工工艺加工工艺8.1 机械零件的机械零件的失效失效及失效分析及失效分析8.2 机械零件机械零件选材原则选材原则8.3 典型零件的加工工艺典型零件的加工工艺失效：失效：零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功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。能的现象。严重事故严重事故 8.1 机械零件的失效及失效分析机械零件的失效及失效分析零件失效类型零件失效类型 畸变失效畸变失效 过量弹、塑性变形。过量弹、塑性变形。断断 裂裂 脆、塑性，疲劳断裂。脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤表面损伤 磨损、腐蚀等。磨损、腐蚀等。零件失效的原因零件失效的原因

2、设计、材料、加工、安装和使用。设计、材料、加工、安装和使用。8.1.1 零件失效形式零件失效形式一、畸变失效一、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。畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。1.弹性畸变失效弹性畸变失效 2.塑性畸变失效塑性畸变失效 3.翘曲畸变失效翘曲畸变失效（1）韧性断裂韧性断裂伴有宏观上的塑性变形伴有宏观上的塑性变形，缩，缩颈，颈，断口呈盆状或杯状断口呈盆状或杯状。（2）脆性断裂脆性断裂只产生只产生很小的永久变形很小的永久变形，断断口平整口平整。二、断裂失效二、断裂失效1.断裂失效的分类断裂失效的分类2.断口的分析方法断口的分析方法 断口三要素：断

3、口三要素：F-纤维状区纤维状区 R-放射状区放射状区 S-剪切唇区剪切唇区3.断裂路径：穿晶和沿晶断裂断裂路径：穿晶和沿晶断裂穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂沿晶断裂微孔聚合型断口微孔聚合型断口解理型断口解理型断口晶间断裂晶间断裂晶内断裂晶内断裂四、断裂机制四、断裂机制疲劳断裂疲劳断裂n断口，三个区域：断口，三个区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区疲劳源、疲劳区、瞬断区n随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。三、磨损失效三、磨损失效磨损：磨损：相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面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。状态和尺

4、寸改变的现象。活塞环与缸套之间的摩擦活塞环与缸套之间的摩擦 1.磨损失效的基本类型磨损失效的基本类型（1）粘着磨损）粘着磨损（2）磨料磨损）磨料磨损（3）表面疲劳磨损）表面疲劳磨损（4）冲刷磨损）冲刷磨损（5）腐蚀磨损）腐蚀磨损粘着磨损示意图粘着磨损示意图磨粒磨损示意图磨粒磨损示意图冲刷磨损示意图冲刷磨损示意图犁削磨损示意图犁削磨损示意图 （1）摩擦副材质）摩擦副材质 互溶性；互溶性；表面强化处理情况；表面强化处理情况；表层组织和结构缺陷。表层组织和结构缺陷。（2）工况参数）工况参数 接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。件与润滑等。2

5、.影响磨损失效的基本因素影响磨损失效的基本因素1.均匀腐蚀均匀腐蚀2.点腐蚀点腐蚀3.晶间腐蚀晶间腐蚀 四、腐蚀失效四、腐蚀失效腐蚀：腐蚀：金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。损耗。8.1.2 失效分析的主要试验方法失效分析的主要试验方法宏观和微观断口分析技术；宏观和微观断口分析技术；金相检验技术；金相检验技术；无损探伤检验技术；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；常规成分、微区成分和表面成分分析技术；X射线衍射分析；射线衍射分析；实验应力分析；实验应力分析；力学性能测试；力学性能测试；断裂力学测试断裂力学测试8.2 机械零

6、件选材原则机械零件选材原则8.2.1 使用性能原则使用性能原则 满足使用要求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。理性能和化学性能。大量机器零件大量机器零件和工程构件和工程构件特殊条件下特殊条件下工作的零件工作的零件 （1 1）受力状况）受力状况 载荷的类型载荷的类型(例如动载、静载、例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷和大小；载荷的形式；载荷的特点等。的特点等。（2 2）环境状况）环境状况 温度特性、介质情况等。温度特性、介质情况等。（3 3）特殊要求）特殊要求 对导电性

7、、磁性、热膨胀、密度对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。、外观等的要求。零件使用时的工作条件零件使用时的工作条件 工工 作作 条条 件件 零件零件应力种应力种类类载荷性载荷性质质受载状态受载状态常见的失效形式常见的失效形式机械性能要机械性能要求求紧固紧固螺栓螺栓拉，拉，剪剪静载静载过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动传动轴轴弯，弯，扭扭循 环，循 环，冲击冲击轴颈摩擦，轴颈摩擦，振动振动疲劳断裂，过量疲劳断裂，过量变形，轴颈摩损变形，轴颈摩损综合机械性能综合机械性能传动传动齿轮齿轮压，压，弯弯循 环，循 环，冲击冲击摩擦，振摩擦，振动动齿折断齿折断,磨损磨损,疲疲劳断裂

8、劳断裂,接触疲劳接触疲劳(麻点麻点)表面高强度及表面高强度及疲劳极限，心疲劳极限，心部强度、韧性部强度、韧性弹簧弹簧扭，扭，弯弯交 变，交 变，冲击冲击振动振动弹性失稳，疲劳弹性失稳，疲劳破坏破坏弹性极限，屈弹性极限，屈强比，疲劳极强比，疲劳极限限冷作冷作模具模具复杂复杂交 变，交 变，冲击冲击强烈摩擦强烈摩擦磨损，脆断磨损，脆断硬度，足够的硬度，足够的强度，韧性强度，韧性表表8-2 8-2 常用零件的工作条件和失效形式常用零件的工作条件和失效形式 8.2.2 工艺性能原则工艺性能原则满足生产工艺的要求满足生产工艺的要求图图8-4 8-4 高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 图图

9、8-5 8-5 陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线金属材料零件选材的工艺性能原则金属材料零件选材的工艺性能原则 图图8-6 8-6 金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线3.精密金属零件的工艺路线精密金属零件的工艺路线 毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热处理(淬火、淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工半精加工稳定化处理或氮化稳定化处理或氮化精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。1.一般金属零件的工艺路线一般金属零件的工艺路线 毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。2.性能要求较

10、高的金属零件的工艺路线性能要求较高的金属零件的工艺路线 毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热处理(淬火淬火、回火，固溶时效或渗碳等、回火，固溶时效或渗碳等)精加工精加工零件。零件。一、材料的价格一、材料的价格 应该尽量低。占应该尽量低。占30%70%8.2.3 经济性原则经济性原则三、国家的资源三、国家的资源 来源丰富并顾及我国资源状况。来源丰富并顾及我国资源状况。二、零件的总成本二、零件的总成本 生产和使用的总成本最低。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

11、有关。和材料价格有关。8.2.4 环境与资源原则环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、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。减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。.环境污染小环境污染小废物排放少废物排放少材料回收及降解材料回收及降解8.3 典型零件的加工工艺典型零件的加工工艺齿轮的失效形式：齿轮的失效形式：(1)疲劳断裂疲劳断裂 (2)齿面磨损齿面磨损 (3)齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏 (4)过载断裂过载断裂8.3.1 齿轮选材齿轮选材(1)高的弯曲疲劳强度。高的弯曲疲劳强度。(2)高的接触疲劳强度和耐磨性。高的接触疲劳强度和耐磨性。(

12、3)较高的强度和冲击韧性。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。形有一定规律等。一、齿轮材料的性能要求一、齿轮材料的性能要求二、齿轮类零件的选材二、齿轮类零件的选材性能要求性能要求 齿面硬度齿面硬度 （决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）强度，韧性强度，韧性选材：选材：调质钢调质钢 调质调质 或（或（+表面淬火表面淬火+低温回火）低温回火）渗渗C钢钢 硬度、韧性高，淬火硬度、韧性高，淬火+低温回火低温回火 转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击转速中等，载荷不大，工作平稳

13、无强烈冲击 选材：中碳钢或中碳合金钢，选材：中碳钢或中碳合金钢，如如40Cr三、典型齿轮选材举例三、典型齿轮选材举例l 工艺路线：工艺路线：下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一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轮齿高频淬火及回火一精磨1机床齿轮机床齿轮热处理的目的热处理的目的正火：正火：消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。调质处理：调质处理：使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有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。足够的强度和韧性。高频淬火：高频淬火：提高轮齿表面硬度、耐磨性，表面残余压提高轮齿表面硬度、

14、耐磨性，表面残余压应力提高抗疲劳能力。应力提高抗疲劳能力。低温回火：低温回火：消除淬火应力。消除淬火应力。2汽车齿轮汽车齿轮受力较大，冲击频繁受力较大，冲击频繁选材：渗碳钢，如选材：渗碳钢，如20Cr或或20CrMnTil 工艺路线：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回火一喷丸一磨削加工热处理目的：热处理目的：正火：正火：渗碳、淬火及低温回火：渗碳、淬火及低温回火：表面高碳含量，保证淬火表面高碳含量，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。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

15、较高的强度和足够的冲淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。击韧性。喷丸处理：喷丸处理：增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。并清除氧化皮。(1)良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定 的韧性；的韧性；(2)高的疲劳强度，对应力集中敏感性低；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；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。良好的切削加工性能，价格便宜。一、轴类零件的性能要求一、轴类零件的性能要求8.3.2 轴类零件选

16、材轴类零件选材C620 车床主轴车床主轴l一般轴类零件：一般轴类零件：碳钢碳钢，45钢钢 正火正火、调质调质或或表面淬火表面淬火热处理热处理二、轴类零件材料二、轴类零件材料性能指标：性能指标：强度、冲击韧性和表面耐磨性。强度、冲击韧性和表面耐磨性。l要求高的轴承：要求高的轴承：合金钢合金钢例：例：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等等 1机床主轴选材机床主轴选材（C620车床主轴）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，冲击载荷也不大荷也不大 要求：要求：具有一般综合机械性能具有一般综合机械性能 选材：选材

17、：45钢钢 热处理：热处理：调质处理调质处理，有摩擦部位进行，有摩擦部位进行表面淬火表面淬火三、典型轴的选材三、典型轴的选材工艺路线：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及低温回火一一磨削加工磨削加工 载荷较大，可用载荷较大，可用40Cr钢钢 承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，可用承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，可用20Cr或或20CrMnTi等等受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力 形状极不规则，应力分布很不均匀形状极不规则，应力分布很不均匀 曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。曲轴颈与轴承发生滑

18、动摩擦。失效形式：失效形式：疲劳断裂疲劳断裂和和轴颈严重磨损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。转疲劳强度和刚度，轴颈还应有高的硬度和耐磨性。2内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材锻钢曲轴和铸造曲轴两种锻钢曲轴和铸造曲轴两种锻钢曲轴：锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr，35CrMo钢等。钢等。工艺路线：模锻工艺路线：模锻-调质调质-切削加工切削加工-轴颈表面淬火轴颈表面淬火铸造曲轴铸造曲轴：球墨、可锻铸铁等，如：球墨、可

19、锻铸铁等，如QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4。工艺路线：工艺路线：铸造一高温正火一高温回火一切削加工一铸造一高温正火一高温回火一切削加工一轴颈气体渗氮轴颈气体渗氮高温正火高温正火获得细获得细P基体的组织，以满足强度要求基体的组织，以满足强度要求高温回火高温回火消除正火时产生的内应力消除正火时产生的内应力轴颈气体渗氮轴颈气体渗氮提高轴颈表面硬度和耐磨性。提高轴颈表面硬度和耐磨性。弹簧选材弹簧选材65Mn,60Si2Mn 刀具选材刀具选材T12,9SiCr,W18Cr4V课堂讨论课二课堂讨论课二辅导教材辅导教材112页：二、页：二、1和和3题题 85页：页：33题题讨论课讨论课:课堂讨论三课堂讨论三 合金钢与选材合金钢与选材P115-116 二、讨论题目二、讨论题目 3、4课堂讨论二课堂讨论二 钢的热处理钢的热处理P112：二、：二、1和和3题题P85：33题题