機(jī)械制造基礎(chǔ)模塊6零件失效及失效類型

1、 退出退出 定定 義：義：機(jī)械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象機(jī)械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象 失效含義：失效含義： 零件零件破損，不能正常工作。破損，不能正常工作。 零件零件尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。 零件不能安全工作。零件不能安全工作。 失效的定量指標(biāo)：失效的定量指標(biāo)： 額定壽命；某些指標(biāo)的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）額定壽命；某些指標(biāo)的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）達(dá)不到定量指標(biāo)，即發(fā)生早期失效。達(dá)不到定量指標(biāo)，即發(fā)生早期失效。 3失效分析實(shí)例失效分析實(shí)例Titanic使用的鋼板使用的鋼板 雜質(zhì)含量較高，韌性很差，特別是雜質(zhì)含量較高，韌

2、性很差，特別是在低溫下呈明顯的脆性，沖擊試樣為典型的脆性斷口。在低溫下呈明顯的脆性，沖擊試樣為典型的脆性斷口。Titanic 號(hào)鋼板號(hào)鋼板 船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果船用鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)代船用鋼板現(xiàn)代船用鋼板 過量彈性變形失效：過量彈性變形失效： 特征：特征：彈性變形過彈性變形過大大, ,帶來一系后果（如刀桿的帶來一系后果（如刀桿的“讓讓刀刀”）。）。 措施：措施：提高剛度，具體辦法為改變幾何尺寸，切削提高剛度，具體辦法為改變幾何尺寸，切削用量及用用量及用E E大的材料。大的材料。 塑性變形失效：塑性變形失效： 特征：特征：s s、發(fā)生整體屈服。、發(fā)生整體屈服。 措施：措施：選高強(qiáng)度材料、采取

3、強(qiáng)化工藝、加大截面尺選高強(qiáng)度材料、采取強(qiáng)化工藝、加大截面尺寸或降低應(yīng)力水平。寸或降低應(yīng)力水平。 過量蠕變失效：過量蠕變失效： 特征：特征：變形變形時(shí)間累積過程。時(shí)間累積過程。 措施：措施：選用高強(qiáng)耐熱鋼及合適的熱處理。選用高強(qiáng)耐熱鋼及合適的熱處理。 韌斷：韌斷： 特征：特征：b b ，先塑變后斷裂；原因?yàn)閺?qiáng)度不足。，先塑變后斷裂；原因?yàn)閺?qiáng)度不足。 措施：措施：；提高材料強(qiáng)度。；提高材料強(qiáng)度。 低溫脆性應(yīng)力脆斷：低溫脆性應(yīng)力脆斷： 特征：特征：s s時(shí)突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征時(shí)突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險(xiǎn)，低溫最易發(fā)生。兆，最危險(xiǎn)，低溫最易發(fā)生。 措施：措施：提高材料韌性；減少

4、各種加工缺陷；減少應(yīng)力提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應(yīng)力集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。疲勞斷裂：疲勞斷裂： 特征：特征：脆斷，無明顯塑變；脆斷，無明顯塑變；s s，多次循環(huán)造成，多次循環(huán)造成，如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、刀痕等應(yīng)力集中處。刀痕等應(yīng)力集中處。 措施：措施：選材；設(shè)計(jì)改進(jìn)（避免或減少應(yīng)力集中）；表面選材；設(shè)計(jì)改進(jìn)（避免或減少應(yīng)力集中）；表面加工質(zhì)量；表面強(qiáng)化。加工質(zhì)量；表面強(qiáng)化。蠕變斷裂：蠕變斷裂： 過量蠕變變形后發(fā)生。過量蠕變變形后發(fā)生。 介質(zhì)加速斷裂：介質(zhì)加速斷裂： 應(yīng)力腐蝕等。應(yīng)力腐蝕等。磨損失效磨損失效

5、 特征：特征：摩擦作用的結(jié)果之一；輕微磨損允許、過量磨摩擦作用的結(jié)果之一；輕微磨損允許、過量磨損會(huì)失效，例摩擦副、工模具。損會(huì)失效，例摩擦副、工模具。 措施：措施：用耐磨材料；表面強(qiáng)化、表面改性處理；潤滑用耐磨材料；表面強(qiáng)化、表面改性處理；潤滑條件。條件。接觸疲勞失效接觸疲勞失效 特征：特征：接觸零件之間周期性壓應(yīng)力或接觸應(yīng)力反復(fù)作接觸零件之間周期性壓應(yīng)力或接觸應(yīng)力反復(fù)作用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點(diǎn)。用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點(diǎn)。 措施：措施：提高表面質(zhì)量、表面強(qiáng)化。提高表面質(zhì)量、表面強(qiáng)化。腐蝕失效：腐蝕失效： 量大面廣；選抗蝕材料、表面防護(hù)等。量大面廣；選抗蝕材料、表面防

6、護(hù)等。 總體上共四方面：總體上共四方面：設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)選材與熱處理選材與熱處理加工缺陷加工缺陷裝配與使用裝配與使用 使用性能使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機(jī)器完成其功是選材的必要條件，是零件乃至機(jī)器完成其功能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和化能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能表征。機(jī)械零件主要是力學(xué)性能。學(xué)性能表征。機(jī)械零件主要是力學(xué)性能。 11材料的材料的工藝性能工藝性能就是材料加工的難易程度。就是材料加工的難易程度。工藝性能直接影響到零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)成本。工藝性能直接影響到零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)成本。與使用性能相比，工藝性能處于較次要地位，但在與使用性能相

7、比，工藝性能處于較次要地位，但在某些特殊情況下，工藝性能也會(huì)上升為選材的主要某些特殊情況下，工藝性能也會(huì)上升為選材的主要依據(jù)。依據(jù)。例如某種材料雖然使用性能很好，但加工極為困難例如某種材料雖然使用性能很好，但加工極為困難或成本太高，其使用價(jià)值就大打折扣?；虺杀咎撸涫褂脙r(jià)值就大打折扣。材料的工藝性材料的工藝性高分子材料成型工藝簡單，切削加工性好熔點(diǎn)低，導(dǎo)熱性差陶瓷材料硬度高，脆度高，切削無法實(shí)現(xiàn)可加工性差金屬材料 加工方法多樣鑄、鍛、焊、切削、熱處理鑄件共晶合金鍛件、沖壓件低碳鋼焊接結(jié)構(gòu)低碳鋼、低碳合金鋼（3）材料的經(jīng)濟(jì)性）材料的經(jīng)濟(jì)性總成本 = 材料本身價(jià)格 + 加工費(fèi) + 其他（運(yùn)費(fèi)、安

8、裝費(fèi)、管理費(fèi)、研究費(fèi)用等）降低成本，就近取材；考慮材料生產(chǎn)、供應(yīng)情況；選材少而集中，便于采購和管理從實(shí)際出發(fā)，全面考慮機(jī)械性能、工藝性能、生產(chǎn)成本。n齒輪的功能傳遞扭矩變速改變傳力的方向一、齒輪（一）工作條件、失效方式及性能要求（一）工作條件、失效方式及性能要求 傳遞扭矩時(shí)齒根承受較大的交變彎曲應(yīng)力； 齒嚙合時(shí)齒面承受較大的接觸壓應(yīng)力并受強(qiáng)烈的摩擦和磨損； 換擋、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)承受一定的沖擊力。n 工作條件n 失效方式u齒的折斷（疲勞斷裂、沖擊過載斷裂）u齒面損傷（接觸疲勞點(diǎn)蝕、過渡磨損） 高的彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒疲勞斷裂； 高的齒心強(qiáng)度和韌性，防止輪齒過載斷裂； 高的齒面接觸疲勞

9、強(qiáng)度和高的硬度及耐磨性，防止齒面損傷； 較好的工藝性能，如切削加工性，熱處理變形小或變形有一定規(guī)律，過熱傾向小，有一定淬透性等。性能要求：性能要求：機(jī)床齒輪工作平穩(wěn)，無強(qiáng)烈沖擊，負(fù)荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對(duì)齒輪強(qiáng)度和韌性的要求不高。材料：40或45鋼熱處理：正火或調(diào)質(zhì)處理后再經(jīng)高頻感應(yīng)加熱表面淬火，齒面硬度可達(dá)52HRC，齒心硬度為220250HBS，能夠滿足性能要求。（二）選材及熱處理（二）選材及熱處理1、機(jī)床齒輪、機(jī)床齒輪下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工高頻感應(yīng)表面淬火低溫回火精磨成品機(jī)床齒輪的加工工藝路線：正火：使組織均勻化，消除鍛造應(yīng)力，調(diào)整硬度改善切削加工性。調(diào)質(zhì)：使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性

10、能，提高齒心的強(qiáng)度和韌性使齒輪能承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊載荷，并減小淬火變形；高頻感應(yīng)加熱表面淬火：提高齒輪表面硬度和耐磨性，提高齒面接觸疲勞強(qiáng)度；低溫回火：在不降低表面硬度的情況下，消除淬火應(yīng)力，防止產(chǎn)生磨削裂紋，提高輪齒抗沖擊能力。工作條件比機(jī)床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動(dòng)、制動(dòng)和變速時(shí)受沖擊頻繁，對(duì)耐磨性、彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和韌性等要求均較高。材料：滲碳鋼熱處理：滲碳、淬火性能：表面硬度5862HRC，心部3545HRC2、汽車、拖拉機(jī)齒輪、汽車、拖拉機(jī)齒輪汽車、拖拉機(jī)齒輪的加工工藝路線：下料鍛造正火機(jī)械加工滲碳、淬火低溫回火磨加工成品噴丸正火：使組織均勻化，消除鍛造

11、應(yīng)力，調(diào)整硬度改善切削加工性。滲碳：提高齒輪面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.81.05）；淬火：提高齒面硬度并獲得一定淬硬層深度（0.81.3mm），提高耐磨性和齒面接觸疲勞強(qiáng)度；低溫回火：消除淬火應(yīng)力，防止產(chǎn)生磨削裂紋，提高輪齒抗沖擊能力；噴丸：提高齒面硬度約13HRC，增加表面殘余壓應(yīng)力，提高接觸疲勞強(qiáng)度。軸的功能：支承傳動(dòng)零件并傳遞扭矩。工作條件：承受交變扭轉(zhuǎn)載荷、交變彎曲載荷 或拉-壓載荷；局部（軸頸、花鍵等處）承受摩擦和磨損；特殊條件下受溫度或介質(zhì)作用。失效方式：疲勞斷裂和軸頸處磨損，有時(shí)發(fā)生沖擊過載斷裂，及塑性變形或腐蝕失效。二、軸（一）工作條件、失效方式及性能要求（一）工作條件、失效方式及性能要求 高疲勞強(qiáng)度，防止軸疲勞斷裂； 優(yōu)良綜合力學(xué)性能，防止塑性變形及過載或沖擊載荷余下下的折斷和扭斷； 局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨損失效； 在特殊條件下工作的軸，材料應(yīng)具有特殊性能（蠕變、耐蝕）。性能要求：性能要求：機(jī)床主軸承受中等扭轉(zhuǎn)-彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定沖擊載荷。材料：45鋼熱處理：調(diào)質(zhì)處理后軸頸及錐孔處再進(jìn)行表面淬火。載荷較大的軸可選用4