機械制造基礎模塊6零件失效及失效類型

1、 退出退出 定定 義：義：機械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象機械零件或工程構(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：失效的定量指標： 額定壽命；某些指標的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）額定壽命；某些指標的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）達不到定量指標，即發(fā)生早期失效。達不到定量指標，即發(fā)生早期失效。 3失效分析實例失效分析實例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 號鋼板號鋼板 船用鋼板的沖擊試驗結(jié)果船用鋼板的沖擊試驗結(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：選高強度材料、采取

3、強化工藝、加大截面尺選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺寸或降低應力水平。寸或降低應力水平。 過量蠕變失效：過量蠕變失效： 特征：特征：變形變形時間累積過程。時間累積過程。 措施：措施：選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。選用高強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；原因為強度不足。，先塑變后斷裂；原因為強度不足。 措施：措施：；提高材料強度。；提高材料強度。 低溫脆性應力脆斷：低溫脆性應力脆斷： 特征：特征：s s時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險，低溫最易發(fā)生。兆，最危險，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；減少應力提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應力集中及消除內(nèi)應力等。集中及消除內(nèi)應力等。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、刀痕等應力集中處。刀痕等應力集中處。 措施：措施：選材；設計改進（避免或減少應力集中）；表面選材；設計改進（避免或減少應力集中）；表面加工質(zhì)量；表面強化。加工質(zhì)量；表面強化。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： 應力腐蝕等。應力腐蝕等。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、過量磨損會失效，例摩擦副、工模具。損會失效，例摩擦副、工模具。 措施：措施：用耐磨材料；表面強化、表面改性處理；潤滑用耐磨材料；表面強化、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力或接觸應力反復作接觸零件之間周期性壓應力或接觸應力反復作用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點。用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點。 措施：措施：提高表面質(zhì)量、表面強化。提高表面質(zhì)量、表面強化。腐蝕失效：腐蝕失效： 量大面廣；選抗蝕材料、表面防護等。量大面廣；選抗蝕材料、表面防

6、護等。 總體上共四方面：總體上共四方面：設計設計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，是零件乃至機器完成其功是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功能的基本保證。使用性能可由力學性能、物理性能和化能的基本保證。使用性能可由力學性能、物理性能和化學性能表征。機械零件主要是力學性能。學性能表征。機械零件主要是力學性能。 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，工藝性能也會上升為選材的主要某些特殊情況下，工藝性能也會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，其使用價值就大打折扣?；虺杀咎?，其使用價值就大打折扣。材料的工藝性材料的工藝性高分子材料成型工藝簡單，切削加工性好熔點低，導熱性差陶瓷材料硬度高，脆度高，切削無法實現(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)濟性）材料的經(jīng)濟性總成本 = 材料本身價格 + 加工費 + 其他（運費、安

8、裝費、管理費、研究費用等）降低成本，就近取材；考慮材料生產(chǎn)、供應情況；選材少而集中，便于采購和管理從實際出發(fā)，全面考慮機械性能、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 傳遞扭矩時齒根承受較大的交變彎曲應力； 齒嚙合時齒面承受較大的接觸壓應力并受強烈的摩擦和磨損； 換擋、啟動、制動或嚙合不均勻時承受一定的沖擊力。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（接觸疲勞點蝕、過渡磨損） 高的彎曲疲勞強度，防止輪齒疲勞斷裂； 高的齒心強度和韌性，防止輪齒過載斷裂； 高的齒面接觸疲勞

9、強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：機床齒輪工作平穩(wěn)，無強烈沖擊，負荷不大，轉(zhuǎn)速中等，對齒輪強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)高頻感應加熱表面淬火，齒面硬度可達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、機床齒輪、機床齒輪下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工高頻感應表面淬火低溫回火精磨成品機床齒輪的加工工藝路線：正火：使組織均勻化，消除鍛造應力，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性

10、能，提高齒心的強度和韌性使齒輪能承受較大的彎曲應力和沖擊載荷，并減小淬火變形；高頻感應加熱表面淬火：提高齒輪表面硬度和耐磨性，提高齒面接觸疲勞強度；低溫回火：在不降低表面硬度的情況下，消除淬火應力，防止產(chǎn)生磨削裂紋，提高輪齒抗沖擊能力。工作條件比機床齒輪惡劣，受力較大，超載與啟動、制動和變速時受沖擊頻繁，對耐磨性、彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、心部強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、拖拉機齒輪、汽車、拖拉機齒輪汽車、拖拉機齒輪的加工工藝路線：下料鍛造正火機械加工滲碳、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)量分數(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度；低溫回火：消除淬火應力，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，增加表面殘余壓應力，提高接觸疲勞強度。軸的功能：支承傳動零件并傳遞扭矩。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 高疲勞強度，防止軸疲勞斷裂； 優(yōu)良綜合力學性能，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，材料應具有特殊性能（蠕變、耐蝕）。性能要求：性能要求：機床主軸承受中等扭轉(zhuǎn)-彎曲復合載荷，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行表面淬火。載荷較大的軸可選用4