機(jī)械制造基礎(chǔ)：第十章 機(jī)械零件的失效與選材

1、第十章 機(jī)械零件的失效與選材 機(jī)械零件的失效與分析機(jī)械工程材料的選材原則一、機(jī)械零件失效與分析 每種機(jī)器零件都具有一定的功能或完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，或傳遞力、力矩或能量。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能保證工作安全；零件雖能安全工作，但工作低效。當(dāng)零部件喪失預(yù)定的功能時(shí)，即發(fā)生了零件的失效。（一）、零件失效的基本形式 零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類(lèi)型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類(lèi)型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷

2、裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效（二）、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影響失效的因素很多，要利用宏觀和微觀的研究手段進(jìn)行系統(tǒng)的分析。服役條件失效零件失效分析失效類(lèi)型失效原因工業(yè)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)提高零件失效抗力加強(qiáng)管理改進(jìn)工藝提高主要抗力指標(biāo)改進(jìn)設(shè)計(jì)工 藝使 用材 料設(shè) 計(jì)失效分析的主要方法1、無(wú)損檢測(cè) 無(wú)損檢測(cè)是針對(duì)材料在冶金、加工、使用過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無(wú)損探傷法進(jìn)行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、金相分析 通過(guò)觀察分析零件（特別是失效源周?chē)╋@微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細(xì)、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷

3、及失效源周?chē)M織的變化，對(duì)組織是否正常作出判斷。3、化學(xué)分析 檢驗(yàn)材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設(shè)計(jì)要求。4、力學(xué)分析 檢查分析失效零件 的應(yīng)力分布、承載能力以及脆斷傾向等。5、斷口分析 斷口分析是對(duì)斷口進(jìn)行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴(kuò)展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機(jī)理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口B裂紋產(chǎn)生在后A裂紋產(chǎn)生在前裂紋擴(kuò)展方向（a）T型法則 （b）分叉法則圖 分析破壞的順序斷口分析T型法則 分叉法則脆性斷口宏觀：根據(jù)人字紋路的走向和放射棱線(xiàn)匯聚方向確定裂紋區(qū)。源區(qū)源區(qū)（a） （b）圖 失效源分析宏觀：結(jié)晶狀，平齊而

4、光亮，有閃亮小刻面。無(wú)明顯變形。微觀：平坦的解理臺(tái)階與河流花樣。（a）宏觀形貌 （b）微觀解理花樣圖 脆性結(jié)晶狀斷口的宏觀及微觀形貌脆性斷口脆性斷裂也可能沿晶界發(fā)生。（a）回火脆性斷口 （b）應(yīng)力腐蝕斷口圖 脆性沿晶斷裂斷口韌性斷口宏觀：纖維狀，色質(zhì)灰暗, 有明顯的塑性變形；微觀：大小不等的韌窩。（a）纖維狀韌性宏觀斷口 （b）微觀典型韌窩形貌圖 韌性斷口的宏觀及微觀形貌疲勞斷口（a）疲勞斷口宏觀形貌（b）疲勞斷口示意圖（c）疲勞條紋的微觀圖象圖 疲勞斷口疲勞源 疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū) “貝紋”狀花樣 瞬時(shí)斷裂區(qū) （三）、零件失效分析實(shí)例1、齒輪的失效 齒輪是機(jī)械設(shè)備中運(yùn)用極廣的傳動(dòng)零件，齒輪表面受到

5、接觸力和摩擦力的作用，齒根部則受到交變彎曲應(yīng)力的作用，此外由于過(guò)載和換檔時(shí)的沖擊還會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。（a） （b） 圖 齒輪的輪齒的疲勞斷裂（宏觀）齒輪的失效行為失效形式失 效 的 原 因齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點(diǎn)狀剝落（或稱(chēng)麻點(diǎn)）疲勞斷裂從齒根部發(fā)生，由過(guò)大的交變彎曲應(yīng)力所致，是齒輪最嚴(yán)重的失效形式齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小過(guò)載斷裂主要是沖擊載荷過(guò)大造成的斷齒2、機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)軸的失效車(chē)軸在運(yùn)行時(shí)承受著旋轉(zhuǎn)彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，車(chē)軸材料通常具有較好的韌塑性，其形狀又有很好的對(duì)稱(chēng)性，所以車(chē)軸具有疲勞斷裂的完整過(guò)程（疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、最終瞬時(shí)斷裂）

6、，斷口見(jiàn)圖：（a） （b）圖 車(chē)軸疲勞斷口（a） 疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴(yán)重冶金缺陷引起裂紋萌生。（b）疲勞源在軸表面，由表面加工缺陷引起缺口效應(yīng)，致使裂紋萌生。疲勞源車(chē)軸的疲勞斷裂失效分析如下圖：疲勞裂紋源發(fā)生在車(chē)軸內(nèi)部冶金缺陷（殘余縮孔、夾渣、空洞、成份偏析、夾雜物超標(biāo)等）車(chē)軸疲勞斷裂分析斷口面基本與軸向垂直設(shè)計(jì)不當(dāng)、嚴(yán)重缺陷或過(guò)載斷口特征異常機(jī)加工缺陷機(jī)加工不當(dāng)撞傷意外損傷腐蝕產(chǎn)物環(huán)境腐蝕磨損產(chǎn)物微動(dòng)摩擦軸表面異?；瘜W(xué)成份冶煉工藝不當(dāng)力學(xué)性能不合格金相組織冶煉、鍛造 或熱處理工藝不當(dāng)疲勞裂紋源發(fā)生在車(chē)軸表面斷口面與軸向成45角扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大3、鐵路鋼軌的失效鋼軌傷損的主要形式失效形式失 效 的

7、 原 因磨耗鋼軌與車(chē)輪接觸面表層發(fā)生磨損壓潰輪軌接觸壓應(yīng)力使鋼軌表面發(fā)生塑性變形剝離交變接觸應(yīng)力使疲勞裂紋在鋼軌表層(次表層)形成擴(kuò)展至剝落疲勞裂紋或折斷交變應(yīng)力引起疲勞裂紋的萌生,并可能進(jìn)一步擴(kuò)展至斷裂擦傷輪軌接觸面發(fā)生熱機(jī)械作用, 導(dǎo)致組織產(chǎn)生相變由珠光體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體組織銹蝕腐蝕環(huán)境作用（a） （b） （c） 圖8-12 鋼軌軌頭磨耗、壓潰和剝離（a）軌頭側(cè)面磨耗（b）軌頭踏面被壓潰及出現(xiàn)飛邊（c）魚(yú)鱗狀裂紋和剝離坑鐵路全天候運(yùn)行，行程長(zhǎng)、工作條件較惡劣，磨耗、腐蝕、疲勞斷裂時(shí)其主要形式。 鋼軌使用初期出現(xiàn)的縱向劈裂等主要與鋼軌的內(nèi)部和表面質(zhì)量有關(guān)，如非金屬夾雜物、白點(diǎn)、偏析、殘余縮孔

8、、翻皮、折疊等引起的核傷。（圖a） 表面損傷（表面剝離、壓潰、擦傷、機(jī)械碰撞等）、鋼軌結(jié)構(gòu)引起的局部高應(yīng)力則可能導(dǎo)致疲勞裂紋甚至折斷。軌頭嚴(yán)重磨耗、壓潰等則主要與鋼軌的強(qiáng)度與負(fù)荷有關(guān)。（圖b）（a） （b）圖8-13 鋼軌在交變接觸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的核傷(接觸疲勞傷損) （a）夾雜物引起的核傷斷口（白核） （b）表面剝離引起的核傷斷口二、工程材料的選擇1、選材的動(dòng)機(jī) 首次開(kāi)發(fā)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品、新零件或新裝置； 現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代； 零件過(guò)早失效甚至災(zāi)難性事故發(fā)生后，需改變用材。 2.選擇材料的基本過(guò)程傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念把選材歸入設(shè)計(jì)過(guò)程的后期：1. 以前的大多數(shù)設(shè)計(jì)中創(chuàng)新部分很少；2. 設(shè)計(jì)的理

9、論基礎(chǔ)很不完善，設(shè)計(jì)中存在著許多未知因素。前人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和選材。采用過(guò)大的安全系數(shù)，過(guò)分依賴(lài)手冊(cè)，把材料看成一種抽象的性能傾向于選用所謂“萬(wàn)能材料”現(xiàn)代設(shè)計(jì)隨著設(shè)計(jì)理論的完善和設(shè)計(jì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)化，材料在更加接近失效極限的范圍內(nèi)使用，選材的難度也越來(lái)越大。安全系數(shù)越來(lái)越小，3、 材料選用原則 (一) 使用性能原則首要原則（二）工藝性能原則 （三）經(jīng)濟(jì)性原則（四）環(huán)境與資源原則 根本原則(一) 使用性能原則首要原則分析零件的工作條件進(jìn)行失效分析確定零件對(duì)使用性能的要求，具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度等）；根據(jù)工作應(yīng)力、使用壽命或安全性，確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值，但是在利用

10、具體性能指標(biāo)時(shí)，必須注意幾個(gè)問(wèn)題：材料的性能指標(biāo)各有其物理意義有的可直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，例如屈服強(qiáng)度等有些則不能直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)計(jì)算，如沖擊韌性及塑性指標(biāo)在復(fù)雜條件下工作的零件，必須采用特殊實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)作選材依據(jù)材料的性能不能簡(jiǎn)單等同于手冊(cè)上的某一個(gè)確定的數(shù)值（二）工藝性能原則 設(shè)計(jì)中所作出的選材決定必然會(huì)影響到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的技術(shù)要求，因此選材在某種程度上“決定”了制造方法。一旦發(fā)現(xiàn)不能很經(jīng)濟(jì)地將選用的材料加工成所要求的形狀，那么已選定的材料將變得毫無(wú)意義。機(jī)械制造采用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎ淖儾牧系男螤詈托再|(zhì)，獲得合格的零件并加以合理組裝的過(guò)程。流動(dòng)成形、切削成形、連接成形在各階段會(huì)有變化，并可借助

11、于熱處理及表面改性處理進(jìn)行性能的重塑。制造過(guò)程的基本目的：一定的形狀和尺寸一定的性能一定的精度金屬材料的工藝性能粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛 坯預(yù)先熱處理零 件切削加工最終熱處理 金屬零件的加工工藝路線(xiàn)高分子材料的工藝性能 高分子材料的加工工藝路線(xiàn)有機(jī)物原料或型材成形加工切削加工零 件熱處理、焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等陶瓷材料的工藝性能粉末成 形 加 工配料壓制燒結(jié)磨削加工零件熱處理陶瓷材料的加工工藝路線(xiàn)（三）經(jīng)濟(jì)性原則根本原則產(chǎn)品消費(fèi)的總成本購(gòu)置價(jià)格使用成本固定成本制造廠利潤(rùn)維護(hù)費(fèi)維修費(fèi)保險(xiǎn)費(fèi)折舊費(fèi)日常開(kāi)支行政費(fèi)批發(fā)與零售費(fèi)研究與開(kāi)發(fā)費(fèi)可變成本（生產(chǎn)成本）基本材料成本制造成本產(chǎn)品

12、成本分析基本材料的成本：在許多工業(yè)產(chǎn)品中，材料的價(jià)格約占產(chǎn)品價(jià)格的3070%（1）提煉和制取的成本（2）礦物資源的儲(chǔ)量、開(kāi)采成本、礦石品位等（3）材料的提純、合金化（合成）成本 （4）加工增值成本 （5）供求關(guān)系所造成的價(jià)格波動(dòng)我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格材 料相對(duì)價(jià)格材 料相對(duì)價(jià)格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.31.5灰口鑄鐵1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.72.5球墨鑄鐵1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵22.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金810碳素工具鋼1.6普通黃銅1317低合金工具鋼34錫青銅、鋁青銅19高速鋼162

13、0鈦合金5080硬質(zhì)合金150200（工程塑料）515選擇更為廉價(jià)的材料是降低產(chǎn)品成本的重要手段之一，但是這一作法常常會(huì)與產(chǎn)品的性能優(yōu)化相沖突。提高材料的利用程度，降低制造過(guò)程中的材料消耗量，無(wú)疑是一種更實(shí)際的選擇。目前在機(jī)械制造業(yè)中，我國(guó)鋼材利用率平均為65%，而美國(guó)達(dá)到80%。我國(guó)材料費(fèi)用在機(jī)械產(chǎn)品成本中占的比例，普遍高于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的比例。因此通過(guò)采用少、無(wú)切屑工藝，大幅度降低材料消耗的成本，對(duì)于我國(guó)制造業(yè)而言具有尤為重要的意義。（四）環(huán)境與資源原則 1. 能源和資源消耗少 世界能源儲(chǔ)藏量石油天然氣煤鈾可開(kāi)采儲(chǔ)量9970億桶138萬(wàn)億m31，039，272噸200萬(wàn)噸可開(kāi)采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲(chǔ)量比例中東66.4%獨(dú)聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳 70%重要金屬的世界儲(chǔ)量?jī)?chǔ)量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147512. 環(huán)境污染小材料礦物