ch8-機械零件的失效與選材原則解析課件

1、第八章 機械零件的選用與加工工藝8.1 機械零件的失效及失效分析8.2 機械零件選材原則8.3 典型零件的加工工藝第八章 機械零件的選用與加工工藝8.1 機械零件的失效及失失效：零件在使用過程中由于某種原因而喪失原設(shè)計功能的現(xiàn)象。 嚴(yán)重事故 8.1 機械零件的失效及失效分析失效：零件在使用過程中由于某種原因而喪失原設(shè)計功能的現(xiàn)象。8零件失效類型 畸變失效 過量彈、塑性變形。 斷 裂 脆、塑性，疲勞斷裂。 表面損傷 磨損、腐蝕等。 零件失效的原因 設(shè)計、材料、加工、安裝和使用。8.1.1 零件失效形式零件失效類型零件失效的原因8.1.1 零件失效形式一、畸變失效 畸變是指在某種程度上減弱了零件規(guī)

2、定功能的變形。 1. 彈性畸變失效 2. 塑性畸變失效 3. 翹曲畸變失效一、畸變失效 1. 彈性畸變失效3. 翹曲畸變失效（1）韌性斷裂伴有宏觀上的塑性變形，縮頸，斷口呈盆狀或杯狀。（2）脆性斷裂只產(chǎn)生很小的永久變形，斷口平整。二、斷裂失效1. 斷裂失效的分類（1）韌性斷裂二、斷裂失效1. 斷裂失效的分類2. 斷口的分析方法 斷口三要素： F - 纖維狀區(qū) R - 放射狀區(qū) S - 剪切唇區(qū)2. 斷口的分析方法 斷口三要素：3. 斷裂路徑：穿晶和沿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂3. 斷裂路徑：穿晶和沿晶斷裂穿晶斷裂沿晶斷裂微孔聚合型斷口解理型斷口晶間斷裂晶內(nèi)斷裂四、斷裂機制微孔聚合型斷口解理型斷口晶

3、間斷裂晶內(nèi)斷裂四、斷裂機制疲勞斷裂斷口，三個區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)隨材質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)的不同，三個區(qū)的大小和位置不同。疲勞斷裂斷口，三個區(qū)域：疲勞源、疲勞區(qū)、瞬斷區(qū)三、磨損失效磨損：相對運動時兩金屬表面不斷損耗，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。 活塞環(huán)與缸套之間的摩擦 三、磨損失效磨損：相對運動時兩金屬表面不斷損耗，使金屬表面狀1. 磨損失效的基本類型（1）粘著磨損（2）磨料磨損（3）表面疲勞磨損（4）沖刷磨損（5）腐蝕磨損粘著磨損示意圖1. 磨損失效的基本類型（1）粘著磨損粘著磨損示意圖磨粒磨損示意圖沖刷磨損示意圖犁削磨損示意圖磨粒磨損示意圖沖刷磨損示意圖犁削磨損示意圖 （1）摩擦副材質(zhì)

4、互溶性； 表面強化處理情況； 表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。 （2）工況參數(shù) 接觸應(yīng)力、滑動距離和滑動速度、溫度、介質(zhì)條件與潤滑等。2. 影響磨損失效的基本因素 （1）摩擦副材質(zhì)2. 影響磨損失效的基本因素1. 均勻腐蝕2. 點腐蝕3. 晶間腐蝕四、腐蝕失效腐蝕：金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗。1. 均勻腐蝕四、腐蝕失效腐蝕：金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)8.1.2 失效分析的主要試驗方法宏觀和微觀斷口分析技術(shù)；金相檢驗技術(shù)；無損探傷檢驗技術(shù)；常規(guī)成分、微區(qū)成分和表面成分分析技術(shù)；X射線衍射分析；實驗應(yīng)力分析；力學(xué)性能測試；斷裂力學(xué)測試8.1.2 失效分析的主要試驗方法宏觀和微觀斷口分析技術(shù)

5、；8.2 機械零件選材原則8.2.1 使用性能原則 滿足使用要求零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機械性能、物理性能和化學(xué)性能。大量機器零件和工程構(gòu)件特殊條件下工作的零件8.2 機械零件選材原則8.2.1 使用性能原則 （1）受力狀況 載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大?。惠d荷的形式；載荷的特點等。 （2）環(huán)境狀況 溫度特性、介質(zhì)情況等。 （3）特殊要求 對導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。 零件使用時的工作條件 （1）受力狀況 載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載 工 作 條 件 零件應(yīng)力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)常見的失效形式機械性能要求緊固螺栓拉，剪靜載過量變形，斷裂強度

6、，塑性傳動軸彎，扭循環(huán)，沖擊軸頸摩擦，振動疲勞斷裂，過量變形，軸頸摩損綜合機械性能傳動齒輪壓，彎循環(huán)，沖擊摩擦，振動齒折斷,磨損,疲勞斷裂,接觸疲勞(麻點)表面高強度及疲勞極限，心部強度、韌性彈簧扭，彎交變，沖擊振動彈性失穩(wěn)，疲勞破壞彈性極限，屈強比，疲勞極限冷作模具復(fù)雜交變，沖擊強烈摩擦磨損，脆斷硬度，足夠的強度，韌性表8-2 常用零件的工作條件和失效形式 工 作 條 件 零件應(yīng)力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)8.2.2 工藝性能原則滿足生產(chǎn)工藝的要求圖8-4 高分子材料的加工工藝路線 8.2.2 工藝性能原則滿足生產(chǎn)工藝的要求圖8-4 高分圖8-5 陶瓷材料的加工工藝路線圖8-5 陶瓷材料的加工工藝

7、路線金屬材料零件選材的工藝性能原則 圖8-6 金屬材料的加工工藝路線金屬材料零件選材的工藝性能原則 圖8-6 金屬材料的加工工ch8-機械零件的失效與選材原則解析課件3. 精密金屬零件的工藝路線 毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時效或滲碳)半精加工穩(wěn)定化處理或氮化精加工穩(wěn)定化處理零件。1. 一般金屬零件的工藝路線 毛坯正火或退火切削加工零件。2. 性能要求較高的金屬零件的工藝路線 毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、回火，固溶時效或滲碳等)精加工零件。3. 精密金屬零件的工藝路線1. 一般金屬零件的工藝路線2. 一、材料的價格 應(yīng)該盡量低。占

8、30%70%8.2.3 經(jīng)濟性原則三、國家的資源 來源豐富并顧及我國資源狀況。二、零件的總成本 生產(chǎn)和使用的總成本最低。 與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關(guān)。 一、材料的價格8.2.3 經(jīng)濟性原則三、國家的8.2.4 環(huán)境與資源原則 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程.減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。.環(huán)境污染小廢物排放少材料回收及降解8.2.4 環(huán)境與資源原則 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢8.3 典型零件的加工工藝齒輪的失效形式： (1) 疲勞斷裂 (2) 齒面磨損 (3) 齒面接觸疲勞破壞 (4) 過載斷裂8.3.1 齒輪選材8.3 典型零件的加工工藝齒輪的失

9、效形式：8.3.1 ch8-機械零件的失效與選材原則解析課件(1) 高的彎曲疲勞強度。(2) 高的接觸疲勞強度和耐磨性。(3) 較高的強度和沖擊韌性。(4) 較好的熱處理工藝性能，例如熱處理變形小，或變形有一定規(guī)律等。一、齒輪材料的性能要求(1) 高的彎曲疲勞強度。一、齒輪材料的性能要求二、齒輪類零件的選材性能要求 齒面硬度 （決定彎曲、接觸疲勞強度，耐磨性） 強度，韌性選材：調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì) 或（+ 表面淬火 + 低溫回火） 滲C鋼 硬度、韌性高，淬火+低溫回火二、齒輪類零件的選材性能要求 齒面硬度選材： 轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊 選材：中碳鋼或中碳合金鋼，如40Cr三、典型齒輪選

10、材舉例 工藝路線： 下料一鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一輪齒高頻淬火及回火一精磨1機床齒輪 轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊三、典型齒輪選材舉熱處理的目的正火：消除鍛造應(yīng)力，均勻組織，便于切削加工。調(diào)質(zhì)處理：使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能，心部有足夠的強度和韌性。高頻淬火：提高輪齒表面硬度、耐磨性，表面殘余壓應(yīng)力提高抗疲勞能力。低溫回火：消除淬火應(yīng)力。熱處理的目的2汽車齒輪受力較大，沖擊頻繁選材：滲碳鋼，如20Cr或20CrMnTi工藝路線： 下料一鍛造一正火一切削加工一滲碳、淬火及低溫回火一噴丸一磨削加工2汽車齒輪受力較大，沖擊頻繁工藝路線：熱處理目的：正火：滲碳、淬火及低溫回火：表

11、面高碳含量，保證淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接觸疲勞抗力。 淬火、回火后可使心部獲得較高的強度和足夠的沖擊韌性。噴丸處理：增大表層壓應(yīng)力，有利于提高疲勞強度，并清除氧化皮。熱處理目的： (1) 良好的綜合機械性能，足夠的強度、塑性和一定 的韌性； (2) 高的疲勞強度，對應(yīng)力集中敏感性低； (3) 足夠的淬透性，表面要有高硬度、高耐磨性； (4) 良好的切削加工性能，價格便宜。一、軸類零件的性能要求8.3.2 軸類零件選材C620 車床主軸 (1) 良好的綜合機械性能，足夠的強度、塑性和一定 一般軸類零件： 碳鋼，45鋼 正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理二、軸類零件材料性能指標(biāo)：強度、沖擊韌性和表

12、面耐磨性。要求高的軸承：合金鋼例：20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等一般軸類零件：二、軸類零件材料性能指標(biāo)：強度、沖擊韌性和表面 1機床主軸選材（C620車床主軸）受力：交變彎曲和扭轉(zhuǎn)，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大要求：具有一般綜合機械性能選材：45鋼熱處理：調(diào)質(zhì)處理，有摩擦部位進行表面淬火三、典型軸的選材 1機床主軸選材（C620車床主軸）三、典型軸的選材工藝路線： 鍛造一正火一粗加工一調(diào)質(zhì)一精加工一表面淬火及低溫回火一磨削加工載荷較大，可用40Cr鋼承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時，可用20Cr或20CrMnTi等工藝路線：受力：彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊等交

13、變應(yīng)力 形狀極不規(guī)則，應(yīng)力分布很不均勻 曲軸頸與軸承發(fā)生滑動摩擦。失效形式：疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損材料要求：高強度，一定的沖擊韌性，足夠的彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度和剛度，軸頸還應(yīng)有高的硬度和耐磨性。2內(nèi)燃機曲軸選材受力：彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、沖擊等交變應(yīng)力2內(nèi)燃機曲軸選材鍛鋼曲軸和鑄造曲軸兩種鍛鋼曲軸：優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr，35CrMo鋼等。工藝路線：模鍛- 調(diào)質(zhì)- 切削加工- 軸頸表面淬火鍛鋼曲軸和鑄造曲軸兩種鑄造曲軸：球墨、可鍛鑄鐵等，如QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4。工藝路線：鑄造一高溫正火一高溫回火一切削加工一軸頸氣體滲氮高溫正火獲得細(xì)P基體的組織，以滿足強度要求高溫回火消除正火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力軸頸氣體滲氮提高軸頸表面硬