機(jī)械零件的失效分析與選材PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1機(jī)械零件的失效分析與選材機(jī)械零件的失效分析與選材第1頁/共76頁 一、失效形式一、失效形式常見的失效形式有常見的失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損傷失效變形失效、斷裂失效、表面損傷失效等。等。1 1、變形失效、變形失效（1 1）彈性變形失效）彈性變形失效不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。防止彈性畸變的防止彈性畸變的主要措施主要措施：增加零件截面、采用彈性模量高增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載。的材料，防止超載。（2 2）塑性變形失效）塑性變形失效外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形( (

2、永永久變形久變形) )。防止零件塑性變形失效的措施：防止零件塑性變形失效的措施：采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)行合理的熱處理，防止超載。行合理的熱處理，防止超載。 第2頁/共76頁2 2、斷裂失效、斷裂失效機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。（1 1）韌性斷裂）韌性斷裂 斷裂前有明顯的塑性變形。斷裂前有明顯的塑性變形。 宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于空洞宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于空洞的形成、長(zhǎng)大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的。的形成、長(zhǎng)大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的。 （2 2）脆性斷裂脆性斷裂 斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂

3、、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。 （3 3）疲勞斷裂疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱服點(diǎn)，但經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。金屬的疲勞斷裂。第3頁/共76頁蠕變斷裂第4頁/共76頁第5頁/共76頁（3）腐蝕失效由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致的失效稱為腐蝕失效。 斷裂僅占5% 腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%第6頁/

4、共76頁潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制第7頁/共76頁潘存云教授研制潘存云教授研制第8頁/共76頁零件工作條件常見失效形式性能要求應(yīng)力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)螺栓拉、剪靜載-過量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性傳動(dòng)軸彎、扭循環(huán)沖擊軸頸摩擦疲勞斷裂，過量變形，軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動(dòng)齒輪壓、彎循環(huán)沖擊摩擦振動(dòng)斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎交變沖擊振動(dòng)彈性失穩(wěn)，疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限第9頁/共76頁第10頁/共76頁高溫蠕變零件失效加 工設(shè) 計(jì)計(jì)算錯(cuò)誤熱處理缺陷焊接缺陷 結(jié)構(gòu)外形不合理工作條件估計(jì)錯(cuò)誤冷加工缺陷鑄鍛造缺陷安裝使用維

5、護(hù)環(huán)境材料材質(zhì)低劣選材不當(dāng)操作失誤過載使用 維護(hù)不良安裝不良腐蝕低溫脆性第11頁/共76頁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查失效特征服役條件失效部位取樣分析查閱相關(guān)原始資料原始資料的正確性制造過程的執(zhí)行情況冷熱加工質(zhì)量材料成分綜合分析解決方案正在使用和庫(kù)存件的解決方案新生產(chǎn)件的解決方案臺(tái)架試驗(yàn)使用考驗(yàn)三、失效分析 的一般程序第12頁/共76頁第13頁/共76頁第14頁/共76頁第15頁/共76頁力學(xué)性能指標(biāo)的綜合作用 一般情況下，在提高材料的強(qiáng)度的同時(shí)，塑、韌性就要下降，當(dāng)塑、韌性下降到一定值時(shí)，在低應(yīng)力的作用下材料也易產(chǎn)生微裂紋，從而使得承載能力下降。所以，在對(duì)零件進(jìn)行選材時(shí)一定要考慮力學(xué)性能指標(biāo)的綜合作用，充分考慮

6、零件力學(xué)性能的強(qiáng)韌性配合。為了保證零件的安全，要求零件既具有高強(qiáng)度又具有較高的韌性。一般只是根據(jù)下列原則定性的確定，其可靠性往往仍需按實(shí)際試驗(yàn)來驗(yàn)證。第16頁/共76頁 對(duì)于靜載荷，結(jié)構(gòu)上存在非尖銳缺口(如結(jié)構(gòu)小孔、鍵槽、凸肩等)的零件，高的塑性可以降低局部的應(yīng)力集中，防止零件產(chǎn)生微裂紋。所選材料應(yīng)有一定的塑性和韌性。 對(duì)于承受小能量多次沖擊的零件，以及結(jié)構(gòu)上存在尖銳缺口和內(nèi)部存在裂紋的零件，強(qiáng)度（疲勞強(qiáng)度、斷裂韌度）是非常重要的因素。 對(duì)于在低溫下工作的零件，常選擇韌性較大的材料。對(duì)于大多數(shù)的零件來說，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，應(yīng)合理地確定塑性與韌性，以充分發(fā)揮材料的潛能。第17頁/共76頁14:3

7、5第18頁/共76頁6:05:33第19頁/共76頁6:05:33第20頁/共76頁6:05:34第21頁/共76頁第22頁/共76頁第23頁/共76頁6:05:34第24頁/共76頁產(chǎn)品成本分析產(chǎn)品成本分析第25頁/共76頁 占總成本的占總成本的3070%3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 約占零件成本的約占零件成本的30%30%加工成本加工成本 = = 工具與設(shè)備費(fèi)用工具與設(shè)備費(fèi)用 + + 每件產(chǎn)品成本每件產(chǎn)品成本 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量材 料元 / kg材 料元 / kg鉑290,000 Zn34金160,000 鋁21銀3,500 40Cr3.7鈦200 碳鋼3.3銅68 生鐵2.3

8、第26頁/共76頁 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程1. 1. 減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。 重要金屬的世界儲(chǔ)量重要金屬的世界儲(chǔ)量 2. 2. 能源消耗少能源消耗少 可用年數(shù)再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493. 3. 環(huán)境污染小環(huán)境污染小廢氣排放少?gòu)U氣排放少材料回收及降解材料回收及降解第27頁/共76頁第28頁/共76頁第29頁/共76頁6:05:35第30頁/共76頁6:05:35第31頁/共76頁第32頁/共76頁第33

9、頁/共76頁第34頁/共76頁第35頁/共76頁第36頁/共76頁中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后再表面滲氮處理，力學(xué)性能優(yōu)良、變形微小，主要用做高精度、高速齒輪。第37頁/共76頁第38頁/共76頁第39頁/共76頁第40頁/共76頁第41頁/共76頁第42頁/共76頁6:05:36第43頁/共76頁第44頁/共76頁第45頁/共76頁第46頁/共76頁第47頁/共76頁第48頁/共76頁第49頁/共76頁第50頁/共76頁第51頁/共76頁第52頁/共76頁第53頁/共76頁第54頁/共76頁實(shí)例實(shí)例 C620 C620 車床車床主軸主軸，綜合機(jī)械性能一般

10、；大端軸頸，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。等部位耐磨性高。 性能指標(biāo)性能指標(biāo) 硬度硬度220220250HB250HB，軸頸軸頸52HRC 52HRC 。選材選材 45 45鋼，整體硬度鋼，整體硬度220220250HB250HB，軸頸表面淬火硬度軸頸表面淬火硬度5257HRC5257HRC。熱處理工藝熱處理工藝 840 840水淬水淬 + 600 + 600回火回火( (水或油冷）水或油冷）+ + 軸頸高頻淬火軸頸高頻淬火 + 200 + 200回火回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火S S軸頸表面：回火軸頸表面：回火M M 工藝路線工藝路線 鍛造鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)

11、質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工表面淬表面淬火低溫回火火低溫回火磨削磨削第55頁/共76頁內(nèi)燃機(jī)曲軸選材 1. 曲軸的工作條件、性能要求、材料 （1）工作條件 曲軸受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉壓、沖擊等交變應(yīng)力，還可造成曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)，產(chǎn)生附加應(yīng)力；應(yīng)力分布不均勻；曲軸頸與軸承有滑動(dòng)摩擦。（2）性能要求 曲軸的失效形式主要是疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損。因此材料要有高強(qiáng)度、一定的沖擊韌性、足夠彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸表面有高硬度和耐磨性。第56頁/共76頁（3）曲軸材料 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； 鑄造曲軸：鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵

12、及合金鑄鐵等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。第57頁/共76頁2. 175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸選材（1）性能要求 農(nóng)用柴油機(jī)曲軸功率和承受載荷不大；但滑動(dòng)軸承中工作軸頸部要有較高硬度及耐磨。要求b750 MPa, 整體硬度240 HBS260 HBS, 軸頸表面硬度625 HV, 2%, ak150 kJ/m2。 175A型柴油機(jī)曲軸簡(jiǎn)圖第58頁/共76頁（2）曲軸材料 QT700-2（3）工藝路線 鑄造高溫正火高溫回火切削加工軸頸氣體滲氮。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸也可用45、40Cr鋼制造，經(jīng)過模鍛、調(diào)質(zhì)、切削加工后, 在軸頸部位進(jìn)行表面淬火。第5

13、9頁/共76頁第60頁/共76頁第61頁/共76頁第62頁/共76頁第63頁/共76頁強(qiáng)度強(qiáng)度剛度剛度減震減震易于成形易于成形易于加工易于加工灰鑄鐵灰鑄鐵液態(tài)成形液態(tài)成形第64頁/共76頁第65頁/共76頁第66頁/共76頁汽車用材 汽車用材以金屬材料為主，塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料也占有一定比例。 1 汽車用金屬材料汽車主要結(jié)構(gòu)可分為四部分：(1) 發(fā)動(dòng)機(jī) 提供動(dòng)力，由缸體、缸蓋、活塞、連桿、曲軸及配氣、燃料供給、潤(rùn)滑、冷卻等系統(tǒng)組成。(2) 底盤 包括傳動(dòng)系(離合器、變速箱、后橋等)、行駛系(車架、車輪等)、轉(zhuǎn)向系(方向盤、轉(zhuǎn)向蝸桿等)和制動(dòng)系(油泵或氣泵、剎車片等)。(3) 車身 駕駛

14、室、貨箱等。(4) 電氣設(shè)備 電源、起動(dòng)、點(diǎn)火、照明、信號(hào)、控制等。第67頁/共76頁汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系示意圖第68頁/共76頁一、缸體和缸蓋缸體材料應(yīng)滿足下列要求：有足夠的強(qiáng)度和剛度；良好的鑄造性和切削性；價(jià)格低廉。缸體常用的材料有灰口鑄鐵和鋁合金兩種。 缸蓋應(yīng)選用導(dǎo)熱性好、高溫機(jī)械強(qiáng)度高、能承受反復(fù)熱應(yīng)力、鑄造性能良好的材料來制造。目前使用的缸蓋材料有兩種：一是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。二、缸套 氣缸工作面用耐磨材料，制成缸套鑲?cè)霘飧?。常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸套的耐磨性，可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其它耐磨合金等辦法對(duì)缸套進(jìn)行

15、表面處理。第69頁/共76頁三、活塞、活塞銷和活塞環(huán)活塞、活塞銷和活塞環(huán)等零件組成活塞組，活塞組在工作中受周期性變化的高溫、高壓燃?xì)?溫度最高可達(dá)2000 ，壓力最高可達(dá)13 MPa15 MPa)作用，并在氣缸內(nèi)作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)(平均速度一般為9 m/s13 m/s)，產(chǎn)生很大的慣性載荷。對(duì)活塞材料的要求是熱強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、膨脹系數(shù)小、密度小, 減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好等。常用的活塞材料是鋁硅合金。 活塞銷材料一般用20低碳鋼或20Cr、18CrMnTi等低碳合金鋼。活塞銷外表面應(yīng)進(jìn)行滲碳或氰化處理，以滿足外表面硬而耐磨，材料內(nèi)部韌而耐沖擊的要求。活塞環(huán)用合金鑄鐵或球墨鑄鐵，經(jīng)表面處理

16、。鍍多孔性鉻后可使環(huán)的工作壽命提高23倍。其它表面處理的方法有噴鉬、磷化、氧化、涂合成樹脂等第70頁/共76頁四、連桿連桿連接活塞和曲軸，作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃?xì)猱a(chǎn)生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個(gè)很復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應(yīng)力、又受彎曲應(yīng)力。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的剛性和韌性。連桿材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼。1 小頭與連桿的過渡 2 連桿中間3 大頭與連桿的過渡處連

17、桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域第71頁/共76頁五、氣門氣門工作時(shí)，需要承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，排氣門工作溫度高達(dá)650 850 。氣門頭部還承受氣壓力及落座時(shí)因慣性力而產(chǎn)生的相當(dāng)大的沖擊。氣門經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：氣門座扭曲、氣門頭部變形、氣門座面積碳時(shí)引起燃燒廢氣對(duì)氣門座面強(qiáng)烈地?zé)g。氣門材料應(yīng)選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進(jìn)氣門一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金鋼制造, 而排氣門則要求用高鉻耐熱鋼（如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。第72頁/共76頁六、汽車半軸 汽車半軸在工作時(shí)主要承受扭轉(zhuǎn)力矩和反復(fù)變曲以及一定的沖擊載荷。在通常情況下，半軸的壽命主要取決于花鍵齒的抗壓陷和耐磨損性能，但斷裂現(xiàn)象也不時(shí)發(fā)生。要求半軸材料具有高的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和較好的韌性。汽車半軸是要求綜合機(jī)械性能較高的零件，通常選用調(diào)質(zhì)鋼制造。中、小型汽車的半軸一般用45鋼、40Cr, 而重型汽車用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性較高的合金鋼制造。1 突緣與桿部相連部位 2 花鍵與桿部相連部位 3 花鍵端 半軸易損壞部位示意圖第73頁/共76頁七、車