機械制造基礎：第十章 機械零件的失效與選材

1、第十章 機械零件的失效與選材 機械零件的失效與分析機械工程材料的選材原則一、機械零件失效與分析 每種機器零件都具有一定的功能或完成規(guī)定的運動，或傳遞力、力矩或能量。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；零件嚴重損傷，不能保證工作安全；零件雖能安全工作，但工作低效。當零部件喪失預定的功能時，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雜，根據(jù)零件破壞的特點、所受載荷的類型以及外在條件，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型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應力脆斷失效塑性斷

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行系統(tǒng)的分析。服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗實驗室試驗提高零件失效抗力加強管理改進工藝提高主要抗力指標改進設計工 藝使 用材 料設 計失效分析的主要方法1、無損檢測 無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、金相分析 通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構(gòu)成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷

3、及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。3、化學分析 檢驗材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設計要求。4、力學分析 檢查分析失效零件 的應力分布、承載能力以及脆斷傾向等。5、斷口分析 斷口分析是對斷口進行全面的宏觀（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、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機理。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。無明顯變形。微觀：平坦的解理臺階與河流花樣。（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 疲勞裂紋擴展區(qū) “貝紋”狀花樣 瞬時斷裂區(qū) （三）、零件失效分析實例1、齒輪的失效 齒輪是機械設備中運用極廣的傳動零件，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力的作用，此外由于過載和換檔時的沖擊還會產(chǎn)生附加應力。（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力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點狀剝落（或稱麻點）疲勞斷裂從齒根部發(fā)生，由過大的交變彎曲應力所致，是齒輪最嚴重的失效形式齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒2、機車車輛車軸的失效車軸在運行時承受著旋轉(zhuǎn)彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，車軸材料通常具有較好的韌塑性，其形狀又有很好的對稱性，所以車軸具有疲勞斷裂的完整過程（疲勞裂紋形成、裂紋擴展、最終瞬時斷裂）

6、，斷口見圖：（a） （b）圖 車軸疲勞斷口（a） 疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴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，致使裂紋萌生。疲勞源車軸的疲勞斷裂失效分析如下圖：疲勞裂紋源發(fā)生在車軸內(nèi)部冶金缺陷（殘余縮孔、夾渣、空洞、成份偏析、夾雜物超標等）車軸疲勞斷裂分析斷口面基本與軸向垂直設計不當、嚴重缺陷或過載斷口特征異常機加工缺陷機加工不當撞傷意外損傷腐蝕產(chǎn)物環(huán)境腐蝕磨損產(chǎn)物微動摩擦軸表面異?；瘜W成份冶煉工藝不當力學性能不合格金相組織冶煉、鍛造 或熱處理工藝不當疲勞裂紋源發(fā)生在車軸表面斷口面與軸向成45角扭轉(zhuǎn)載荷過大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 因磨耗鋼軌與車輪接觸面表層發(fā)生磨損壓潰輪軌接觸壓應力使鋼軌表面發(fā)生塑性變形剝離交變接觸應力使疲勞裂紋在鋼軌表層(次表層)形成擴展至剝落疲勞裂紋或折斷交變應力引起疲勞裂紋的萌生,并可能進一步擴展至斷裂擦傷輪軌接觸面發(fā)生熱機械作用, 導致組織產(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）魚鱗狀裂紋和剝離坑鐵路全天候運行，行程長、工作條件較惡劣，磨耗、腐蝕、疲勞斷裂時其主要形式。 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、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、機械碰撞等）、鋼軌結(jié)構(gòu)引起的局部高應力則可能導致疲勞裂紋甚至折斷。軌頭嚴重磨耗、壓潰等則主要與鋼軌的強度與負荷有關(guān)。（圖b）（a） （b）圖8-13 鋼軌在交變接觸應力作用下產(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、選材的動機 首次開發(fā)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品、新零件或新裝置； 現(xiàn)有產(chǎn)品的改進和更新?lián)Q代； 零件過早失效甚至災難性事故發(fā)生后，需改變用材。 2.選擇材料的基本過程傳統(tǒng)的設計觀念把選材歸入設計過程的后期：1. 以前的大多數(shù)設計中創(chuàng)新部分很少；2. 設計的理

9、論基礎很不完善，設計中存在著許多未知因素。前人的經(jīng)驗進行設計和選材。采用過大的安全系數(shù)，過分依賴手冊，把材料看成一種抽象的性能傾向于選用所謂“萬能材料”現(xiàn)代設計隨著設計理論的完善和設計過程的計算機化，材料在更加接近失效極限的范圍內(nèi)使用，選材的難度也越來越大。安全系數(shù)越來越小，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行失效分析確定零件對使用性能的要求，具體轉(zhuǎn)化為實驗室力學性能指標（如強度、韌性、塑性、硬度等）；根據(jù)工作應力、使用壽命或安全性，確定性能指標的具體數(shù)值，但是在利用

10、具體性能指標時，必須注意幾個問題：材料的性能指標各有其物理意義有的可直接用于設計計算，例如屈服強度等有些則不能直接應用于設計計算，如沖擊韌性及塑性指標在復雜條件下工作的零件，必須采用特殊實驗室性能指標作選材依據(jù)材料的性能不能簡單等同于手冊上的某一個確定的數(shù)值（二）工藝性能原則 設計中所作出的選材決定必然會影響到整個生產(chǎn)過程的技術(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意義。機械制造采用適當?shù)墓に嚪椒?，改變材料的形狀和性質(zhì)，獲得合格的零件并加以合理組裝的過程。流動成形、切削成形、連接成形在各階段會有變化，并可借助

11、于熱處理及表面改性處理進行性能的重塑。制造過程的基本目的：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高分子材料的工藝性能 高分子材料的加工工藝路線有機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（三）經(jīng)濟性原則根本原則產(chǎn)品消費的總成本購置價格使用成本固定成本制造廠利潤維護費維修費保險費折舊費日常開支行政費批發(fā)與零售費研究與開發(fā)費可變成本（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，材料的價格約占產(chǎn)品價格的3070%（1）提煉和制取的成本（2）礦物資源的儲量、開采成本、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)系所造成的價格波動我國常用金屬材料的相對價格材 料相對價格材 料相對價格普通碳素結(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，降低制造過程中的材料消耗量，無疑是一種更實際的選擇。目前在機械制造業(yè)中，我國鋼材利用率平均為65%，而美國達到80%。我國材料費用在機械產(chǎn)品成本中占的比例，普遍高于國外同類產(chǎn)品的比例。因此通過采用少、無切屑工藝，大幅度降低材料消耗的成本，對于我國制造業(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 世界能源儲藏量石油天然氣煤鈾可開采儲量9970億桶138萬億m31，039，272噸200萬噸可開采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳 70%重要金屬的世界儲量儲量（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