第5章 零件失效分析

零件的失效選材的原則典型零件的選材

零件的失效什么是失效：由于某種原因喪失其規(guī)定功能①完全不能工作；②雖仍能工作，但已不能完成指定的功能或工作低效；③有嚴(yán)重?fù)p傷，不能確保安全工作。失效的基本類型①斷裂失效②過量變形失效（畸變失效）③表面損傷失效失效的主要原因①設(shè)計缺陷②選材不當(dāng)或材質(zhì)存在缺陷③制造工藝問題④裝配調(diào)試因素⑤運轉(zhuǎn)維修因素零件失效形式類型零件失效的主要原因：失效分析的一般方法

正確的失效分析，是找出零件失效原因，解決零件失效問題的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。機(jī)械零件的失效分析是一項綜合性的技術(shù)工作，大致有如下程序：

（1）盡量仔細(xì)地收集失效零件的殘骸，并拍照記錄實況，確定重點分析的對象，樣品應(yīng)取自失效的發(fā)源部位，或能反映失效的性質(zhì)或特點的地方。

（2）詳細(xì)記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計情況（圖紙）、實際加工情況及尺寸、使用情況等。根據(jù)這些資料全面地從設(shè)計、材料、加工、使用各方面進(jìn)行具體的分析。

（3）對所選試樣進(jìn)行宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學(xué)或電子顯微鏡）斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源點及失效的方式。

（4）對失效樣品進(jìn)行性能測試、組織分析、化學(xué)分析和無損探傷，檢驗材料的性能指標(biāo)是否合格，組織是否正常，成分是否符合要求，有無內(nèi)部或表面缺陷等等，全面收集各種必要的數(shù)據(jù)。

（5）斷裂力學(xué)分析。在某些情況下需要進(jìn)行斷裂力學(xué)計算，以便于確定失效的原因及提出改進(jìn)措施。

（6）綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效的具體原因，提出改進(jìn)措施，寫出報告。典型零件的工作條件、失效形式及主要機(jī)械性能指標(biāo)螺栓的脆性斷裂韌性扭轉(zhuǎn)過載斷口齒輪折斷齒面點蝕齒面磨損齒面膠合齒面塑性變形齒輪的失效常見的滾動軸承失效形式接觸疲勞失效磨損失效腐蝕失效斷裂失效鐵路貨車搖枕出現(xiàn)裂紋的宏觀位置搖枕斷口宏觀照片目測可見的兩條亮線和焊補(bǔ)區(qū)

使用性能原則

根據(jù)零件的工作條件、失效形式，確定零件的使用性能指標(biāo)工藝性能原則材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝（鑄、鍛、焊、機(jī)加工、熱處理）的要求經(jīng)濟(jì)性原則應(yīng)考慮材料的價格、零件的總成本

、國家的資源等因素

選材的原則機(jī)械零件選材的一般步驟典型工件的選材及工藝機(jī)床齒輪

工作條件——轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)，無強(qiáng)烈沖擊

性能指標(biāo)——心部HBS220~250，齒面硬度≥HRC52

選材

——45、40Cr

工藝路線——鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→輪齒高頻淬火及低溫回火→精磨

最終組織——心部：回火S齒面：回火M

載重汽車變速箱齒輪

工作條件——受力較大，受沖擊頻繁。

性能指標(biāo)——耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度、沖擊韌性等均要求比機(jī)床齒輪高（σb>1000MPa，aK≥50J，齒面硬度≥HRC55）

選材——

20CrMnTi、20Cr

工藝路線——

下料→鍛造→正火→機(jī)加工→滲C、淬火＋低溫回火→噴丸→磨削

最終組織——心部：回火M+F齒面：回火M+碳化物+Ar

機(jī)床主軸工作條件與性能要求：受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大，一般綜合機(jī)械性能即可；大端軸頸、錐孔與卡盤、頂尖間有摩擦，要有較高硬度和耐磨性。

典型工件的選材及工藝C620車床主軸選材與工藝：普通車床（輕載）主軸

——45，調(diào)質(zhì)或正火+軸頸高頻表面淬火。工藝路線:鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→軸頸表面淬火＋低溫回火→磨削心部：回火S，軸頸表面：回火M銑床（中載）主軸

——40Cr，調(diào)質(zhì)+軸頸高頻表面淬火。組合機(jī)床（重載）主軸

——20CrMnTi、20Cr，滲C+淬火+回火處理。精密鏜床（高精度）主軸——38CrMoAl，調(diào)質(zhì)+N化+時效。

175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸

性能——功率和承受載荷不大；軸頸部要有較高硬度及耐磨

σb>750MPa，整體硬度240～260HBS，軸頸表面硬度≥(HRC55)

選材——QT700-2

工藝

——鑄造→高溫正火→高溫回火→機(jī)加工→軸頸

N化

最終組織

——P+G+少量F

熱處理工藝

——880~920℃正火+500～600℃回火+軸頸

N化手工刃具（手鋸鋸條、銼刀、木工用刨刀、鑿子等簡單、低速刃具）性能——高硬度、高耐磨性，紅硬性和強(qiáng)韌性要求不高選材——碳素工具鋼，T8、T10、T12等工藝——鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火—低溫回火最終組織

——回火M

低速切削、形狀較復(fù)雜的刃具

（絲錐、板牙、拉刀等

T工作<300oC）

性能——高硬度、高耐磨性，一定的熱硬性和韌性

選材——9SiCr、CrWMn

工藝

——鍛造→球化退火→機(jī)加工→淬火—低溫回火

最終組織

——回火M板牙絲錐高速切削用的刃具（高速車刀、鉆頭、銑刀等

T工作<600oC)

性能——高硬度、高耐磨性，高熱硬性、高精度；較高的強(qiáng)度、韌性

選材——高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)

、硬質(zhì)合金、

陶瓷

工藝

——鍛造→球化退火→粗加工→淬火+回火→精加工→表面處理

齒輪滾刀

連桿

性能——承受多種力的作用，要求綜合性能好

選材——45、40Cr、球墨鑄鐵工藝——鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工

最終組織

——回火索氏體典型彈簧選材

汽車板簧

——用于緩沖和吸振，承受很大的交變應(yīng)力和沖擊載荷，需要高的屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度

選材——輕型汽車65Mn、60Si2Mn；中型或重型汽車50CrMn,55SiMnVB；重型載重汽車55SiMnMoV,55SiMnMoVNb。

工藝

——下料→壓力成型→淬火+中溫回火→噴丸強(qiáng)化

最終組織

——回火T自行車彈簧——承受載荷小,精度要求不高

選材——60、65、65Mn

工藝

——下料→冷拔加工成型→淬火+中溫回火

最終組織

——回火T板彈簧拉伸螺旋彈簧用45鋼制造車床變速箱齒輪，其工藝路線為：下料--鍛造--正火--粗加工--調(diào)質(zhì)--精加工--滲碳、預(yù)冷淬火--低溫回火--磨削。20CrMnTi制造齒輪，其工藝路線為：下料--鍛造--正火--切削加工--滲碳、淬火及低溫回火--噴丸--磨削。制造形狀簡單、小型、精度要求不高、使用壽命不需要很長的塑料模具選用45，而形狀復(fù)雜的大、中型精密塑料模具選用3Cr2Mo鋼。下列零件與構(gòu)件中選材不正確的是：機(jī)床床身用灰鑄鐵制造；橋