機(jī)械零件的失效與選材

第七章機(jī)械零件的失效與選材7.1零件的失效與失效分析7.2選材的基本原則7.3典型工件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)7.1零件的失效與失效分析失效的概念零件喪失規(guī)定的功能即為失效。完全破壞，不能繼續(xù)工作。嚴(yán)重?fù)p傷，能繼續(xù)工作但不安全。能安全工作，但不能起到預(yù)期作用。失效的類型（按失效后的外部形態(tài)）過(guò)量變形斷裂表面損傷過(guò)量彈性變形過(guò)量塑性變形韌性斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂蠕變斷裂疲勞斷裂低應(yīng)力斷裂脆性斷裂磨損接觸疲勞腐蝕失效類型過(guò)量變形失效斷裂失效表面損傷失效7.1零件的失效與失效分析失效的原因設(shè)計(jì)不合理：結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計(jì)不合理；結(jié)構(gòu)工藝性差。錯(cuò)誤估計(jì)了零件工作條件。選材不合理：加工工藝不當(dāng)：冷加工時(shí)表面有較深的刀痕。熱加工時(shí)出現(xiàn)裂紋、晶粒粗大。安裝使用不正確：配合過(guò)松或過(guò)緊；對(duì)中不良；等等。7.1零件的失效與失效分析失效分析方法：以零件的失效抗力指標(biāo)為主線零件的工作條件分析：載荷類型（靜、動(dòng)、沖擊）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等）、環(huán)境（介質(zhì)、溫度等）以斷口特征為主線失效分析的一般步驟：調(diào)查取證→分析研究→失效分析報(bào)告韌性斷裂脆性斷裂7.2選材的基本原則使用性能—首要原則分析零件的工作條件、失效形式，選擇滿足力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能的材料。工藝性能（鑄、鍛、焊、機(jī)加工、熱處理）直接影響加工成本和零件的使用性能。經(jīng)濟(jì)性能總成本、性價(jià)比資源與環(huán)境量化為具體指標(biāo)！7.3典型工件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)齒輪的選材軸類零件的選材7.3.1齒輪的選材齒輪的工作條件：齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力齒面受較大的接觸壓應(yīng)力和摩擦力承受一定的沖擊齒輪的失效方式：輪齒折斷齒面損傷其它特殊失效，如腐蝕介質(zhì)引起的齒面腐蝕現(xiàn)象。7.3.1齒輪的選材性能要求高的齒面硬度、齒面接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性，防止齒面損傷。高的彎曲疲勞強(qiáng)度，防止輪齒的疲勞斷裂。足夠的齒心強(qiáng)度和韌性，防止沖擊過(guò)載斷裂。選材：調(diào)質(zhì)鋼——調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火滲碳鋼——滲碳+表面淬火+低溫回火7.3.1齒輪的選材鍛鋼：齒輪的主要材料。鍛造可改善鋼的組織并形成有益的加工流線，力學(xué)性能優(yōu)良。重要用途的齒輪大多采用鍛鋼制造。低碳鋼及低碳合金鋼20、20Cr、20CrMnTi等：通過(guò)退火或正火來(lái)改善切削加工性能，通過(guò)滲碳＋淬火＋低溫回火來(lái)保證齒輪的使用性能。表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的彎曲疲勞極限和接觸疲勞極限，心部具有足夠高的強(qiáng)韌性；適合于制造高速、大沖擊的中載和重載齒輪。7.3.1齒輪的選材鍛鋼：

中碳鋼：Q275只宜制作低速、輕載、無(wú)沖擊的非重要齒輪。正火使用。40、45鋼可用作低中速、輕中載、小沖擊的齒輪。依據(jù)工作條件不同，可正火、調(diào)質(zhì)、表面淬火使用。40Cr、40MnB的綜合力學(xué)性能優(yōu)于40、45鋼，可用做相對(duì)重要的齒輪。多在表面淬火狀態(tài)使用，少數(shù)情況也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用。7.3.1齒輪的選材鍛鋼：中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl：調(diào)質(zhì)處理＋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。鑄鋼：力學(xué)性能比鍛鋼差，較少使用，主要用于尺寸大(＞Ф500mm)、形狀復(fù)雜的齒輪。常用鑄鋼牌號(hào)有ZG270-500、ZG310-570、ZG40Cr等。加工后一般進(jìn)行表面淬火＋低溫回火處理，但對(duì)性能要求不高、低速齒輪，也可在調(diào)質(zhì)、正火狀態(tài)下使用。7.3.1齒輪的選材鑄鐵：灰鑄鐵：具有優(yōu)良的減摩性、減振性，工藝性能好且成本低，其主要缺點(diǎn)是強(qiáng)韌性低，多用于制作低速、輕載、不受沖擊的非重要齒輪。常用牌號(hào)有HT200、HT250、HT350等。球墨鑄鐵：強(qiáng)韌性較好，代替部分鑄鋼齒輪的趨勢(shì)越來(lái)越大，常用牌號(hào)QT600-3、QT500-7。7.3.1齒輪的選材有色金屬：在儀器儀表及某些特殊條件下工作的輕載齒輪，有耐蝕、無(wú)磁、防爆等特殊要求時(shí)，可采用耐磨性較好的有色金屬材料制造，其中應(yīng)用最多的是銅合金，如黃銅H62、鋁青銅QAl9-4、錫青銅QSn6.5-0.1、硅青銅QSi3-1等。7.3.1齒輪的選材非金屬材料：工程塑料：尼龍、ABS、聚甲醛等。減摩耐磨（尤其是在無(wú)潤(rùn)滑或不良潤(rùn)滑條件下）、耐蝕、質(zhì)量輕、噪聲小、生產(chǎn)率高。適合于制造輕載、低速、無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的小齒輪，如儀表齒輪、玩具齒輪、車(chē)床走刀機(jī)械傳動(dòng)齒輪等。7.3.1齒輪的選材機(jī)床齒輪運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊、載荷不大、轉(zhuǎn)速中等，對(duì)表面耐磨性和心部韌性要求不太高。多采用40、45鋼。經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后表面淬火＋低溫回火，其齒面硬度可達(dá)50HRC，齒心硬度為220～250HBS。中碳合金鋼40Cr、40MnB等中碳氮化鋼35CrMo等7.3.1齒輪的選材機(jī)床齒輪下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火＋低溫回火→精磨正火：可使鍛造組織均勻化，便于切削加工，可作為表面淬火前的預(yù)備組織，并保證齒心的強(qiáng)韌性。調(diào)質(zhì)處理：可使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能，改善齒心的強(qiáng)韌性進(jìn)而使齒輪能承受較大的彎曲載荷和沖擊載荷。表面淬火：提高齒輪表面的硬度，耐磨性和疲勞性能。低溫回火：主要是消除淬火應(yīng)力。

7.3.1齒輪的選材汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪工作條件惡劣，受力較大，易過(guò)載，變速時(shí)受到頻繁的強(qiáng)烈沖擊，對(duì)材料的耐磨性、疲勞性能、心部強(qiáng)韌性的要求高。通常選用合金滲碳鋼20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo制造，經(jīng)滲碳淬火＋低溫回火處理后，齒面硬度可達(dá)58～62HRC，心部硬度30～45HRC。對(duì)飛機(jī)、坦克等特別重要齒輪，多采用高淬透性滲碳鋼（如18Cr2Ni4WA）來(lái)制造。7.3.1齒輪的選材汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪20CrMnTi制造汽車(chē)齒輪，簡(jiǎn)明工藝路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火＋低溫回火→噴丸→磨削加工滲碳淬火：可使齒面具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞性能，而心部保持良好的強(qiáng)韌性。噴丸：進(jìn)一步強(qiáng)化手段，可使齒面硬度提高1～3HRC，增加表層殘余壓應(yīng)力，進(jìn)而提高疲勞極限。7.3.2軸類零件的選材工作條件：交變彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷或拉-壓復(fù)合載荷；相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面（如軸頸、花鍵部位）發(fā)生摩擦；因機(jī)器開(kāi)-停、過(guò)載等，承受一定的沖擊載荷。失效方式：多為疲勞斷裂和軸頸處的磨損性能要求：高的疲勞極限；良好的綜合力學(xué)性能好；局部承受摩擦部分應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性；良好的加工工藝性。7.3.2軸類零件的選材軸類零件選材方法：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼如35、40、45、50鋼應(yīng)用較多。常用的合金鋼有35CrMo、40Cr、40CrNi等。整體調(diào)質(zhì)后表面淬火處理，以滿足局部耐磨性要求。以剛度為主、輕載、非重要軸，為降低成本，可選用碳鋼（如45鋼）、鑄鐵（如QT700-2）、甚至普通質(zhì)量碳鋼（如Q275）制造；一般進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，若需提高相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位的耐磨性，可對(duì)其進(jìn)行表面淬火。7.3.2軸類零件的選材軸類零件選材方法：以耐磨性為主的軸，可選碳含量較高的鋼65Mn或低碳鋼20Cr、20CrMnTi滲碳制造，對(duì)其中精度有極高要求的軸，則應(yīng)選38CrMoAlA滲氮制造。主要受彎扭載荷的軸，無(wú)需選淬透性大的鋼種，可選45、40Cr即可。對(duì)受拉-壓載荷的軸，特別當(dāng)其尺寸較大、形狀較復(fù)雜時(shí)，則應(yīng)選用淬透性較高的鋼種，如40CrNiMo。主要受明顯、強(qiáng)烈沖擊的軸，宜用低碳鋼滲碳制造。7.3.2軸類零件的選材機(jī)床主軸：普通車(chē)床（輕載）主軸—45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）主軸—40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機(jī)床（重載）主軸—20CrMnTi，滲碳+淬火+低溫回火處理。精密鏜床（高精度）主軸—38CrMoAl，調(diào)質(zhì)+氮化+時(shí)效7.3.2軸類零件的選材機(jī)床主軸：C620車(chē)床主軸選材——45鋼熱處理工藝

——830℃水淬+500℃回火+軸頸高頻淬火+200℃回火最終組織

——心部：S回；軸頸表面：M回

加工工藝

——鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加