機(jī)械零件的失效與選材原則 (ppt 50頁(yè)).ppt

1、十五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材工程材料第3版配套課件,第8章,第8章 機(jī)械零件的失效 與選材原則 內(nèi)容提要： 介紹各種失效形式：畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。 闡述機(jī)械零件選材原則。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解各種失效形式特點(diǎn)。掌握機(jī)械零件選材原則,8.1 機(jī)械零件的失效及失效分析,失效 零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能,失效導(dǎo)致嚴(yán)重事故,失效因素 一、設(shè)計(jì)因素 為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計(jì)，精心施工。 根據(jù)零件工作條件、可能發(fā)生的失效模式，提出技術(shù)指標(biāo)，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。 如設(shè)計(jì)有誤, 則機(jī)械設(shè)備或零件將不能使用或

2、過(guò)早失效,二、制造(工藝)因素 工藝缺陷是零件失效的重要因素。 零件在鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的疏松、夾渣； 鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋； 焊接過(guò)程中未焊透、偏析、冷熱裂紋； 機(jī)加工過(guò)程的尺寸公差和表面粗糙度不合適； 熱處理產(chǎn)生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性； 精加工磨削中的磨削裂紋等,三、安裝調(diào)試因素 安裝過(guò)程達(dá)不到要求的質(zhì)量指標(biāo)，導(dǎo)致零件失效。 嚙合傳動(dòng)件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過(guò)松或過(guò)緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)； 連接零件必要的“防松”不可靠； 鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗(yàn)不良； 潤(rùn)滑與密封裝置不良等； 初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進(jìn)行逐級(jí)加載跑合,四、材質(zhì)因素 選材不當(dāng)使零件達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而

3、導(dǎo)致失效。 材質(zhì)內(nèi)部缺陷、毛坯加工(鑄鍛焊)工藝或冷熱加工(特別是熱處理)工藝過(guò)程產(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效,五、運(yùn)轉(zhuǎn)維修因素 不正確的運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)導(dǎo)致零件失效。 忽視維修，未進(jìn)行定期大、中、小檢修 潤(rùn)滑條件未保證, 潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法不合適,老師提示 在影響失效的基本因素中，特別要強(qiáng)調(diào)人的因素，即注意人的素質(zhì)條件的影響,8.2 零件失效形式 8.2.1 畸變失效 畸變有兩種類(lèi)型： 尺寸畸變或體積畸變(長(zhǎng)大或縮小) 形狀畸變(如彎曲或翹曲) 發(fā)生畸變的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生干擾，導(dǎo)致零件失效,一、彈性畸變失效 不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。

4、 受拉、壓的桿類(lèi)零件，過(guò)大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過(guò)載。 受彎、扭的軸類(lèi)零件，過(guò)大的彈性畸變量會(huì)造成軸上嚙合零件的嚴(yán)重偏載，嚙合失常，甚至咬死，導(dǎo)致傳動(dòng)失效； 某些控制元件，如溫控元件，過(guò)大的彈性畸變量使精度無(wú)法保證,防止彈性畸變的主要措施：增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載,二、塑性畸變失效 外加應(yīng)力超過(guò)零件材料的屈服極限時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。 鋼結(jié)構(gòu)房梁承載過(guò)重發(fā)生塑性變形彎曲，導(dǎo)致倒塌； 螺栓嚴(yán)重過(guò)載被拉長(zhǎng)，失去緊固作用,防止零件塑性畸變的措施：采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)行合理的熱處理，防止超載,三、翹曲畸變失效 尺寸與方向上產(chǎn)生復(fù)雜變形，形成翹曲，導(dǎo)致失效。

5、 翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等不均勻性引起。特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴(yán)重。 受力鋼架翹曲變形； 殼體在高溫下形狀翹曲,增加零件截面、截面形狀設(shè)計(jì)合理。采用彈性模量高、屈服強(qiáng)度高的材料，防止超載,8.2.2 斷裂失效 斷裂失效 機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。 一、斷裂失效的分類(lèi) 塑性斷裂 脆性斷裂 疲勞斷裂 蠕變失效斷裂,金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到斷口分為： F - 纖維狀區(qū) R - 放射狀區(qū) S - 剪切唇區(qū),斷口,斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵,二、斷口的分析方法,三、斷裂形式 1. 韌（塑）性斷裂 斷裂前有明顯的塑性變形。 (1) 宏觀特

6、征 宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成45角,2. 脆性斷裂 斷裂前無(wú)塑性變形。 脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過(guò)常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。 脆性斷裂以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見(jiàn)的0.1 mm1 mm)作為源開(kāi)始的。 中、低強(qiáng)度鋼在10 15 以下會(huì)由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變,脆性斷裂 (1) 宏觀特征 斷口一般與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒(méi)有剪切“唇口”(或很小,脆性斷裂實(shí)物,解理斷裂 因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂。 斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030 m/

7、s，在低溫和三向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)更快； 沿著特定的晶面(稱(chēng)為解理面)發(fā)生，這些晶面一般是屬于低指數(shù)的。 在不同高度的平行解理面之間產(chǎn)生解理臺(tái)階。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中，臺(tái)階相互匯合，形成河流花樣，河流的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致,3. 其它斷裂失效形式 (1) 疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱(chēng)金屬的疲勞斷裂,疲勞斷裂實(shí)物 疲勞斷裂顯微形貌,2) 蠕變斷裂 在高溫下鋼的強(qiáng)度較低，當(dāng)受一定應(yīng)力作用時(shí)，變形量隨時(shí)間而逐漸增大的過(guò)程，這種過(guò)程叫蠕變，產(chǎn)生的斷裂叫做蠕變斷裂,蠕變斷裂,引起零件斷裂的因素多而復(fù)雜，對(duì)材料的性能需要綜合考慮。如屈

8、服強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度等。 防止斷裂的措施： 采用材質(zhì)好、強(qiáng)度高、韌性好的材料。 防止超載。 注意環(huán)境的影響,客車(chē)空氣壓縮機(jī)皮帶輪斷裂失效分析,空氣壓縮機(jī)工作時(shí)，皮帶輪輻條受彎矩、剪切力的聯(lián)合作用和強(qiáng)烈震動(dòng)，產(chǎn)生疲勞裂紋。裂紋擴(kuò)展，輻條斷裂。 皮帶輪斷裂過(guò)程,某大型客車(chē)空氣壓縮機(jī)皮帶輪破斷，空氣壓縮機(jī)停止工作。氣壓不足、剎車(chē)失靈。造成重大交通事故,汽車(chē)板簧斷裂失效分析,某貨車(chē)板簧斷裂，發(fā)生交通事故,板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊，造成表面裂紋。疲勞源在裂紋處形成。 板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。 裂紋在應(yīng)力作用下擴(kuò)展，最后造成板簧疲勞斷裂,8.2.3 磨損失效,磨損 相互接觸的一對(duì)

9、金屬表面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，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,一、粘著磨損 兩個(gè)金屬表面的微凸部分在高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)，使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個(gè)表面之間，這一現(xiàn)象稱(chēng)為粘著磨損,粘著磨損示意圖,粘著磨損磨痕,二、磨料磨損 配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因外來(lái)硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱(chēng)為磨粒(料)磨損,磨粒磨損示意圖,磨粒磨損磨痕,三、犁削磨損 硬材料表面的微凸點(diǎn)切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝,活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損,犁削磨損示意圖,犁

10、削磨損磨痕,四、沖刷磨損 沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損,沖刷磨損示意圖,五、表面疲勞磨損 兩個(gè)接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱(chēng)為表面疲勞磨損,六、腐蝕磨損 腐蝕磨損是金屬在摩擦過(guò)程中，同時(shí)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象,老師提示 采用耐磨性高的材料，進(jìn)行合理的表面強(qiáng)化處理，改變材料的組織結(jié)構(gòu)，適度提高硬度。 表面強(qiáng)化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。提高材料的耐磨性,8.2.4 腐蝕失效 腐蝕是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。

11、 它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。 按腐蝕性質(zhì)分：化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕,按腐蝕部位分：均勻腐蝕 點(diǎn)腐蝕 晶間腐蝕,一、均勻腐蝕 均勻腐蝕 在整個(gè)金屬表面均勻地發(fā)生腐蝕。 被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕介質(zhì)均勻包圍金屬表面,均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。 鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕； 銅在土壤里的銹蝕,二、點(diǎn)腐蝕 腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴(kuò)展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。 金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，陽(yáng)極處被腐蝕成小孔,點(diǎn)腐蝕示意圖,三、晶間腐蝕 腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。 主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻,晶間腐蝕示意圖,防止

12、腐蝕的措施：采用耐蝕性高的材料。如不銹鋼、銅合金、鈦合金、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料等。進(jìn)行表面處理,彈簧材料為碳素彈簧鋼。 長(zhǎng)期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，彈簧絲截面減小、變脆而破斷,客車(chē)儲(chǔ)氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析,某客車(chē)儲(chǔ)氣罐放水閥彈簧破斷，閥芯失去密封作用，氣體泄漏，氣壓降低，剎車(chē)失靈，造成嚴(yán)重事故,8.3 機(jī)械零件選材原則 老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容 8.3.1 使用性能原則 一、機(jī)械零件正確選材的使用性能原則,材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求,使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能。 機(jī)器零件和工程構(gòu)件，主要是機(jī)械性能。 對(duì)一些特殊條件下工作

13、的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能,二、零件使用時(shí)的工作條件 （1）受力狀況 主要是載荷的類(lèi)型(例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的形式；載荷的特點(diǎn)等。 （2）環(huán)境狀況 溫度特性、介質(zhì)情況等。 （3）特殊要求 導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等,三、零件根據(jù)使用性能選材的步驟 對(duì)零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對(duì)使用性能的要求； 根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計(jì)算出零件中的應(yīng)力分布； 由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值； 利用材料手冊(cè)根據(jù)使用性能選材,材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊(cè)中試樣尺寸的差別，進(jìn)

14、行適當(dāng)?shù)男拚?常用零件的工作條件和失效形式,8.3.2 工藝性能原則,材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求,一、高分子材料零件選材的工藝性能原則 高分子材料成形容易，方法較多。 高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。 但它的導(dǎo)熱性差，在切削過(guò)程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料,高分子材料主要成形工藝的比較,高分子材料的加工工藝路線,二、陶瓷材料零件選材的工藝性能原則 陶瓷材料加工的工藝路線比較簡(jiǎn)單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進(jìn)行任何其它加工,陶瓷材料各種成形工藝比較,陶瓷材料的加工工藝路線,三、金屬材料零件選材的工藝性能原則 金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能,金屬材料的加工工藝路線,性能要求不高的金屬零件的工藝路線 毛坯正火或退火切削加工零件,8.3.3 經(jīng)濟(jì)性原則,采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益,一、材料的價(jià)格 零件材料的價(jià)格應(yīng)該盡量低。 材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價(jià)格的30%70%，設(shè)計(jì)人員要十分關(guān)心材料的市場(chǎng)價(jià)格,二、零件的總成本 必須保