湖南科技大學(xué)機(jī)械工程材料課件

1、機(jī)械工程材料Mechanical Engineering Materials. 第8章失效分析、材料選擇及熱處理工藝X象件的失it今新82條件殺針屮的材料選律典媲零件.工縣的材料邃誹烏熬處理工藝&1零件的失效分析零件失效是不可避免的，任何一個(gè)零件，都有其設(shè)計(jì)壽命。但有些零件可能會(huì)因各種原因，其運(yùn)行壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽 命就發(fā)生早期失效，從而帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，甚至釀成重大事故。1943年美國(guó)T-2油輪斷裂失效的概念與形式失效的概念：零件喪失使用功能，稱為失效。零件在達(dá)到或 超過(guò)設(shè)計(jì)的預(yù)期壽命發(fā)生的失效稱為正常失效；在低于設(shè)計(jì) 預(yù)期壽命時(shí)發(fā)生的失效稱為非正常失效。失效的形式：零件常見(jiàn)的失效形式一般可

2、分為斷裂失效、過(guò) 量變形失效和表面損傷失效三大類o斷裂失效：零件失效的主要形式，也是最嚴(yán)重的失效形式， 它是因零件承載過(guò)大或因疲勞損傷等發(fā)生破斷。過(guò)量變形失效：指零件變形量超過(guò)允許范圍而造成的失效， 主要有過(guò)量彈性變形失效和過(guò)量塑性變形失效。表面損傷失效：指零件的表面及附近材料失去正常工作所必 須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效。一#7除上述幾種失效形式外，材料的老化也會(huì)導(dǎo)致失效。例如， 高分子材料在貯存和使用過(guò)程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變 黏，從而失去原有性能指標(biāo)，通常稱為高分子材料的老化。 老化是高分子材料不可避免的現(xiàn)象O失效的原 (1)設(shè)計(jì)不合理 (2)選材不合理 (3)裝配使用不當(dāng)(

3、4)加工工藝不當(dāng)失效分析方法 (1)取樣，先拍照記錄現(xiàn)場(chǎng)，再收集失效零件殘?bào)w，確定 分析區(qū)域，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(diǎn)的地方。G (2)整理失效零件的有關(guān)資料，包括設(shè)計(jì)文件.工藝文件及使用維修記錄等。(3) 對(duì)樣品進(jìn)行宏觀微觀的斷口分析金相剖面分析， 確定失效的發(fā)源地及失效的形式。(4) 測(cè)定樣品的必要數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)性能指標(biāo)及與失效有關(guān)的性能指標(biāo)，材料的組織及化學(xué)成分，必要時(shí)作斷裂力學(xué)分析。 (5)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(xiě)出分析報(bào)告。失效分析實(shí)例某型號(hào)面包車正常行駛256km后, S.2斷裂半軸的宏觀形貌半軸發(fā)生斷裂。圖&3半

4、軸斷口形貌Qtt斷裂汽車半軸的材料為406,直徑為tttitt圖&2斷裂半鈾的宏視形貌圖&3半軸斷口形貌QI MY；48mm。加工工藝路線：下料f鍛造f正火f 粗加工-調(diào)質(zhì)f精車、鉆孔、制齒鍵 -中頻淬火、回火-磨削-探傷。在凸緣與桿連接的軸臺(tái)階轉(zhuǎn)角處起裂, 并向內(nèi)擴(kuò)展至軸的中心部位最后斷裂。 整個(gè)斷口呈斜坡?tīng)?，未?jiàn)明顯塑性變 形，斷面顏色為暗灰色，靠近斷裂源 的斷面較平整，宏觀可見(jiàn)明顯的貝紋 線，具有疲勞斷裂特征，為裂紋擴(kuò)展 區(qū)；其余斷面呈纖維狀，凹凸變化較 大，具有塑性斷裂特征，為最后的瞬 斷區(qū)。B在斷裂源附近取樣，經(jīng)鑲嵌磨光.拋光后制成金相試樣。用掃描電鏡進(jìn)行夾雜物觀察，斷口表面處存在較

5、多的非金屬夾雜物，主要有A類條狀硫化物夾雜和D類球狀氧化物夾雜。（a）斷口表面夾朶物（b）球狀氧化物夾朵（c）條狀、臆夫朶物亠圖S.4斷口表面夬朶物J形貌*tt能譜分析：因夾雜物數(shù)量多.尺寸大，用能譜儀對(duì)夾雜物成 分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)球形夾雜物為復(fù)合氧化物，其成分與冶煉爐渣相近。tt原因：由于采用上鑄法澆注時(shí)爐渣容易混于鋼液中，小鑄錠的凝固較快，沒(méi)有足夠的時(shí)間使其浮出而殘留下來(lái)的。而條狀硫化物夾雜主要為硫化鐵和硫化猛，是由于鋼材在軋制時(shí)JimiiiTi11發(fā)生變形所致。到具有塑性特征的韌窩。右圖為半軸斷口的掃描電鏡形 貌，可見(jiàn)裂紋源處的斷口呈典 型的脆性斷裂特征，沒(méi)有觀察顯微組織為粗大的回火馬氏體

6、；在凸緣與桿連接的軸臺(tái)階處存在明顯的表面脫碳層，在表面脫碳層中發(fā)現(xiàn)有多個(gè)表面裂紋源，裂紋先沿表面擴(kuò)展,然后轉(zhuǎn)向垂直于表面生長(zhǎng)。埶J耒而脫碳層的SEM汀麺裂紋験SEM W0原因分析之一：材料本身質(zhì)量較差，較大尺寸和較多數(shù)量的非金屬夾雜物的存在不僅降低了鋼的塑性韌性，同時(shí)破壞了鋼基體的均勻性、連續(xù)性，成為疲勞源，在外力作H4下，沿夾雜物與其周圍金屬基體的界面開(kāi)裂，形成疲勞IE裂紋。原因分析之二：斷裂半軸經(jīng)熱處理，得到粗大回火馬氏體,說(shuō)明中頻淬火溫度相對(duì)較高，引起晶粒粗大；回火時(shí)間過(guò)短，致使硬度偏高。斷裂半軸表面存在脫碳層，是由于在調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行精加工時(shí)，加工余量太小，未能把脫碳層去除掉。結(jié)論：主要

7、原因是半軸凸緣與桿連接的軸臺(tái)階處表面存在脫碳層，在高的扭轉(zhuǎn)疲勞剪應(yīng)力作用于形成裂紋源；40Cr鋼中含有較多的大尺寸非金屬夾雜物；此外，熱處理工藝不當(dāng),中頻感應(yīng)淬火溫度偏高且回火不足，使材料的綜合力學(xué)性能 變差，使表面萌生的裂紋在應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致半軸發(fā)生早期疲勞斷裂。13.2零件設(shè)計(jì)中的材料選擇選材的基本原則選材的一般步驟及注意事項(xiàng)使用性能：材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。經(jīng)濟(jì)性：是指材料加工成零件，它的生產(chǎn)和使用總成本最有時(shí)甚至還要包括運(yùn)費(fèi)和安裝費(fèi)用O低?？偝杀景ú牧媳旧淼膬r(jià)格、加工費(fèi)、試驗(yàn)研究費(fèi)、 維修管理費(fèi)等費(fèi)用，從材料的使用性能、工藝性能和

8、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，在滿足使用性能要求的前提下，考慮工藝性能和經(jīng) 濟(jì)性。根據(jù)使用性能選材: (1)分析零件的工作條件 (2)分析零件的失效形式 (3)將對(duì)零件的使用性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為對(duì)材料性能指標(biāo) 的要求 (4)材料預(yù)選(了解常用材料的主要特性)根據(jù)工藝性能選材: 如果所選材料制備工藝復(fù)雜或難以加工，必然帶來(lái)生產(chǎn)成本提高，嚴(yán)重時(shí)材料無(wú)法使用。當(dāng)工藝性能與使用性能相矛盾時(shí)，有時(shí)也從工藝性能考慮，這時(shí)工藝性能成為選材考慮的主導(dǎo)因素。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性能選材:選材時(shí)應(yīng)立足于國(guó)內(nèi)和較近地區(qū)的資源，考慮貨源的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選材料的品種、規(guī)格，應(yīng)盡量少而集中,盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化通用化的材料，以便于采購(gòu)、

9、運(yùn)輸保管、生產(chǎn)管理，同時(shí)也可降低材料成本減少運(yùn)輸、試驗(yàn)研究費(fèi)用。178-3-1軸類零件的選材及熱處理工藝作用：支撐傳動(dòng)零件；傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。tt種類：如各種傳動(dòng)軸、機(jī)床主軸、齒輪軸、凸輪軸、曲軸、連桿、絲桿等。tt軸的質(zhì)量好壞直接影響機(jī)器的精度與壽命。1 軸類零件的工作條件tt主要承受彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力拉壓應(yīng)力；軸頸表面易產(chǎn)生過(guò) 量的磨損；多數(shù)軸類零件承受一定的沖擊載荷和過(guò)載產(chǎn)生過(guò) 量彎曲變形，甚至發(fā)生折斷或扭斷。2軸類零件的失效形式tt疲勞斷裂、斷裂失效、過(guò)量變形和磨損失效等。一19 3軸類零件的性能要求M良好的綜合力學(xué)性能；W高的疲勞強(qiáng)度；tt高的表面硬度和良好的耐磨性;良好的切削加工性。

10、tt特殊工況下：如高溫下工作的軸，要求抗蠕變性能好；腐蝕介質(zhì)中工作的軸，要求耐腐蝕性能好。 4.軸類零件的常用材料大多是經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或中碳合金鋼。有時(shí)也采用球墨鑄鐵件、鑄鋼件或焊接件。例如，對(duì)于受力小或不重要的軸，采用Q235鋼、Q275鋼等；對(duì)于承受中等載荷，轉(zhuǎn)速不高的軸，采用35鋼、45鋼等。a， 45鋼為常用的中碳鋼，鍛造性能和切削加工性能好，價(jià)格適 當(dāng)，故一般軸類零件常選此牌號(hào)。對(duì)于承受載荷較大者，可 選用40Cr等中碳合金鋼。也有用球墨鑄鐵制造機(jī)床主軸的， 如用QT700-3球墨鑄鐵制作磨床、銃床、車床的主軸等。tt5.軸類零件的典型加工工藝路線 (1)下料-鍛造f正火(

11、退火)f粗加工f調(diào)質(zhì)f精加工(2) 下料f鍛造-正火(退火)f粗加工f調(diào)質(zhì)f半精加工-表面淬火f精加工-檢驗(yàn)(3) 下料f鍛造正火f粗加工-半精加工滲碳f淬火并低溫回火f精加工f檢驗(yàn)(4) 下料f鍛造f退火-粗加工f調(diào)質(zhì)-半精加工f去應(yīng)力退火f粗磨f氮化f精加工f檢驗(yàn)6.典型軸類零件的選材示例例X機(jī)床主軸的選材與工藝路線39293R35圖89 C616車床主軸421III車床主軸，工作時(shí)承受應(yīng)力不大。主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外 圓，經(jīng)常與卡盤(pán)、頂針有相對(duì)摩擦；花鍵部分與齒輪有相對(duì) 滑動(dòng)，軸頸處易磨損；錐孔與外圓錐面，易拉毛，故這些部 位要求有較高的硬度和耐磨性O(shè)選用4 5鋼制作?；ㄦI軸頸圖EL 9

12、 C616車床主軸aJtnninni一 HH4I寸5-%n*0工藝路線：下料-鍛造f正火-粗加工-調(diào)質(zhì)f半精加工（除花鍵外）f局部表面淬火（錐孔與外圓錐面）f回火 f粗磨（夕卜圓.錐孔與外圓錐面）f銃花鍵f花鍵高頻感園應(yīng)淬火f回火f精磨（外圓-錐孔與外圓錐面）f檢驗(yàn)。圖EL 9 C616車床主軸a例2.曲軸的選材與工藝路線在內(nèi)燃機(jī)中，曲軸承受沖擊和扭轉(zhuǎn)，因此曲軸承受很大 的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。主要失效形式是軸頸磨損和疲勞斷裂。一般都選用合金調(diào)質(zhì)鋼，如35CrMo 42CrMo等；中、小型的內(nèi)燃機(jī)曲軸、常選用45鋼或球墨鑄鐵。圖3. 10曲軸卩工藝路線選用中碳鋼或中碳合金鋼時(shí)：下料f鍛造f正火f

13、粗加工f調(diào)質(zhì)f半精加工f軸頸表面淬火、低溫回火f精加工f檢驗(yàn)。III選用球墨鑄鐵時(shí)：熔煉f鑄造-正火-高溫回火f機(jī)加工f軸頸表面淬火低溫加火f精磨-檢驗(yàn)。圖8. 10曲軸卩25tt3.2齒輪的選材及熱處理工藝ttrt1 齒輪類零件的工作條件齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)相互嚙合的輪齒之間通過(guò)一個(gè)狹小的接觸 面?zhèn)鬟f動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，因此，齒面上要承受很大的接觸應(yīng)力。2.齒輪類零件的失效形式(1) 斷齒：大多數(shù)表現(xiàn)為疲勞斷裂，主要是由于齒根所受 的彎曲應(yīng)力超過(guò)材料的抗彎曲強(qiáng)度引起。(2) 齒面磨損：齒面接觸區(qū)強(qiáng)烈的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦或者外 部硬質(zhì)磨粒的侵入引起齒面磨損失效等現(xiàn)象o(3) 表面疲勞剝落(點(diǎn)蝕)：因表面疲勞而

14、使齒面表層產(chǎn) 生點(diǎn)狀、小片剝落的破壞。(4) 齒面塑性變形：齒輪強(qiáng)度不夠、齒面硬度低時(shí)，在低 速、重載和啟動(dòng)、過(guò)載頻繁的齒輪中容易產(chǎn)生。 3.齒輪類零件的性能要求(1)高的接觸疲勞強(qiáng)度，齒面應(yīng)有高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，防止疲勞破壞和表面損傷。(2)高的抗彎曲強(qiáng)度，輪齒心部要有足夠的強(qiáng)韌性，防止過(guò)載斷裂。 (3)較好的工藝性能，淬火變形小。此外，在齒輪副中，兩齒輪齒面硬度應(yīng)有一定差值，因小的 齒輪的齒根薄，齒輪受載次數(shù)多，故應(yīng)比大齒輪硬度高些。tttttt 4齒輪類零件的常用材料H 一般選用45. 40Cr 40 CrNi 40MnB 35CrMo等中碳鋼或中碳合金鋼鍛件為毛坯O 單件或小批量生

15、產(chǎn)，直徑100mm以下的小齒輪可用圓鋼下 料毛坯。直徑500mm以上的大型齒輪鍛造比較困難，常采用鑄鋼件29(b)I鋼毛坯齒輪M鑄造齒輪一般以輻條結(jié)構(gòu)代替鍛造齒輪的輻板結(jié)構(gòu)，有時(shí)也以焊接方式生產(chǎn)大型齒 輪毛坯，特殊情況下選用工程塑料，如受力不大或在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的齒輪，可選用尼龍、聚碳酸脂等高分子材料來(lái)制造(c)鑄造毛坯齒輪(d)焊接毛坯齒輪心 8.11不同毛坯加工的齒輪42933ittttt 5齒輪類零件的典型加工工藝路線(1)下料f鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)f精加工-高頻淬火及低溫回火f精加工f檢驗(yàn)(2)下料f鍛造-正火-機(jī)加工-滲碳(碳氮共滲)-淬火及低溫回火f噴丸f磨削f檢驗(yàn)6.典型齒

16、輪類零件的選材示例例1：機(jī)床齒輪的選材與工藝路線車床的傳動(dòng)齒輪，工作時(shí)受力不大，轉(zhuǎn)速中等，工作較平穩(wěn) ,無(wú)強(qiáng)烈沖擊。因此，對(duì)強(qiáng)度和韌性要求均不太高，一般用 中碳鋼制造，如45鋼；對(duì)于性能要求較高，如受力較大時(shí)， 可選用40Cr鋼等中碳合金鋼。經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，再進(jìn)行 高頻感應(yīng)加熱淬火表面強(qiáng)化處理，以提高耐磨性。工藝路線:下料-鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-高頻淬火、低溫回火f拉花鍵孔-精磨f檢驗(yàn)。III例2:汽車、拖拉機(jī)齒輪的選材與工藝路線M變速箱齒輪用于傳遞轉(zhuǎn)矩，改變發(fā)動(dòng)機(jī)、曲軸和主軸齒輪的傳動(dòng)速度比。差速器齒輪用來(lái)增加扭轉(zhuǎn)力矩并調(diào)節(jié)兩車輪的轉(zhuǎn)速, 將動(dòng)力傳遞到主動(dòng)輪，推動(dòng)汽車、拖拉機(jī)運(yùn)

17、行。工作條件遠(yuǎn)比 機(jī)床齒輪惡劣，受力較大，超載荷和受沖擊頻繁。在耐磨性、 疲勞強(qiáng)度、抗沖擊能力等方面的要求比機(jī)床齒輪高。通常選用 合金滲碳鋼制造，如2OCrMnTi、20MnVB 2OCrMnMo等。 闿工藝路線：下料f鍛造正火f機(jī)加工-滲碳淬火-低溫回火f噴丸f磨削f檢驗(yàn)。&3.3彈簧類零件的選材及熱處理工藝通過(guò)產(chǎn)生及恢復(fù)變形，把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)換為形變能，或者,把形變能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能或機(jī)械功，以便達(dá)到緩沖、減震、控制運(yùn)動(dòng)或復(fù)位、儲(chǔ)能及測(cè)量等目的。按彈簧的制作方法可分為冷成形彈簧和熱成形彈簧兩大類。彈簧類零件的工作條件：普通機(jī)械用彈簧一般是在室溫或較高工作溫度、大氣條件下承受負(fù)荷。彈簧類零件的失效

18、形式: (1)變形失效 彈簧在工作過(guò)程中發(fā)生變形，往往影響產(chǎn)品的靈敏度和可靠性。 斷裂失效 分為脆性斷裂、塑性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂及腐蝕疲勞斷裂。3.彈簧類零件的性能要求 (1)高的彈性極限和高的屈強(qiáng)比。 (2)高的疲勞強(qiáng)度，以承受交變載荷。(3)足夠的塑性和韌性。 (4) 一定的淬透性，表面脫碳傾向小。 (5)應(yīng)具有特殊性能。4 .彈贊類零件的常用材料彈簧鋼主要有碳素彈簧鋼，合金彈簧鋼。特殊性能的彈簧 材料有不銹鋼耐酸彈簧鋼、耐熱彈簧鋼及合金(鐐基、鈦 基及鉆基合金、高彈性高導(dǎo)電的銅基合金)。非金屬?gòu)椥?材料有橡膠、塑料、陶瓷及流體等。5彈簧的熱處理冷拔(或冷拉八冷卷成型。冷卷后的彈

19、簧不需進(jìn)行淬火，只需進(jìn)行一次去應(yīng)力退火和穩(wěn)定尺寸的定型處理。(2)在熱卷后進(jìn)行淬火加中溫回火處理。III6.其他的強(qiáng)化處理形變熱處理：提高彈簧的綜合力學(xué)性能、疲勞性能和抗應(yīng)力 松弛性能?；瘜W(xué)熱處理：滲碳和碳氮共滲等化學(xué)熱處理。提高彈簧表層硬度、耐磨性、耐腐蝕性、殘余壓應(yīng)力及疲勞壽命。噴丸處理：通常采用噴丸處理進(jìn)行表面強(qiáng)化，安排在成型及熱處理后進(jìn)行。377典型彈簧的熱處理圖& 13為拖拉機(jī)卡圈，是線彈簧中最簡(jiǎn)單的一種零件，直徑小、結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，可選用碳素彈簧鋼絲冷卷成 形，如65鋼。工藝路線：?jiǎn)渭尚危合铝侠渚沓尚味瞬考庸ぜ罢絝去應(yīng)力退 火f發(fā)黑f檢驗(yàn)連續(xù)成形：盤(pán)料通過(guò)自動(dòng)卷簧機(jī)功用車床繞制成形-單個(gè) 彈簧切斷f磨兩端面、去毛刺f整平-去應(yīng)力退火f檢驗(yàn) -表面防銹處理；.34箱體類零件的選材及熱處理工藝箱體類零件的工作條件：_般有較好的剛度和減振性；工作臺(tái)、導(dǎo)軌等零件則要求有較好的耐磨性和減振性；有些機(jī)器的機(jī)身、支架往往同時(shí)承受壓、拉和彎曲應(yīng)力的聯(lián)合作用。箱體類零件的失效形式：變形失效、斷裂失效、