工程材料學(xué)第成形方法章

工程材料學(xué)第成形方法章1第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日失效——機(jī)械產(chǎn)品喪失功能的現(xiàn)象。失效分析——分析失效的原因，研究采取補(bǔ)救和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能保證工作安全；零件雖能安全工作，但工作低效?！?2.1.1機(jī)械零件失效與分析12.1工程材料的選擇2第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日哥倫比亞號(hào)全體人員合影及左翼上的裂紋3第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一、失效原因（1）設(shè)計(jì)因素 設(shè)計(jì)不合理和設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周密是構(gòu)件失效的重要原因之一。例如，突然直角過(guò)渡的臺(tái)階軸，零件的尖角、棱角、棱邊等都是應(yīng)力集中的部位，必然也是破壞的禍源。（2）材料選擇的正確性

材料選擇不當(dāng)，所選材料不符合構(gòu)件性能要求，或設(shè)計(jì)者不能正確使用材料性能數(shù)據(jù)，或沒有充分考慮各種材料的性能特點(diǎn)。例如，材料的缺口敏感性，脆性轉(zhuǎn)變溫度等，都將導(dǎo)致早期破壞。4第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）工藝歷史冶金質(zhì)量：冶金缺陷，如夾雜物、氣孔、疏松、成分偏析、嚴(yán)重帶狀組織等，這些都是內(nèi)傷，導(dǎo)致裂紋萌生，擴(kuò)展。機(jī)械制造工藝缺陷：例如，高殘余應(yīng)力；不良表面質(zhì)量；不正常的組織狀態(tài)；達(dá)不到機(jī)械性能要求。5第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（4）服役條件（安裝使用不當(dāng)）①受力情況

負(fù)荷類型：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等。

負(fù)荷性質(zhì)和速度：靜負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、交變負(fù)荷。

負(fù)荷狀態(tài)：?jiǎn)蜗驊?yīng)力、三向應(yīng)力、硬性狀態(tài)、軟性狀態(tài)、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等。

負(fù)荷數(shù)值：過(guò)負(fù)荷、安全負(fù)荷。②工作環(huán)境

工作介質(zhì)：水、油、大氣、蒸汽、腐蝕（酸、堿、鹽）。

溫度：低溫、室溫、高溫。

6第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（5）使用維護(hù)狀態(tài)使用過(guò)程如果超載運(yùn)行，潤(rùn)滑不良，凈潔不好，腐蝕生銹，表面碰傷等，違反操作規(guī)程，不定期維修或維修不當(dāng)，都可能導(dǎo)致提前失效。7第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日表面損傷失效斷裂失效變形失效應(yīng)力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應(yīng)力脆斷失效塑性斷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、零件失效的基本形式8第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日(1)斷口分析T形法分枝法9第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日韌性斷口：宏觀：纖維狀，色質(zhì)灰暗微觀：大小不等的韌窩微觀典型韌窩形貌(2)韌性斷裂在構(gòu)件斷裂之前產(chǎn)生顯著宏觀塑性變形的斷裂。10第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日剪切韌窩撕裂韌窩等軸韌窩11第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日等軸韌窩剪切韌窩撕裂韌窩12第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)人字紋路的走向和放射棱線匯聚方向確定裂紋區(qū)。(3)脆性斷裂構(gòu)件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂。山形條紋源區(qū)源區(qū)人字條紋13第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日宏觀：結(jié)晶狀，平齊而光亮，有閃亮小刻面。微觀：平坦的解理臺(tái)階與河流花樣。宏觀形貌微觀解理花樣脆性斷口:14第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日河流解理花樣羽毛狀花樣15第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)力腐蝕高溫蠕變

脆性斷裂也可能沿晶界發(fā)生。呈現(xiàn)較大浮凸，可以看到多面體的晶粒外形和三叉邊界。16第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)力腐蝕裂紋分叉現(xiàn)象氫脆裂紋的宏觀形貌17第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日疲勞斷口:疲勞斷口宏觀形貌(4)疲勞斷裂金屬構(gòu)件在交變載荷作用下，經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)周期后會(huì)發(fā)生突然的斷裂。18第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日疲勞條紋的微觀形貌a.疲勞輝紋19第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日b.輪胎壓痕花樣20第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日(5)現(xiàn)代測(cè)試分析X射線衍射（XRD）型號(hào)BrukerD8Advance21第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日掃描電子顯微鏡（SEM）型號(hào)：Quanta20022第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日透射電子顯微鏡（TEM）型號(hào)：FEITecnaiG220S-TWIN23第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日(6)斷口分析方法a.選取合適大小的試樣。24第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日b.借助現(xiàn)代分析儀器。25第二十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日三、零件失效分析實(shí)例(1)齒輪的失效齒輪是機(jī)械設(shè)備中運(yùn)用極廣的傳動(dòng)零件，齒輪表面受到接觸力和摩擦力的作用，齒根部則受到交變彎曲應(yīng)力的作用，此外由于過(guò)載和換檔時(shí)的沖擊還會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力。齒輪的輪齒的疲勞斷裂（宏觀）26第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日齒輪的失效行為:失效形式失效的原因齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點(diǎn)狀剝落（或稱麻點(diǎn)）疲勞斷裂從齒根部發(fā)生，由過(guò)大的交變彎曲應(yīng)力所致，是齒輪最嚴(yán)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(guò)載斷裂主要是沖擊載荷過(guò)大造成的斷齒27第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日(2)機(jī)車車輛的失效車軸在運(yùn)行時(shí)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(duì)稱性，所以車軸具有疲勞斷裂的完整過(guò)程（疲勞裂紋形成、裂紋擴(kuò)展、最終瞬時(shí)斷裂），斷口見圖：車軸疲勞斷口（a）

疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴(yán)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(yīng)，致使裂紋萌生。疲勞源(a)(b)28第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日車軸的疲勞斷裂失效分析：撞傷意外損傷疲勞裂紋源發(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(biāo)等）車軸疲勞斷裂分析斷口面基本與軸向垂直設(shè)計(jì)不當(dāng)、嚴(yán)重缺陷或過(guò)載斷口特征異常機(jī)加工缺陷機(jī)加工不當(dāng)腐蝕產(chǎn)物環(huán)境腐蝕磨損產(chǎn)物微動(dòng)摩擦軸表面異?；瘜W(xué)成份冶煉工藝不當(dāng)力學(xué)性能不合格金相組織冶煉、鍛造或熱處理工藝不當(dāng)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(guò)大29第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（1）使用性能原則——首要原則（2）工藝性能原則

（3）經(jīng)濟(jì)性原則——（4）環(huán)境與資源原則

根本原則§12.1.2選材的原則及應(yīng)用實(shí)例選材的動(dòng)機(jī):

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(jìn)和更新?lián)Q代；

零件過(guò)早失效甚至災(zāi)難性事故發(fā)生后，需改變用材。

一、選材的一般原則30第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日(1)使用性能原則——①分析零件的工作條件；②進(jìn)行失效分析；③確定零件對(duì)使用性能的要求；④具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度等）；⑤根據(jù)工作應(yīng)力、使用壽命或安全性，確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值，首要原則31第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（2）工藝性能原則設(shè)計(jì)中所作出的選材決定必然會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)過(guò)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(jì)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(wú)意義。機(jī)械制造——采用適當(dāng)?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(guò)程。流動(dòng)成形、切削成形、連接成形在各階段會(huì)有變化，并可借助于熱處理及表面改性處理進(jìn)行性能的重塑。制造過(guò)程的基本目的：一定的形狀和尺寸一定的性能一定的精度32第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛坯預(yù)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33第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日加工路線復(fù)雜，加工精度和質(zhì)量要求高，在選材時(shí)應(yīng)務(wù)必保證材料的工藝性能。說(shuō)明毛坯─→預(yù)先熱處理（正火、退火）─→粗加工─→最終熱處理（淬火+低溫回火，固溶時(shí)效或滲碳）─→半精加工─→穩(wěn)定化處理（或氮化）─→精加工─→穩(wěn)定化處理─→零件。加工工藝性能和質(zhì)量要求極高的零件（如精密絲杠）金屬零件用材多為碳鋼、合金鋼、高強(qiáng)鋁合金等，其中有些材料的加工性能存在問題，因此選材時(shí)應(yīng)注意對(duì)其工藝性能的分析。說(shuō)明毛坯─→預(yù)先熱處理（正火、退火）─→粗加工─→最終熱處理（淬火十回火，固溶時(shí)效，滲碳處理等）─→精加工─→零件。加工工藝性能要求較高的零件（如軸、齒輪等）如鑄鐵或碳鋼，只要注意采用適宜的毛坯制造方法，其工藝性能均能滿足要求。舉例毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。加工工藝性能、質(zhì)量要求不高的零件34第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）經(jīng)濟(jì)性原則——根本原則產(chǎn)品消費(fèi)的總成本購(gòu)置價(jià)格使用成本固定成本制造廠利潤(rùn)維護(hù)費(fèi)維修費(fèi)保險(xiǎn)費(fèi)折舊費(fèi)日常開支行政費(fèi)批發(fā)與零售費(fèi)研究與開發(fā)費(fèi)可變成本（生產(chǎn)成本）基本材料成本制造成本35第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格材料相對(duì)價(jià)格材料相對(duì)價(jià)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1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）5~1536第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（1）選材的一般程序

1．基于對(duì)具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對(duì)同類零件現(xiàn)有狀況（所用材料、使用壽命、失效形式以及供應(yīng)情況）的調(diào)研，再結(jié)合力學(xué)計(jì)算或試驗(yàn)確定零件應(yīng)具有的力學(xué)性能指標(biāo)和理化性能指標(biāo)。

2．對(duì)若干備選材料性能指標(biāo)和制造工藝進(jìn)行綜合分析和篩選，初步選定材料的牌號(hào)、規(guī)格及制造工藝。

3．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以檢驗(yàn)選用材料是否達(dá)到各項(xiàng)性能要求，并進(jìn)行小批試生產(chǎn)以檢驗(yàn)材料制造過(guò)程中工藝性是否滿足要求。小批試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量合格后，選材方案即可確定下來(lái)。二、選材的實(shí)際過(guò)程37第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日航空航天器用材很廣泛，工程塑料、橡膠、陶瓷材料和各種金屬。

1.中碳調(diào)質(zhì)鋼

40CrNiMoA、34CrNi3MoA用于高負(fù)載、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的構(gòu)件，如噴氣渦輪機(jī)軸、噴氣式客機(jī)的起落架及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等。

2.高合金耐熱鋼

1Cr13、2Cr25Ni、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB用于制造渦輪泵及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和其它零件。（2）選材舉例——航空航天器用材38第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

4.鎳基耐蝕合金

Inconel718(Ni－19Cr－18.5Fe－5.1Nb－3Mo－0.9Ti)。制造泵軸、渦輪等航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。

3.高溫合金

K403(Ni－11Cr－5.25Co－4.65W－4.3Mo－5.6Al)。主要用于制造渦輪工作葉片和導(dǎo)向器葉片。

39第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日5.鋁及其合金40第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日形變鋁合金

5A05（LF5）、5A11（LF11），用于焊接油箱、油管，制造鉚釘和中載零件制品。3A21（LF21）用于焊接油箱、油管，制造鉚釘及輕載零件和制品。硬鋁合金2A01（LY1）可制造工作溫度不超過(guò)100℃的結(jié)構(gòu)用中等強(qiáng)度鉚釘。2A11（LY11），用于制造骨架、模鍛的固定接頭、支柱、螺旋槳葉片、局部鐓粗的零件、螺栓和鉚釘?shù)戎械葟?qiáng)度的結(jié)構(gòu)零件。41第四十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日2A12（LY12），適宜制造飛機(jī)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、鉚釘?shù)?50℃以下工作的零件。超硬鋁合金7A04（LC4）、7A06（LC6），適宜制造飛機(jī)大梁、架、加強(qiáng)框、蒙皮接頭及起落架等結(jié)構(gòu)中的主要受力件。鍛鋁2A50（LD5），適宜制造形狀復(fù)雜、中等強(qiáng)度的鍛件和模鍛件。2A70