零部件的失效與選材

1986年1月28日助推器兩個部件之間的接頭因為低溫，變脆，破損，噴出的燃氣燒穿了助推器的外殼，繼而引燃外掛燃料箱。燃料箱裂開后，液氫在空氣中劇烈燃燒爆炸。第一頁，共六十一頁。第十三章材料的選用及失效分析

使用性能--使用過程中安全可靠；工藝性能--零件便于加工制造；經(jīng)濟性--零件的總成本最低;環(huán)境與資源--環(huán)境友好。第二頁，共六十一頁。第一節(jié)零件的失效分析每種機器零件都具有一定的功能，或完成規(guī)定的運動，或傳遞力、力矩或能量。當零部件喪失預定的功能時，即零件已失效。下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認為零件已經(jīng)失效：

零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；零件嚴重損傷，不能保證工作安全；零件雖能安全工作，但工作低效。第三頁，共六十一頁。一、零件失效的基本形式零件的失效形式比較復雜，根據(jù)零件破壞的特點、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應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第四頁，共六十一頁。二、零件失效的主要原因

引起失效的具體原因多種多樣，但大體可分為設計、材料、加工和安裝使用四個方面。設計工況條件估計不確切；結構外形不合理；計算錯誤。材料選材不當；材質(zhì)低劣。加工毛坯有缺陷；冷加工缺陷；熱加工缺陷。安裝使用安裝不良；維護不善；過載使用；操作失誤。第五頁，共六十一頁。三、失效分析的主要方法服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗實驗室試驗提高零件失效抗力加強管理改進工藝提高主要抗力指標改進設計工藝使用材料設計失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影響失效的因素很多，要利用宏觀和微觀的研究手段進行系統(tǒng)的分析。第六頁，共六十一頁。以失效抗力指標為線索的失效分析思路示意圖該思路是材料工作者常用的、比較綜合的方法。是工程材料開發(fā)、研究和推廣使用的有效方法之一。第七頁，共六十一頁。失效樹分析第八頁，共六十一頁。失效分析是從結果求原因的逆向認識失效本質(zhì)的過程。結果和原因具有雙重性，失效分析可以從原因入手，也可以從結果入手，也可以從失效的某個過程入手。“順藤摸瓜”以失效過程中間狀態(tài)的現(xiàn)象為原因，推斷過程進一步發(fā)展的結果，直至過程的終點結果?！绊樚僬腋币允н^程中間狀態(tài)的現(xiàn)象為結果，推斷該過程退一步的原因，直至過程起始狀態(tài)的直接原因?！绊樄厦佟睆倪^程中的終點結果出發(fā)，不斷由過程的結果推斷其原因。“順根摸藤”從過程起始狀態(tài)的原因出發(fā)，不斷由過程的原因推斷其結果。還有“順瓜摸藤+順藤找根”、“順根摸藤+順藤摸瓜”、“順藤摸瓜+順藤找根”等。第九頁，共六十一頁。無損檢測無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。斷口分析斷口分析是對斷口進行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口第十頁，共六十一頁。金相分析通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。化學分析檢驗材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設計要求。力學分析檢查分析失效零件的應力分布、承載能力以及脆斷傾向等。第十一頁，共六十一頁。斷口分析

分析破壞的順序T型法則分叉法則B裂紋產(chǎn)生在后A裂紋產(chǎn)生在前裂紋擴展方向第十二頁，共六十一頁。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)。源區(qū)源區(qū)

失效源分析第十三頁，共六十一頁。宏觀：結晶狀，平齊而光亮，有閃亮小晶面。無明顯變形。微觀：平坦的解理臺階與河流花樣。脆性斷口

宏觀形貌微觀解理花樣

第十四頁，共六十一頁?；鼗鸫嘈詳嗫?/p>

應力腐蝕斷口脆性斷裂沿晶斷口第十五頁，共六十一頁。韌性斷口宏觀：纖維狀，色質(zhì)灰暗,有明顯的塑性變形。微觀：大小不等的韌窩。纖維狀韌性宏觀斷口微觀典型韌窩形貌

第十六頁，共六十一頁。疲勞斷口疲勞源

疲勞裂紋擴展區(qū)

“貝紋”狀花樣

瞬時斷裂區(qū)

疲勞斷口宏觀形貌疲勞斷口示意圖疲勞條紋的微觀圖象第十七頁，共六十一頁。齒輪的失效齒輪是機械設備中運用極廣的傳動零件。齒表面受到接觸力和摩擦力的作用；齒根部受到交變彎曲應力的作用；此外由于過載和換檔時的沖擊還會產(chǎn)生附加應力。四、零件失效分析實例齒輪的疲勞斷裂（宏觀）第十八頁，共六十一頁。失效形式失效的原因齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點狀剝落（或稱麻點）。疲勞斷裂從齒根部發(fā)生，由過大的交變彎曲應力所致，是齒輪最嚴重的失效形式。齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，輪齒變薄。過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒。齒輪的失效行為第十九頁，共六十一頁。機車車軸的失效車軸在運行時承受著彎曲和扭轉載荷，車軸材料通常具有較好的塑韌性，其形狀又有很好的對稱性，所以車軸具有疲勞斷裂的完整過程（疲勞裂紋形成、裂紋擴展、最終瞬時斷裂）。疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴重冶金缺陷引起裂紋萌生；疲勞源在軸表面，由表面加工缺陷引起缺口效應，致使裂紋萌生。疲勞源第二十頁，共六十一頁。車軸疲勞斷裂的失效分析斷口面基本與軸向垂直設計不當、嚴重缺陷或過載斷口特征異常軸表面異常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、夾雜物超標等）車軸疲勞斷裂分析機加工缺陷機加工不當腐蝕產(chǎn)物環(huán)境腐蝕磨損產(chǎn)物微動摩擦化學成份冶煉工藝不當力學性能不合格金相組織冶煉、鍛造或熱處理工藝不當疲勞裂紋源發(fā)生在車軸表面斷口面與軸向成45角扭轉載荷過大第二十一頁，共六十一頁。失效形式失效的原因磨耗鋼軌與車輪接觸面表層發(fā)生磨損。壓潰輪軌接觸壓應力使鋼軌表面發(fā)生塑性變形。剝離交變接觸應力使疲勞裂紋在鋼軌表層(次表層)形成擴展至剝落。疲勞裂紋或折斷交變應力引起疲勞裂紋的萌生,并可能進一步擴展至斷裂。擦傷輪軌接觸面發(fā)生熱機械作用,導致組織產(chǎn)生相變，由珠光體組織轉變成馬氏體組織。銹蝕腐蝕環(huán)境作用。鐵路鋼軌的失效鋼軌的失效行為第二十二頁，共六十一頁。軌頭側面磨耗軌頭踏面被壓潰及出現(xiàn)飛邊魚鱗狀裂紋和剝離坑鐵路全天候運行，行程長、工作條件較惡劣，磨耗、腐蝕、疲勞斷裂是其主要失效形式。第二十三頁，共六十一頁。鋼軌使用初期出現(xiàn)的縱向劈裂等主要與鋼軌的內(nèi)部和表面質(zhì)量有關，如非金屬夾雜物、白點、偏析、殘余縮孔、翻皮、折疊等引起的核傷。表面損傷（表面剝離、壓潰、擦傷、機械碰撞等）、鋼軌結構引起的局部高應力可能導致疲勞裂紋甚至折斷。軌頭嚴重磨耗、壓潰等則主要與鋼軌的強度與負荷有關。夾雜物引起的核傷斷口（白核）表面剝離引起的核傷斷口第二十四頁，共六十一頁。第二節(jié)材料的選用選材的動機

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)品的改進和更新?lián)Q代；零件過早失效甚至災難性事故發(fā)生后，需重新選材。第二十五頁，共六十一頁。選材的基本過程第二十六頁，共六十一頁。傳統(tǒng)設計把選材歸入設計過程的后期；根據(jù)前人的經(jīng)驗進行設計和選材；采用過大的安全系數(shù)；傾向于選用所謂“萬能材料”?，F(xiàn)代設計隨著設計理論的完善和設計過程的計算機化，材料在更加接近失效極限的范圍內(nèi)使用，選材的安全系數(shù)越來越小，難度越來越大。第二十七頁，共六十一頁。機械設計兩大基本步驟結構設計材料設計前者直觀，易評定和核驗；后者卻要復雜得多，隨設計者材料科學知識水平和經(jīng)驗的不同有很大差異。選擇材料和工藝實質(zhì)是一種極重要的“零件內(nèi)部組織結構設計”（材料設計）。本質(zhì)上說，機械產(chǎn)品的失效就是材料的失效。其分析有利于：改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高壽命提供改進措施；判定事故責任；杜絕類似事故發(fā)生提供依據(jù)。第二十八頁，共六十一頁。材料選用原則

使用性原則——

工藝性原則

經(jīng)濟性原則——

環(huán)境與資源原則根本原則首要原則第二十九頁，共六十一頁。使用性能原則—首要原則分析零件的工作條件；進行失效分析；確定零件對使用性能的要求；具體轉化為力學性能指標（如強度、韌性、塑性、硬度等）；根據(jù)工作應力、使用壽命或安全性，確定性能指標的具體數(shù)值。第三十頁，共六十一頁。利用具體性能指標時，必須注意幾個問題：材料的性能指標各有其物理意義。有的可直接用于設計計算，例如屈服強度等；有些則不能直接應用于設計計算，如沖擊韌性及塑性指標。在復雜條件下工作的零件，必須采用特殊性能指標作選材依據(jù)。材料的性能不能簡單等同于手冊上的某一個確定的數(shù)值。第三十一頁，共六十一頁。工藝性能原則

設計中所作出的選材決定必然會影響到整個生產(chǎn)過程的技術要求，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意義。機械制造—采用適當?shù)墓に嚪椒ǎ淖儾牧系男螤詈托再|(zhì)，獲得合格的零件并加以合理組裝的過程。流動成形、切削成形、連接成形在各階段會有變化，并可借助于熱處理及表面改性處理進行性能的重塑。制造過程的基本目的一定的形狀和尺寸一定的性能一定的精度第三十二頁，共六十一頁。金屬材料的工藝路線粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛坯預先熱處理零件切削加工最終熱處理第三十三頁，共六十一頁。高分子材料的工藝路線有機物原料或型材成形加工切削加工零件焊接等熱壓、注塑、擠壓、噴射、真空成形等第三十四頁，共六十一頁。陶瓷材料的工藝路線粉末成形加工配料壓制燒結磨削加工零件熱處理第三十五頁，共六十一頁。經(jīng)濟性原則

——根本原則產(chǎn)品消費的總成本購置價格使用成本固定成本制造廠利潤維護費維修費保險費折舊費日常開支行政費批發(fā)與零售費研究與開發(fā)費可變成本（生產(chǎn)成本）基本材料成本制造成本第三十六頁，共六十一頁?；静牧系某杀驹谠S多工業(yè)產(chǎn)品中，材料的價格約占產(chǎn)品價格的30~70%。提煉和制取的成本；礦物資源的儲量、開采成本、礦石品位等；材料的提純、合金化（合成）成本；加工增值成本；供求關系所造成的價格波動。第三十七頁，共六十一頁。我國常用金屬材料的相對價格材料相對價格材料相對價格普通碳素結構鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結構鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結構鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結構鋼（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5~15第三十八頁，共六十一頁。目前在機械制造業(yè)中，我國鋼材平均利用率為65%，而美國達到80%。我國材料費用在機械產(chǎn)品成本中占的比例，普遍高于國外同類產(chǎn)品的比例。因此通過采用少、無切屑工藝，大幅度降低材料消耗的成本，對于我國制造業(yè)而言具有尤為重要的意義。第三十九頁，共六十一頁。環(huán)境與資源原則

能源和資源消耗少重要金屬的世界儲量（2004年）儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751第四十頁，共六十一頁。世界能源儲藏量（2004年）

種類項目石油天然氣煤鈾可開采儲量9970億桶138萬億m31，039，272噸200萬噸可開采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳>70%第四十一頁，共六十一頁。環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量第四十二頁，共六十一頁?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下的材料選擇

選擇綠色材料

綠色材料：在生產(chǎn)、使用、報廢及回收處理再利用過程中，能節(jié)約資源和能源，保護生態(tài)環(huán)境和勞動者本身，易回收且再生循環(huán)利用率高的材料或材料制品。其主要特點：材料本身性能的先進性；材料使用的舒適性；材料的綠色特性，或稱環(huán)境協(xié)調(diào)性。包括生產(chǎn)過程中的資源與能源耗損低、使用時低污染或無污染、報廢后易回收再生且循環(huán)利用率高。太陽能利用材料、氫能利用材料、地熱能利用材料等也是屬于具有綠色特性的新型材料。第四十三頁，共六十一頁。減少所用材料種類

盡量避免選用多種不同的材料、或采用易拆卸分離的結構設計，以便產(chǎn)品維修或報廢后的回收、分類和再利用。如設計一個金屬工具箱時，在結構上既要避免采用不同的金屬焊接，又要提倡將工具箱設計成可分拆的、獨立的多個分部箱體組成，且每個獨立分箱只宜用一種材料。盡量選用不加涂、鍍層的原材料

現(xiàn)代產(chǎn)品設計中為了美觀、耐蝕等目的，大量使用涂、鍍材料。這不僅給產(chǎn)品報廢后的材料回收、利用帶來了困難，而且大部分涂料本身就有毒，且涂、鍍工藝過程也給環(huán)境帶來了極大的污染。如涂料揮發(fā)毒性溶劑氣體，電鍍時產(chǎn)生的含鉻等重金屬的廢液、廢渣污染等。

第四十四頁，共六十一頁。產(chǎn)品報廢后能自然分解并為自然界吸收的材料

報廢產(chǎn)品若不易分解且難于為自然界吸收，將對環(huán)境產(chǎn)生極大的污染。高分子材料的加工和使用后的廢棄物就屬此例，尤其是塑料包裝材料造成的污染極為嚴重。現(xiàn)在國內(nèi)外均在研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包裝材料和農(nóng)用薄膜，這種新型塑料在廢棄后，能在一定的時間內(nèi)經(jīng)光合作用而脆化、降解成碎片，再經(jīng)自然界的侵蝕進入土壤而被微生物消化(即生化作用)，不再給環(huán)境造成污染。選用易回收再生的材料

廢棄材料若易回收再生，既可減輕環(huán)境污染，又利于資源的再利用，節(jié)約能源，減少廢棄垃圾占放地，社會效益和經(jīng)濟效益好。

第四十五頁，共六十一頁。第三節(jié)典型零件的選材第四十六頁，共六十一頁。齒輪工作時的受力情況由于傳遞扭矩，齒根部承受較大的交變彎曲應力；齒面相互滾動和滑動，承受較大的接觸應力并產(chǎn)生強烈的摩擦；在換擋、啟動或嚙合不良時，齒部承受一定的沖擊載荷；因加工、安裝不當或齒、軸變形等引起的齒面接觸不良，以及外來灰塵、金屬屑等硬質(zhì)微粒的侵入，都會成為附加載荷使工作條件惡化。齒輪的主要失效形式

根據(jù)齒輪的工作條件，其主要失效形式是斷齒，齒面剝落、磨損及過量塑性變形等。

齒輪類零件的選材第四十七頁，共六十一頁。齒輪對材料性能的要求

根據(jù)齒輪的受力情況和失效形式，要求齒輪應具備：具有高的接觸疲勞強度；高的彎曲疲勞強度，特別是齒根處要有足夠的強度；高的齒面硬度和耐磨性；足夠的心部強度和韌性；淬火變形及組織內(nèi)部缺陷控制在允許的范圍內(nèi)等。

第四十八頁，共六十一頁。齒輪常用材料及選用

齒輪的選材主要依據(jù)其工作條件（如圓周速度、載荷性質(zhì)與大小以及精度要求等）來確定。根據(jù)齒輪的性能要求，一般選用低、中碳鋼或低、中碳合金鋼，并對輪齒表面進行強化處理，使輪齒表面有較高強度和硬度，心部有較好的韌性。此類鋼材的工藝性良好，價格較便宜。速度較小的齒輪，常選用非鐵金屬材料，如儀器儀表齒輪常選用黃銅、鋁青銅等，隨著高分子材料性能的不斷完善，工程塑料制的齒輪也在越來越多的場合得到應用。對于一些輕載、低速、不受沖擊、精度和結構緊湊要求不高的不重要的齒輪，常選用鑄鐵并適當熱處理。近年來球墨鑄鐵應用范圍越來越廣，對于潤滑條件差而要求耐磨的齒輪及要求耐沖擊、高強度、高韌性和耐疲勞的齒輪，可用貝氏體球墨鑄鐵代替滲碳鋼。

第四十九頁，共六十一頁。機床齒輪的選材

機床齒輪主要用于傳遞動力，改變運動速度和方向，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊，轉速也不很高，工作條件較好。一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造，如40鋼，45鋼，40Cr，42SiMn等，經(jīng)調(diào)質(zhì)（或正火）、高頻感應加熱淬火、低溫回火即可達到使用要求。隨著機床工業(yè)的發(fā)展，機床中也出現(xiàn)了高速且承受沖擊載荷較大的重要齒輪（如立式車床上的一些齒輪），這種情況下，宜選20CrMnTi、20Ｃr等合金滲碳鋼制造，經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火處理使之達到使用要求。

齒輪選材的具體實例第五十頁，共六十一頁。下料→齒坯鍛造→正火（850～870℃空冷）→粗加工→調(diào)質(zhì)（840～860℃油淬，600～650℃回火）→精加工→高頻感應加熱淬火（860～880℃高頻感應加熱，乳化液冷卻）→低溫回火（180～200℃回火）→精磨。機床齒輪的工藝路線臥式車床主軸箱中三聯(lián)滑動齒輪

第五十一頁，共六十一頁。JN–150型載重汽車變速箱齒輪工作條件工作負荷大；高速運轉(10～15m/s以上)；受沖擊頻繁，磨損較嚴重。技術要求齒面硬度HRC58～62，金相組織為回火馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體。齒心部硬度HRC35～45，金相組織為回火馬氏體(低碳)+鐵素體+細珠光體。第五十二頁，共六十一頁。選材:20CrMnTi工藝路線下料鍛造正火機械加工滲碳淬火低溫回火噴丸磨齒。

第五十三頁，共六十一頁。軸工作時的受力情況由于傳遞扭矩，承受一定的交變彎矩和拉、壓載荷；軸頸承受較大的摩擦；承受一定的沖擊載荷。軸的主要失效形式

根據(jù)軸的工作條件，其主要失效形式是疲勞斷裂、折斷、扭斷及軸頸或花鍵處過度磨損等。

軸類零件的選材第五十四頁，共六十一頁。軸常用材料及選用

軸的選材主要依據(jù)其工作條件來確定。不傳遞動力只承受彎矩起支撐作用，主要考慮剛度和耐磨性。以剛度為主，可以選用碳鋼或球墨鑄鐵；軸頸有較高耐磨性要求的，選用中碳鋼并表面淬火，硬度提高到HRC52以上。主要承受彎曲、扭轉的軸，如變速箱傳動軸、發(fā)動機曲軸、機床主軸等。一般選用中碳鋼，45鋼、40Cr、40MnB等；精度要求高的，常選