金屬材料及工藝課件 第8章

第8章機(jī)械零件的失效與選材原則8.1機(jī)械零件的失效及失效分析失效（Failure）主要指某零件于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能的變化而不能完滿地完成指定的功能。包括：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作。雖能安全工作，但不能滿意地取得預(yù)期效果。零件嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作不安全。失效形式變形失效斷裂失效表面損傷零件的失效形式變形失效與選材彈性變形失效：不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。受拉、壓的桿類零件，過大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過載；受彎、扭的軸類零件，過大的彈性畸變量會(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，過大的彈性畸變量使精度無法保證。防止彈性變形的主要措施：增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載。塑性變形失效：外加應(yīng)力超過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)房梁承載過重發(fā)生塑性變形彎曲，導(dǎo)致倒塌；螺栓嚴(yán)重過載被拉長(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。

斷裂失效斷裂失效機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。斷裂失效的分類塑性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂蠕變失效斷裂塑性斷裂：斷裂前有明顯的塑性變形。宏觀特征

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。

微觀特征

韌窩是金屬韌性斷裂的微觀主要特征，是塑性變形產(chǎn)生的顯微空洞生成、長(zhǎng)大、聚集、相互連結(jié)導(dǎo)致斷裂留下的痕跡。脆性斷裂：斷裂前無塑性變形；脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱為低應(yīng)力脆斷；脆性斷裂以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的0.1mm～1mm)作為源開始的；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）。宏觀特征：斷口一般與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口”(或很小)。微觀特征：脆性斷裂的微觀判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)。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)過較長(zhǎng)時(shí)間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。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)間而逐漸增大的過程，這種過程叫蠕變，產(chǎn)生的斷裂叫做蠕變斷裂。表面損傷零件在工作過程中，由于機(jī)械和化學(xué)的作用，使工作表面和表面附近的材料受到嚴(yán)重的損傷而導(dǎo)致的失效。分類磨損失效表面疲勞腐蝕失效磨損失效相互接觸的一對(duì)金屬表面，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬表面不斷發(fā)生損耗（產(chǎn)生磨屑）或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象稱為磨損。類型：磨粒磨損粘著磨損沖刷磨損腐蝕磨損磨粒磨損配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖粘著磨損兩個(gè)金屬表面的微凸部分在高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)、焊合，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)象稱為粘著磨損。

粘著磨損磨痕表面疲勞兩個(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)生材料疲勞而剝落的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。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，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。零件失效的原因設(shè)計(jì)因素：如設(shè)計(jì)有誤,則機(jī)械設(shè)備或零件將不能使用或過早失效。材質(zhì)因素：材質(zhì)除選材不當(dāng)外，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)工藝過程產(chǎn)生的缺陷是導(dǎo)致失效的重要因素。制造(工藝)因素：工藝制造條件往往是達(dá)不到設(shè)計(jì)要求而導(dǎo)致零件失效的一個(gè)重要因素。如零件在鍛造過程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋，焊接過程的未焊透、偏析、冷熱裂紋，鑄造過程的疏松、夾渣，機(jī)加工過程的尺寸公差和表面粗糙度不合適等。裝配及使用因素在安裝過程中，如達(dá)不到所要求的質(zhì)量指標(biāo)，如嚙合傳動(dòng)件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)，聯(lián)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。運(yùn)轉(zhuǎn)維修因素：首先是對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)的監(jiān)控是否準(zhǔn)確，定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行，再者，潤(rùn)滑條件是否保證,包括潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方法是否選得合適，潤(rùn)滑裝置以及冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。失效分析的步驟和方法現(xiàn)場(chǎng)勘查了解零件設(shè)計(jì)制造背景測(cè)試分析綜合分析，找出原因8.2機(jī)械零件選材的一般原則

機(jī)械零件正確選材的使用性能原則零件使用時(shí)的工作條件與失效形式受力狀況，主要是載荷的性質(zhì)(例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的分布等。環(huán)境狀況，主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。特殊要求，如對(duì)導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、比重、外觀等的要求。性能指標(biāo)要求的具體數(shù)值；利用手冊(cè)根據(jù)使用性能選材。確定使用性能指標(biāo)和數(shù)值確定力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)應(yīng)注意的問題由于零件所要求的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，不能簡(jiǎn)單地同手冊(cè)、書本中所給出的完全等同相待，還必須注意：材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)；材料的性能與加工處理時(shí)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)行適當(dāng)?shù)男拚徊牧系幕瘜W(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)本身都有一定波動(dòng)范圍。正確使用硬度指標(biāo)強(qiáng)度與韌性合理搭配KIC在選材中的應(yīng)用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，這是選材必須考慮的問題。經(jīng)濟(jì)性原則盡量降低材料及其加工成本

材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在許多工業(yè)部門中可占產(chǎn)品價(jià)格的30%～70%。用非金屬材料代替金屬材料零件的總成本

零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān),國(guó)家的資源和能耗等因素

8.3典型零件的選材與工藝8.3.1提高疲勞強(qiáng)度與耐磨性的選材與工藝18.3.2齒輪類與軸類零件的選材與工藝齒輪類零件的選材與工藝性能要求傳遞扭矩和調(diào)節(jié)速度，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力。換擋、啟動(dòng)，齒部承受一定沖擊載荷。齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力和摩擦力。齒輪的失效形式：疲勞斷裂、齒面磨損、齒面接觸疲勞破壞、過載斷裂齒輪用材的特點(diǎn)調(diào)質(zhì)鋼齒輪：耐磨性要求較高，沖擊韌度要求一般的硬齒面齒輪。對(duì)硬度要求不高的軟齒面齒輪滲碳鋼齒輪：用于制造速度高、重載荷、沖擊大的硬齒面齒輪，如汽車拖拉機(jī)變速齒輪軸類零件的選材工作條件和性能要求：軸主要是受交變彎曲、扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用；軸與軸上零件有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互間存在摩擦和磨損；軸在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)承受