第九章材料的機械性能及機械零件的失效與選材

第九章材料的機械性能及機械零件的失效與選材分析9.1零件的失效9.1.1失效的概念定義：指零件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而失去原設(shè)計的效能。一般零件在以下三種情況下都認為已失效：（1）零件完全不能工作；（2）能工作但不能完成指定功能；（3）零件嚴重受損不能安全使用。9.1.2失效的形式（1）變形失效：過量彈性變形或塑變，高溫蠕變；（2）表面損傷失效：過量磨損，表面龜裂，麻點剝落（表面疲勞失效）（3）斷裂失效：包括靜載或沖擊載荷斷裂，疲勞斷裂，低應(yīng)力脆斷。9.1.3失效的原因設(shè)計不合理、選材錯誤、加工工藝不當(dāng)、安裝使用不良。9.1.4失效分析方法（1）收集失效零件的殘體，觀察記錄損壞的情況；（2）了解零件的工作環(huán)境和失效經(jīng)過，判斷損壞的順序；（3）審查有關(guān)零件的設(shè)計、材料、加工、安裝、使用、維護等資料；（4）試驗研究（如有選擇地進行化學(xué)成分分析、斷口分析、金相分析、機械性能測試、斷裂力學(xué)分析、應(yīng)力分析），取得數(shù)據(jù)；（5）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析判斷。9.2零件選材原則選用的材料必須以滿足零件的使用性能為前提，再考慮工藝性和經(jīng)濟性。9.2.1使用性能原則使用性能：指零件在正常工作情況下，材料應(yīng)具備的性能（機械、物理、化學(xué)性能）。一般零件主要考慮機械性能（即力學(xué)性能）。要正確分析零件的工作條件和主要失效形式，找出主要力學(xué)性能指標，由力學(xué)計算確定具體數(shù)值。工作條件包括：（1）受力狀況；（2）環(huán)境狀況，如高低溫；（3）特殊要求，如導(dǎo)電，外觀等。9.2.2工藝性能原則工藝性能：表示材料加工的難易程度。包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性能等。9.2.3經(jīng)濟性原則一般在滿足使用性能的前提下，盡量優(yōu)先選用價廉的材料，能用碳鋼的，不用合金鋼，從而降低總成本，取得最大的經(jīng)濟效益。9.3選材的步驟及具體方法9.3.1選材的步驟（1）分析零件工作條件及失效形式，找出零件使用中的主要失效抗力指標作為選材的依據(jù)；（2）根據(jù)力學(xué)計算，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標，來選材；（3）決定熱處理方法；（4）審核所選此材料的經(jīng)濟性；（5）試驗、投產(chǎn)。9.3.2零件選材的具體方法（1）以綜合力學(xué)性能為主進行選材

如鍛模、螺栓、連桿，要求整個截面淬透，一般可采用調(diào)質(zhì)或正火狀態(tài)的碳鋼；調(diào)質(zhì)或滲碳合金鋼。正火或等溫淬火狀態(tài)的球墨鑄鐵。

（2）以疲勞強度為主選材如傳動軸及齒輪等零件，提高疲勞強度最有效的方法是進行表面處理，如調(diào)質(zhì)鋼表面淬火，或選滲碳鋼或滲氮鋼；并對表面應(yīng)力集中易產(chǎn)生疲勞裂紋的地方噴丸。（3）以磨損為主的選材量具、刀具等應(yīng)選過共析鋼如T10，T12A等；同時受磨損與循環(huán)、沖擊載荷的零件，如傳動齒輪、凸輪等可選合金滲碳鋼如20CrMnTi等；也可選中碳合金鋼（38CrMoAlA）滲N處理

；高應(yīng)力和大沖擊載荷作用下的零件（如坦克履帶等），可選高錳鋼。9.4典型零件的選材實例分析金屬材料具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和某些物理、化學(xué)性能，被廣泛用于制造各種重要的機械零件和工程結(jié)構(gòu)。從應(yīng)用看，機械零件的用材主要是鋼鐵材料。9.4.1齒輪類零件的選材1、工作條件（1）齒輪工作時，嚙合面承受高的接觸載荷與強烈的摩擦。（2）傳遞動力時，齒根處承受較高的彎曲應(yīng)力。（3）換檔、啟動或嚙合不均勻時，承受沖擊載荷。2、主要失效形式斷齒、齒面剝落（麻點剝落、淺層剝落、深層剝落）及磨損等。3、對齒輪材料性能的要求（主要性能）（1）具有高的接觸疲勞強度，使齒面受接觸應(yīng)力后不致發(fā)生麻點剝落。（2）高的彎曲疲勞強度，特別是齒根處要有足夠的強度。（3）齒心部足夠的強度和韌性。4、齒輪選材具體實例（1）機床齒輪選材與礦山機械中的齒輪比，其運轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、載荷較小，屬工作條件較好的齒輪。常用材料有中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼（即調(diào)質(zhì)鋼）；以及滲碳鋼兩類。①中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼中，最常用的是45鋼和40Cr鋼。一般，45鋼用于中小載荷齒輪，如溜板箱齒輪。高頻表面淬火＋低回，硬度可達52－58HRC。40Cr鋼用作中等載荷齒輪，如銑床工作臺變速箱齒輪，高頻表面淬火＋低回，硬度也達52－58HRC，但淬透性好。②滲C鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等.一般用作承受高速高載荷和有沖擊作用的齒輪。滲C＋淬火＋低回。中碳鋼或中碳合金鋼齒輪常采用如下加工工藝：下料－鍛造－正火或退火－機械粗加工－調(diào)質(zhì)處理－精加工－高頻淬火＋低回（或滲N）－精磨。（2）汽車、拖拉機齒輪選材該齒輪主要分裝在變速箱中，通過它改變發(fā)動機、曲軸和主軸齒輪轉(zhuǎn)速，其工作條件比機床齒輪繁重的多。所以，耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌性等方面都有更高要求。選用滲C鋼經(jīng)滲C、淬火＋低回最合適。以解放牌載重汽車一速齒輪為例，分析選材及熱處理。該齒輪擔(dān)負將發(fā)動機動力傳遞到后輪及倒車作用，工作時承載、磨損、沖擊均較大。所以，要求表面高的耐磨性與疲勞強度；而心部則是高強度和韌性。15、20Cr淬透性低，心部達不到要求，而20CrMnTi淬透性好,且不易過熱，可直接淬火，變形小。另外，作為低碳低合金鋼，可鍛性好，鍛后正火，硬度180－207HB，切削加工性好。加工工藝路線：下料－鍛造－正火－粗加工，半精加工－滲C、淬火＋低回－噴丸－磨齒。9.4.2機床主軸的選材1、工作條件（1）承受摩擦與磨損：特別軸頸部分;（2）承受多種載荷：如彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等。2、失效形式和性能要求（1）疲勞斷裂－主要由彎扭交變載荷引起；（2）斷裂－大載荷沖擊；（3）軸頸磨損。

所以，要求主軸具有綜合力學(xué)性能，即強度、塑韌性（防止沖擊和過載），疲勞強度和局部高硬度、耐磨性。

3、主軸選材的一般原則主軸材料和熱處理選擇，主要靠工作條件及技術(shù)要求決定：（1）承受一般載荷、轉(zhuǎn)速不高、沖擊與循環(huán)載荷較小時，可選中碳鋼調(diào)質(zhì)或正火處理；要求更高的，可選合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理；對表面要求耐磨的部位，調(diào)質(zhì)后需表面淬火。比如，對輕載或中等載荷、磨損較輕、沖擊不大，選用45鋼；對輕載或中等載荷、磨損嚴重并受沖擊載荷作用，可選用40Cr、40MnVB鋼調(diào)質(zhì)或正火處理，在需要高硬度的部位表面淬火。（2）而對于中等或重載荷、磨損嚴重且受沖擊，但精度要求不高的，可選用20CrMnTi鋼滲碳淬火。（3）受力較小，但要求高精度和高的表面粗糙度的精密機床主軸，可選用38CrMoAlA鋼調(diào)質(zhì)后滲N處理。4、主軸選材具體實例以C620車床主軸為例，分析選材及熱處理方法和工藝路線。該主軸承受交變彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，但因載荷及轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，所以具有一般綜合力學(xué)性能即可。但主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，因經(jīng)常與卡盤、頂尖有相對摩擦，軸頸與軸瓦之間的摩擦（滑動軸承），而在滾動軸承