機械工程材料 第8章 第八章 失效分析、材料選擇及熱處理工藝

1、1 Mechanical Engineering Materials 2 8.1 8.1 零件的失效分析零件的失效分析 8.2 8.2 零件設(shè)計中的材料選擇零件設(shè)計中的材料選擇 8.3 8.3 典型零件、工具的材料選擇與熱處理工藝典型零件、工具的材料選擇與熱處理工藝 第八章第八章 失效分析、材料選擇及熱處理工藝失效分析、材料選擇及熱處理工藝 3 8.1 8.1 零件的失效分析零件的失效分析 8.1.1 失效的概念與形式 8.1.2 失效的原因及分析 8.1.3 失效分析實例 4 失效分析的重要性失效分析的重要性 零件失效是不可避免的。任何一個零件，都有其設(shè)計壽命。 但有些零件可能會因各種原因，

2、其運行壽命遠遠低于設(shè)計 壽命就發(fā)生早期失效，從而帶來嚴重安全隱患，甚至釀成 重大事故。 1943年美國 T-2油輪斷裂 5 u零件喪失使用功能，稱為失效。 u正常失效：零件在達到或超過設(shè)計的預期 壽命后 發(fā)生的失效。 u非正常失效：在低于設(shè)計預期壽命時發(fā)生的失效。 u突發(fā)性失效：例如:橋梁倒塌、油輪斷裂等 失效的概念失效的概念 6 零件常見的失效形式一般可分為斷裂失效、過量變形失效和 表面損傷失效三大類。 （1）斷裂失效 零件失效的主要形式，也是最嚴重的失效形式，它是因零件 承載過大或因疲勞損傷等發(fā)生破斷。 （2）過量變形失效 指零件變形量超過允許范圍而造成的失效，主要有過量彈性 變形失效和過

3、量塑性變形失效。 失效的形式失效的形式 7 （3 3）表面損傷失效）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。 除上述幾種失效形式外，材料的老化也會導致失效。 例如，高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變 硬或變軟、變黏，從而失去原有性能指標，通常稱為 高分子材料的老化高分子材料的老化。 老化是高分子材料不可避免的現(xiàn)象。 8 （1）設(shè)計不合理 （2）選材不合理 （3）裝配使用不當 （4）加工工藝不當 失效的原因失效的原因 9 失效分析方法失效分析方法 （1）取樣，先拍照記錄現(xiàn)場，再收集失效零件殘體，確 定分析區(qū)域，樣品應取自失效的發(fā)源部位，或

4、能反映失效 的性質(zhì)或特點的地方。 （2）整理失效零件的有關(guān)資料，包括設(shè)計文件、工藝文 件及使用維修記錄等。 （3）對樣品進行宏觀、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。 10 （4）測定樣品的必要數(shù)據(jù)，包括設(shè)計性能指標及與失效 有關(guān)的性能指標，材料的組織及化學成分。必要時作斷 裂力學分析。 （5）綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效的具體原 因，提出改進措施，寫出分析報告。 11 某型號面包車正常行駛256km后，半軸發(fā)生斷裂。 失效分析實例失效分析實例 12 斷裂汽車半軸的材料為40Cr，直徑為48mm。 加工制造工藝過程為： 下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精車、鉆孔、制齒鍵

5、 中頻淬火、回火磨削探傷。 13 取樣、觀察和測試： 在凸緣與桿連接的軸臺階轉(zhuǎn)角處起裂， 并向內(nèi)擴展至軸的中心部位最后斷裂。 整個斷口呈斜坡狀，未見明顯塑性變 形，斷面顏色為暗灰色，靠近斷裂源 的斷面較平整，宏觀可見明顯的貝紋 線，具有疲勞斷裂特征，為裂紋擴展 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)。 14 在斷裂源附近取樣，經(jīng)鑲嵌、磨光、拋光后制成金相試樣。用 掃描電鏡進行夾雜物觀察，斷口表面處存在較多的非金屬夾雜 物，主要有A類條狀硫化物夾雜和D類球狀氧化物夾雜。 15 能譜分析： 因夾雜物數(shù)量多、尺寸大，用能譜儀對夾雜物成分進行 分析后發(fā)現(xiàn)球形夾雜物為復

6、合氧化物，其成分與冶煉爐渣相 近。 原因： 由于采用上鑄法澆注時爐渣容易混于鋼液中，小鑄錠的 凝固較快，沒有足夠的時間使其浮出而殘留下來的。而條狀 硫化物夾雜主要為硫化鐵和硫化錳，是由于鋼材在軋制時發(fā) 生變形所致。 16 下圖為半軸斷口的掃描電鏡（SEM）形貌，可見裂紋源處 的斷口呈典型的脆性斷裂特征，沒有觀察到具有塑性特征 的韌窩。 17 顯微組織為粗大的回火馬氏體；在凸緣與桿連接的軸臺 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 個表面裂紋源，裂紋先沿表面擴展，然后轉(zhuǎn)向垂直于表 面生長。 18 原因分析之一： 材料本身質(zhì)量較差，較大尺寸和較好數(shù)量的非金屬夾雜物 的存在不僅降低了鋼的塑

7、性、韌性，同時破壞了鋼基體的 均勻性、連續(xù)性，成為疲勞源，在外力作用下，沿夾雜物 與其周圍金屬基體的界面開裂，形成疲勞裂紋。 19 原因分析之二： 斷裂半軸經(jīng)熱處理，得到粗大回火馬氏體，說明中頻淬火 溫度相對較高，引起晶粒粗大；回火時間過短，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 行精加工時，加工余量太小，未能把脫碳層去除掉。 20 結(jié)論： 主要原因是半軸凸緣與桿連接的軸臺階處表面存在脫碳 層，在高的扭轉(zhuǎn)疲勞剪應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，中頻感應淬火溫度偏高且回火不足，使材料的綜 合力學性能變差，使表面萌生的裂

8、紋在應力作用下迅速 擴展，導致半軸發(fā)生早期疲勞斷裂。 21 8.2 8.2 零件設(shè)計中的材料選擇零件設(shè)計中的材料選擇 u 選材的基本原則 u 選材的一般步驟及注意事項 22 選材的基本原則 u使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。 u工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。 u經(jīng)濟性：是指材料加工成零件，它的生產(chǎn)和使用總成 本最低。總成本包括材料本身的價格、加工費、試驗 研究費、維修管理費等費用，有時甚至還要包括運費 和安裝費用。 23 選材的一般步驟及注意事項 u從材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性三個方面進行綜合分析， 在滿足使用性能要求的前提下，考慮工藝性能和經(jīng)濟性。 24 根據(jù)使用性能

9、選材： （1）分析零件的工作條件 （2）分析零件的失效形式 （3）將對零件的使用性能指標要求轉(zhuǎn)化為對材料 性能指標的要求 （4）材料預選（了解常用材料的主要特性） 25 根據(jù)工藝性能選材： 如果所選材料制備工藝復雜或難以加工，必然帶來生 產(chǎn)成本提高，嚴重時材料無法使用。當工藝性能與使用性 能相矛盾時，有時也從工藝性能考慮，這時工藝性能成為 選材考慮的主導因素。 26 根據(jù)經(jīng)濟性能選材： 選材時應立足于國內(nèi)和較近地區(qū)的資源，考慮貨源 的生產(chǎn)和供應情況，所選材料的品種、規(guī)格，應盡量少 而集中，盡可能采用標準化、通用化的材料，以便于采 購、運輸、保管、生產(chǎn)管理，同時也可降低材料成本、 減少運輸、試驗

10、研究費用。 27 8.3 8.3 典型零件、工具的選材與熱處理工藝典型零件、工具的選材與熱處理工藝 8.3.1 軸類零件 8.3.2 齒輪類零件 8.3.3 彈簧類零件 8.3.4 箱體類零件 8.3.5 常用刃具 28 8.3.1 軸類零件的選材及熱處理工藝 作用作用：支撐傳動零件；傳遞運動和動力。 種類種類：如各種傳動軸、機床主軸、齒輪軸、凸輪 軸、曲軸、連桿、絲桿等。 軸的質(zhì)量好壞直接影響機器的精度與壽命 29 1、軸類零件的工作條件 主要承受彎曲應力、扭轉(zhuǎn)應力拉壓應力；軸頸表面易產(chǎn) 生過量的磨損；多數(shù)軸類零件承受一定的沖擊載荷和過 載產(chǎn)生過量彎曲變形，甚至發(fā)生折斷或扭斷。 2、軸類零件

11、的失效形式 疲勞斷裂、斷裂失效、過量變形和磨損失效等。 30 3、軸類零件的性能要求 良好的綜合力學性能； 高的疲勞強度； 高的表面硬度和良好的耐磨性； 良好的切削加工性。 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。 31 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。有時也 采用球墨鑄鐵件、鑄鋼件或焊接件。例如，對于受力小或 不重要的軸，采用Q235鋼、Q275鋼等；對于承受中等載荷， 轉(zhuǎn)速不高的軸，采用35鋼、45鋼等。 32 45鋼為常用的中碳鋼，鍛造性能和切削加工性能好，價格 適當，故一般軸類零件常選此牌號。對于承受載

12、荷較大者 ，可選用40Cr等中碳合金鋼。也有用球墨鑄鐵制造機床主 軸的，如用QT700-3球墨鑄鐵制作磨床、銑床、車床的主 軸等。 33 5 軸類零件的加工工藝路線 較有代表性的： （1）下料鍛造正火（退火）粗加工調(diào)質(zhì) 精加工檢驗 （2）下料鍛造正火（退火）粗加工調(diào)質(zhì) 半精加工表面淬火精加工檢驗 （3）下料鍛造正火粗加工半精加工滲 碳淬火并低溫回火精加工檢驗 （4）下料鍛造退火粗加工調(diào)質(zhì)半精加 工去應力回火粗磨氮化精加工檢驗 34 例1 機床主軸的選材與工藝路線 6 6 典型軸類零件的選材示例 35 車床主軸，工作時承受應力不大。主軸大端內(nèi)錐孔和錐度外 圓，經(jīng)常與卡盤、頂針有相對摩擦；花鍵部分

13、與齒輪有相對 滑動，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。選用45鋼制作。 36 工藝路線： 下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工（除花鍵外） 局部表面淬火（錐孔與外圓錐面）回火粗磨（外圓、 錐孔與外圓錐面）銑花鍵花鍵高頻感應淬火回火精 磨（外圓、錐孔與外圓錐面）檢驗。 37 例2 曲軸的選材與工藝路線 在內(nèi)燃機中，曲軸承受沖擊和扭轉(zhuǎn)，因此曲軸承受很大 的彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力。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)燃機曲軸、常選用45鋼或球墨鑄鐵。 38 工藝路線： 選用中碳鋼或中碳合金鋼時： 下

14、料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)半精加工軸頸表 面淬火、低溫加火精加工檢驗。 選用球墨鑄鐵時： 熔煉鑄造正火高溫回火機加工軸頸表面淬火、 低溫加火精磨檢驗。 39 1、齒輪類零件的工作條件 齒輪運轉(zhuǎn)時，兩個相互嚙合的輪齒之間通過一個狹小的接 觸面?zhèn)鬟f動力和運動，因此，齒面上要承受很大的接觸應 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 的彎曲應力超過材料的抗彎曲強度引起。 8.3.2 齒輪的選材及熱處理工藝 40 （2）齒面磨損 齒面接觸區(qū)強烈的滾動和滑動摩擦或 者外部硬質(zhì)磨粒的侵入引起齒面磨損失效等現(xiàn)象。 （3）表面疲勞剝落（點蝕） 因表面疲勞而使齒面表 層產(chǎn)

15、生點狀、小片剝落的破壞。 （4）齒面塑性變形 齒輪強度不夠、齒面硬度低時， 在低速、重載和啟動、過載頻繁的齒輪中容易產(chǎn)生。 41 3、齒輪類零件的性能要求 （1）高的接觸疲勞強度，齒面應有高的強度、硬度和耐 磨性，防止疲勞破壞和表面損傷。 （2）高的抗彎曲強度，輪齒心部要有足夠的強韌性，防 止過載斷裂。 （3）較好的工藝性能，淬火變形小。 此外，在齒輪副中，兩齒輪齒面硬度應有一定差值，因小 的齒輪的齒根薄，齒輪受載次數(shù)多，故應比大齒輪硬度高 些。 42 4、齒輪類零件的常用材料 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。 單件或小批量生

16、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，常采用鑄鋼件或球墨鑄鐵。 43 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 受力不大或在無潤滑條件下工 作的齒輪，可選用尼龍、聚碳 酸脂等高分子材料來制造 44 5、齒輪類零件的加工工藝路線 （1）下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工高頻 淬火及低溫回火精加工檢驗 （2）下料鍛造正火機加工滲碳（碳氮共滲） 淬火及低溫回火噴丸磨削檢驗 45 l6、典型齒輪類零件的選材示例 例1 機床齒輪的選材與工藝路線 l車床的傳動齒輪，工作時受力不大，轉(zhuǎn)速

17、中等，工作較平 穩(wěn)，無強烈沖擊。因此，對強度和韌性要求均不太高，一 般用中碳鋼制造，如45鋼；對于性能要求較高，如受力較 大時，可選用40Cr鋼等中碳合金鋼。經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理， 再進行高頻感應加熱淬火表面強化處理，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、 低溫回火拉花鍵孔精磨檢驗。 46 例2 汽車、拖拉機齒輪的選材與工藝路線 在變速箱中的齒輪用于傳遞轉(zhuǎn)矩，改變發(fā)動機、曲軸 和主軸齒輪的傳動速度比。在差速器中齒輪用來增加 扭轉(zhuǎn)力矩并調(diào)節(jié)兩車輪的轉(zhuǎn)速，將動力傳遞到主動輪， 推動汽車、拖拉機運行。工作條件遠比機床齒輪惡劣， 受力較大，超載荷和受沖擊頻繁。因此，在耐磨性、

18、疲勞強度、抗沖擊能力等方面的要求比機床齒輪高。 這類齒輪通常選用合金滲碳鋼制造。 如20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等。 47 工藝路線： 下料鍛造正火機加工滲碳淬火低溫回火 噴丸磨削檢驗。 48 8.3.3 彈簧類零件的選材及熱處理工藝 通過產(chǎn)生及恢復變形，把機械功或動能轉(zhuǎn)換為形變 能，或者，把形變能轉(zhuǎn)換為動能或機械功，以便達 到緩沖、減震、控制運動或復位、儲能及測量等目 的。 通常按彈簧的制作方法分為： 冷成形彈簧和熱成形彈簧兩大類。 49 1、彈簧類零件的工作條件 普通機械用彈簧一般是在室溫或較高工作溫度、大氣條件下 承受負荷。 2、彈簧類零件的失效形式 （1）變形失效

19、彈簧在工作過程中發(fā)生變形，往往影響產(chǎn) 品的靈敏度和可靠性。 （2）斷裂失效 分為脆性斷裂、塑性斷裂、疲勞斷裂、應 力腐蝕斷裂及腐蝕疲勞斷裂。 50 3、彈簧類零件的性能要求 （1）高的彈性極限和高的屈強比。 （2）高的疲勞強度，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）應具有特殊性能。 51 4、彈簧類零件的常用材料 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（鎳基、鈦基及鈷基合金、高彈性高導電的銅基 合金）。非金屬彈性材料有橡膠、塑料、陶瓷及流 體等。 52 5、彈簧的熱處理 （1）一般通過冷拔

20、（或冷拉）、冷卷成型。冷卷后的彈 簧不需進行淬火，只需進行一次去應力退火和穩(wěn)定尺 寸的定型處理。 （2）通常在熱卷后進行淬火加中溫回火處理。 53 6、強化處理 （1）形變熱處理 提高彈簧的綜合力學性能、疲勞性能和 抗應力松弛性能。 （2）化學熱處理 滲碳和碳氮共滲等化學熱處理。提高彈簧 表層硬度、耐磨性、耐腐蝕性、殘余壓應力及疲勞壽命。 （3）噴丸處理 通常采用噴丸處理進行表面強化，安排在成 型及熱處理后進行。 54 7 7、典型彈簧的熱處理 l圖8.13為拖拉機卡圈，是線彈簧中 最簡單的一種零件，直徑小、結(jié)構(gòu) 簡單，可選用碳素彈簧鋼絲冷卷成 形，如65鋼。 55 工藝路線： （1）單件成形：下料冷卷成形端部加工及整平去 應力退火發(fā)黑檢驗 （2）連續(xù)成形：盤料通過自動卷簧機功用車床繞制成形 單個彈簧切斷磨兩端面、去毛刺整平去應力退 火檢驗表面防銹處理 去應力退火工藝 :鹽浴爐32020 56 8.3.4 箱體類零件的選材及熱處理工藝 1、箱體類零件的工作條件 一般有較好的剛度和減振性；工作臺、導軌等零件則 要求有較好的耐磨性和減振性；有些機器的機身、支架 往往同時承受壓、拉和彎曲應力的聯(lián)合作用。 57 2、箱體類零件的失效形式 變形失效、斷裂失效、磨損失效