第13章 零部件的失效與選材

第13章零部件的失效與選材

§13.1零部件的失效§13.1.1失效概念

機(jī)械零件由于種種原因喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象，稱(chēng)為失效。在以下情況下都認(rèn)為零件已經(jīng)失效：①零件可工作但不能完成指定的功能；②零件有損傷而不能繼續(xù)完全使用；③零件完全不能工作。達(dá)到預(yù)定壽命的失效稱(chēng)為正常失效。遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的不正常失效稱(chēng)為早期失效。13.1零部件的失效1§13.1.2失效的形式

零件的失效形式比較復(fù)雜，根據(jù)零件破壞的特點(diǎn)、所受載荷的類(lèi)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(lèi)型。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13.1零部件的失效2高溫蠕變零件失效計(jì)算錯(cuò)誤熱處理缺陷焊接缺陷結(jié)構(gòu)外形不合理工作條件估計(jì)錯(cuò)誤冷加工缺陷鑄鍛造缺陷安裝使用維護(hù)環(huán)境材料材質(zhì)低劣操作失誤過(guò)載使用維護(hù)不良安裝不良腐蝕低溫脆性加工設(shè)計(jì)選材不當(dāng)§13.1.3失效的形式3§13.1.4失效分析現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查失效特征服役條件失效部位取樣分析查閱相關(guān)原始資料制造過(guò)程的執(zhí)行情況冷熱加工質(zhì)量材料成分綜合分析解決方案正在使用和庫(kù)存件的解決方案臺(tái)架試驗(yàn)使用考驗(yàn)新生產(chǎn)件的解決方案原始資料的正確性13.1零部件的失效4§13.1.4.

1零部件失效分析實(shí)例齒輪的失效

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。（a）（b）

圖齒輪的輪齒的疲勞斷裂（宏觀）13.1零部件的失效5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(chēng)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13.2零部件的選材81、材料選用原則(一)使用性能原則——首要原則（二）工藝性能原則

（三）經(jīng)濟(jì)性原則——根本原則13.2零部件的選材9(一)使用性能原則(1)．分析零件的工作條件，確定使用性能工作條件是指：①零件的受力情況，如載荷形式、載荷性質(zhì)、摩擦狀況等；②環(huán)境狀況，如工作溫度、介質(zhì)等；③特殊要求，如導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性等。如重要齒輪，應(yīng)把疲勞強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞抗力、硬度作為主要性能指標(biāo)。(2)．進(jìn)行失效分析，確定使用性能即要找出產(chǎn)生失效的主導(dǎo)因素，為較準(zhǔn)確地確定零件主要性能提供實(shí)踐的可靠依據(jù)。（失效分析過(guò)程圖）13.2零部件的選材103．從零件使用性能要求提出對(duì)材料性能的要求①通過(guò)分析、計(jì)算，按數(shù)值從手冊(cè)的材料性能數(shù)據(jù)大致使用性能中進(jìn)行選材；②對(duì)高溫和腐蝕介質(zhì)中工作的零件，應(yīng)要求有良好的抗氧化性和耐蝕性；③對(duì)有特殊性能要求的零件，應(yīng)依據(jù)材料的物理性能和化學(xué)性能選材。13.2零部件的失效11（二）工藝性原則工藝性主要指：①鑄造性能包括流動(dòng)性、收縮性、偏析和吸氣性等；②壓力加工性能包括冷加工性能和熱加工性能；③焊接性能④切削加工性能⑤熱處理工藝性能13.2零部件的選材123.3經(jīng)濟(jì)性原則在滿(mǎn)足使用性能和工藝性能的前提下，選材時(shí)要注意價(jià)格便宜、成本低廉，還要注意加工費(fèi)用。13.2零部件的選材144．選材的程序（一般步驟）：

①在分析零件的服役條件、形狀尺寸與應(yīng)力狀態(tài)后,根據(jù)力學(xué)計(jì)算提出抗力指標(biāo)并確定技術(shù)條件。

②通過(guò)分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類(lèi)零件失效分析的結(jié)果，找出零件在實(shí)際使用中主要和次要的失效抗力指標(biāo),以此作為選材的依據(jù)。

③審核所選材料的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性（包括熱處理工藝成本等）。④試驗(yàn)、投產(chǎn)。（可用程序圖表示如下）零件材料的合理選擇按照以下步驟進(jìn)行：15選材的程序圖工作條件分析使用要求（可靠性耐用性等）幾何形狀及結(jié)構(gòu)要求載荷條件及周?chē)橘|(zhì)特性材料經(jīng)濟(jì)性材料主要抗力指標(biāo)材料工藝性技術(shù)條件制定材料的預(yù)選擇用設(shè)計(jì)計(jì)算方法評(píng)估預(yù)選擇材料的能力材料耐用性結(jié)構(gòu)尺寸合理性在應(yīng)力狀態(tài)下變形和抗斷裂能力材料最終選擇工藝性能試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)§13.2.2

選材實(shí)例一、軸類(lèi)零件的選材：

1.支撐軸上零件

2.傳遞轉(zhuǎn)矩

3.確定并保持軸上零件的軸向位置1.軸的用途及分類(lèi)：軸的用途軸的分類(lèi)按軸的形狀：按軸受載荷性質(zhì)按軸的工作頻率：剛性軸、撓性軸心軸：只受彎矩的軸傳動(dòng)軸：只受扭矩的軸轉(zhuǎn)軸：既受彎矩又受扭矩的軸1）軸的工作條件是：①承受交變扭轉(zhuǎn)及拉—壓載荷；②軸頸、花鍵等部位承受較大的摩擦和磨損；③承受一定的過(guò)載和沖擊載荷。2）軸的失效形式有：3）對(duì)軸的性能要求：斷裂、局部過(guò)度磨損。①足夠的強(qiáng)度、剛度和一定的韌性；②高的疲勞強(qiáng)度；③良好的切削加工性；④良好的耐磨性。2.工作條件、失效形式及性能要求3、軸的材料對(duì)軸材料的要求：

強(qiáng)度、剛度、耐磨性。⑴增大軸徑；改變材料及熱處理；⑵改進(jìn)軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強(qiáng)度；⑶改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。提高軸的強(qiáng)度的常用措施：碳鋼：價(jià)格低，對(duì)應(yīng)力集中不敏感，可以通過(guò)熱處理提高耐磨性。合金鋼：強(qiáng)度高耐磨性好，可以滿(mǎn)足特殊工作要求。球墨鑄鐵：價(jià)廉、對(duì)應(yīng)力集中敏感性低適于復(fù)雜外形的軸。

如C616車(chē)床主軸，工作時(shí)承受扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，載荷不大，轉(zhuǎn)速中等?？蛇x用45號(hào)鋼。4．軸的選材及工藝分析機(jī)床主軸⑴工作條件及技術(shù)要求⑵加工工藝路線(xiàn)：

下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)外圓、鉆中心孔、銑鍵槽→局部淬火（錐孔及外錐體）→車(chē)各空刀槽、粗磨外圓、滾銑花鍵→花鍵高頻淬火、回火→精磨（外圓、外錐體及內(nèi)錐孔）⑶熱處理工藝分析：③因內(nèi)錐孔和外圓錐面常與卡盤(pán)、頂尖相對(duì)摩擦，內(nèi)錐孔和外圓錐面經(jīng)鹽浴局部淬火和回火后硬度達(dá)到45HRC～52HRC。下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精車(chē)外圓、鉆中心孔、銑鍵槽→局部淬火（錐孔及外錐體）→車(chē)各空刀槽、粗磨外圓、滾銑花鍵→花鍵高頻淬火、回火→精磨（外圓、外錐體及內(nèi)錐孔）①正火：消除應(yīng)力，改善鍛造組織。②調(diào)質(zhì)處理（整體調(diào)質(zhì)）硬度為200HBS～230HBS，為回火馬氏體組織。目的是使主軸得到高的綜合機(jī)械性能。為了更好地發(fā)揮調(diào)質(zhì)的效果，故安排在粗加工之后。④花鍵部位采用高頻感應(yīng)加熱淬火和回火，以保證其耐磨和精度。齒輪是機(jī)械制造中最常見(jiàn)的傳動(dòng)件之一。①傳遞扭矩時(shí)，齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力；②換檔、啟動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)承受沖擊力；③齒嚙合時(shí)齒面承受滾動(dòng)、滑動(dòng)造成的強(qiáng)烈摩擦和交變接觸應(yīng)力。二、齒輪類(lèi)零件的選材1．齒輪的工作條件、失效形式及性能要求⑴齒輪的工作條件：⑵齒輪的主要失效形式：齒根疲勞斷裂、齒面局部剝落和過(guò)度磨損。①高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度；②高的齒面硬度和耐磨性；③良好的心部強(qiáng)度和韌性；④較好的工藝性能。⑶對(duì)齒輪材料的性能要求：齒輪材料一般選用低、中碳鋼或其（低、中碳鋼）合金鋼；經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，表面強(qiáng)度和硬度高，心部韌性好，工藝性能好，經(jīng)濟(jì)上也較合理。⑷齒輪類(lèi)零件常用材料

沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。

機(jī)床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛(或單體澆鑄尼龍)齒輪,工作時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲減少,長(zhǎng)期使用無(wú)損壞,且磨損很小。機(jī)床齒輪轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊。2．齒輪的選材及工藝分析如C616車(chē)床齒輪，可選用45號(hào)鋼。其工藝路線(xiàn)如下：