工程材料學第成形方法章

工程材料學第成形方法章1第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日失效——機械產(chǎn)品喪失功能的現(xiàn)象。失效分析——分析失效的原因，研究采取補救和預防措施的技術活動和管理活動。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?！?2.1.1機械零件失效與分析12.1工程材料的選擇2第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日哥倫比亞號全體人員合影及左翼上的裂紋3第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日一、失效原因（1）設計因素 設計不合理和設計時考慮不周密是構件失效的重要原因之一。例如，突然直角過渡的臺階軸，零件的尖角、棱角、棱邊等都是應力集中的部位，必然也是破壞的禍源。（2）材料選擇的正確性

材料選擇不當，所選材料不符合構件性能要求，或設計者不能正確使用材料性能數(shù)據(jù)，或沒有充分考慮各種材料的性能特點。例如，材料的缺口敏感性，脆性轉變溫度等，都將導致早期破壞。4第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日（3）工藝歷史冶金質量：冶金缺陷，如夾雜物、氣孔、疏松、成分偏析、嚴重帶狀組織等，這些都是內(nèi)傷，導致裂紋萌生，擴展。機械制造工藝缺陷：例如，高殘余應力；不良表面質量；不正常的組織狀態(tài)；達不到機械性能要求。5第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日（4）服役條件（安裝使用不當）①受力情況

負荷類型：拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切等。

負荷性質和速度：靜負荷、沖擊負荷、交變負荷。

負荷狀態(tài)：單向應力、三向應力、硬性狀態(tài)、軟性狀態(tài)、應力集中和殘余應力等。

負荷數(shù)值：過負荷、安全負荷。②工作環(huán)境

工作介質：水、油、大氣、蒸汽、腐蝕（酸、堿、鹽）。

溫度：低溫、室溫、高溫。

6第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日（5）使用維護狀態(tài)使用過程如果超載運行，潤滑不良，凈潔不好，腐蝕生銹，表面碰傷等，違反操作規(guī)程，不定期維修或維修不當，都可能導致提前失效。7第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日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二、零件失效的基本形式8第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日(1)斷口分析T形法分枝法9第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日韌性斷口：宏觀：纖維狀，色質灰暗微觀：大小不等的韌窩微觀典型韌窩形貌(2)韌性斷裂在構件斷裂之前產(chǎn)生顯著宏觀塑性變形的斷裂。10第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日剪切韌窩撕裂韌窩等軸韌窩11第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日等軸韌窩剪切韌窩撕裂韌窩12第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日根據(jù)人字紋路的走向和放射棱線匯聚方向確定裂紋區(qū)。(3)脆性斷裂構件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂。山形條紋源區(qū)源區(qū)人字條紋13第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日宏觀：結晶狀，平齊而光亮，有閃亮小刻面。微觀：平坦的解理臺階與河流花樣。宏觀形貌微觀解理花樣脆性斷口:14第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日河流解理花樣羽毛狀花樣15第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日應力腐蝕高溫蠕變

脆性斷裂也可能沿晶界發(fā)生。呈現(xiàn)較大浮凸，可以看到多面體的晶粒外形和三叉邊界。16第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日應力腐蝕裂紋分叉現(xiàn)象氫脆裂紋的宏觀形貌17第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日疲勞斷口:疲勞斷口宏觀形貌(4)疲勞斷裂金屬構件在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)周期后會發(fā)生突然的斷裂。18第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日疲勞條紋的微觀形貌a.疲勞輝紋19第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日b.輪胎壓痕花樣20第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日(5)現(xiàn)代測試分析X射線衍射（XRD）型號BrukerD8Advance21第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日掃描電子顯微鏡（SEM）型號：Quanta20022第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日透射電子顯微鏡（TEM）型號：FEITecnaiG220S-TWIN23第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日(6)斷口分析方法a.選取合適大小的試樣。24第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日b.借助現(xiàn)代分析儀器。25第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日三、零件失效分析實例(1)齒輪的失效齒輪是機械設備中運用極廣的傳動零件，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。齒輪的輪齒的疲勞斷裂（宏觀）26第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日齒輪的失效行為: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，使齒厚變小過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒27第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日(2)機車車輛的失效車軸在運行時承受著旋轉彎曲和扭轉載荷，車軸材料通常具有較好的韌塑性，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），斷口見圖：車軸疲勞斷口（a）

疲勞源在軸內(nèi)部，由嚴重冶金缺陷引起裂紋萌生。（b）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(a)(b)28第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日車軸的疲勞斷裂失效分析：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)物微動摩擦軸表面異?；瘜W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29第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日（1）使用性能原則——首要原則（2）工藝性能原則

（3）經(jīng)濟性原則——（4）環(huán)境與資源原則

根本原則§12.1.2選材的原則及應用實例選材的動機:

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，需改變用材。

一、選材的一般原則30第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日(1)使用性能原則——①分析零件的工作條件；②進行失效分析；③確定零件對使用性能的要求；④具體轉化為實驗室力學性能指標（如強度、韌性、塑性、硬度等）；⑤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，首要原則31第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）工藝性能原則設計中所作出的選材決定必然會影響整個生產(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|，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32第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日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

金屬零件的加工工藝路線33第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日加工路線復雜，加工精度和質量要求高，在選材時應務必保證材料的工藝性能。說明毛坯─→預先熱處理（正火、退火）─→粗加工─→最終熱處理（淬火+低溫回火，固溶時效或滲碳）─→半精加工─→穩(wěn)定化處理（或氮化）─→精加工─→穩(wěn)定化處理─→零件。加工工藝性能和質量要求極高的零件（如精密絲杠）金屬零件用材多為碳鋼、合金鋼、高強鋁合金等，其中有些材料的加工性能存在問題，因此選材時應注意對其工藝性能的分析。說明毛坯─→預先熱處理（正火、退火）─→粗加工─→最終熱處理（淬火十回火，固溶時效，滲碳處理等）─→精加工─→零件。加工工藝性能要求較高的零件（如軸、齒輪等）如鑄鐵或碳鋼，只要注意采用適宜的毛坯制造方法，其工藝性能均能滿足要求。舉例毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。加工工藝性能、質量要求不高的零件34第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日（3）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35第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日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硬質合金150~200（工程塑料）5~1536第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日（1）選材的一般程序

1．基于對具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對同類零件現(xiàn)有狀況（所用材料、使用壽命、失效形式以及供應情況）的調(diào)研，再結合力學計算或試驗確定零件應具有的力學性能指標和理化性能指標。

2．對若干備選材料性能指標和制造工藝進行綜合分析和篩選，初步選定材料的牌號、規(guī)格及制造工藝。

3．進行實驗室試驗以檢驗選用材料是否達到各項性能要求，并進行小批試生產(chǎn)以檢驗材料制造過程中工藝性是否滿足要求。小批試驗產(chǎn)品質量合格后，選材方案即可確定下來。二、選材的實際過程37第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日航空航天器用材很廣泛，工程塑料、橡膠、陶瓷材料和各種金屬。

1.中碳調(diào)質鋼

40CrNiMoA、34CrNi3MoA用于高負載、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的構件，如噴氣渦輪機軸、噴氣式客機的起落架及火箭發(fā)動機外殼等。

2.高合金耐熱鋼

1Cr13、2Cr25Ni、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB用于制造渦輪泵及火箭發(fā)動機、航空發(fā)動機轉子和其它零件。（2）選材舉例——航空航天器用材38第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日

4.鎳基耐蝕合金

Inconel718(Ni－19Cr－18.5Fe－5.1Nb－3Mo－0.9Ti)。制造泵軸、渦輪等航空發(fā)動機零部件。

3.高溫合金

K403(Ni－11Cr－5.25Co－4.65W－4.3Mo－5.6Al)。主要用于制造渦輪工作葉片和導向器葉片。

39第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日5.鋁及其合金40第四十頁，共四十五頁，2022年，8月28日形變鋁合金

5A05（LF5）、5A11（LF11），用于焊接油箱、油管，制造鉚釘和中載零件制品。3A21（LF21）用于焊接油箱、油管，制造鉚釘及輕載零件和制品。硬鋁合金2A01（LY1）可制造工作溫度不超過100℃的結構用中等強度鉚釘。2A11（LY11），用于制造骨架、模鍛的固定接頭、支柱、螺旋槳葉片、局部鐓粗的零件、螺栓和鉚釘?shù)戎械葟姸鹊慕Y構零件。41第四十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日2A12（LY12），適宜制造飛機的高強度結構零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、鉚釘?shù)?50℃以下工作的零件。超硬鋁合金7A04（LC4）、7A06（LC6），適宜制造飛機大梁、架、加強框、蒙皮接頭及起落架等結構中的主要受力件。鍛鋁2A50（LD5），適宜制造形狀復雜、中等強度的鍛件和模鍛件。2A70