第八章mme08知識分享

8.1

機械零件的失效及失效分析8.2

零件失效形式

8.3機械零件的選材原則

8.4不同失效形式的選材分析第八章機械零件的失效與選材8.1機械零件的失效及失效分析失效

零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。8.1.1失效的分類通常按失效模式和其相應(yīng)的失效機理分類?！袷Ｊ?/p>

失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律。

●失效機理

引起失效的微觀物理、化學(xué)變化過程。失效模式和失效機理相結(jié)合，宏觀和微觀相結(jié)合、由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)。機械零件最常見的失效模式及其失效機理見下表。8.1.2失效的基本因素

一、設(shè)計因素---為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計，精心施工。根據(jù)零件在特定工況、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等條件下可能發(fā)生的失效模式，建立給定條件下正常工作的準則，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。技術(shù)文件

設(shè)備圖紙和設(shè)計計算說明書。如設(shè)計有誤,則機械設(shè)備或零件將不能使用或過早失效。三、安裝調(diào)試因素安裝過程達不到所要求的質(zhì)量指標，導(dǎo)致零件失效。●嚙合傳動件(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)；●連接零件必要的“防松”不可靠；●鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良；

●潤滑與密封裝置不良等；

●初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。

四、材質(zhì)因素●選材不當使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效?！癫馁|(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)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效。五、運轉(zhuǎn)維修因素

●不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導(dǎo)致零件失效。●運轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)的監(jiān)控是否準確；●定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行；●潤滑條件是否保證,潤滑劑和潤滑方法是否選得合適，潤滑裝置冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。8.2

零件失效形式

8.2.1畸變失效

--畸變

指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形?；冇袃煞N基本類型：尺寸畸變或體積畸變(長大或縮小)、形狀畸變(如彎曲或翹曲)?！袷茌S向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形

●軸的彎曲

●殼體的翹曲變形---發(fā)生畸變失效的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。一、彈性畸變失效彈性畸變的變形量是在彈性范圍內(nèi)變化，不恰當?shù)淖冃瘟繉?dǎo)致失效?！窭鹤冃蔚臈U、柱類零件，過大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過載，機械因喪失尺寸精度造成動作失誤?！駨?、扭變形的軸類零件，過大的彈性畸變量會造成軸上嚙合零件的嚴重偏載，嚙合失常。如軸承的嚴重偏載，甚至咬死，導(dǎo)致傳動失效；●某些控制元件，如溫控元件，予定的彈性變形(撓度)是溫控裝置的精度的保證。

影響彈性畸變的主要因素有：零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、載荷的大小。二、塑性畸變失效外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(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；●齒輪嚴重過載下運行，齒面出現(xiàn)鱗皺、起脊等塑性畸變，導(dǎo)致齒輪失效；●螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。引起零件塑性畸變的因素，除在彈性畸變中所述有關(guān)影響因素外，常見的還有材質(zhì)缺陷、使用不當、設(shè)計有誤等，特別是熱處理不良更為突出，實際上往往是多種因素的綜合結(jié)果。三、翹曲畸變失效尺寸與方向上產(chǎn)生復(fù)雜變形，形成翹曲，導(dǎo)致失效。翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等不均勻性引起。其中以溫度變化，特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴重?！袷芰︿摷苈N曲變形；●殼體在高溫下形狀翹曲。

8.2.2斷裂失效

一、斷裂失效的分類塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變失效斷裂機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。二、斷口的分析方法斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效分析的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路。例：金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到斷口分為：三、斷裂形式的特征1.韌（塑）性斷裂的特征(1)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。(2)微觀特征---蛇形滑移和延伸，間距不等、短而且平行、不連續(xù)的條紋韌窩，大小相當于顯微空洞裂紋的一半。2.脆性斷裂的特征脆斷時承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服強度，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。宏觀裂紋可以是在生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生，還可能是由于疲勞或應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。中、低強度鋼在10℃～15℃以下會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變）。

(1)宏觀特征---在斷裂前沒有可以觀察到的塑性變形，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)。

(2)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)。因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂叫解理斷裂。斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030m/s，在低溫和三向應(yīng)力狀態(tài)時更快；沿著特定的晶面(稱為解理面)發(fā)生，這些晶面一般是屬于低指數(shù)的。3.其它斷裂失效形式(1)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，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂的過程稱金屬的疲勞斷裂。(2)蠕變斷裂---在高溫下鋼的強度較低，當受一定應(yīng)力作用時，變形量隨時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。

空氣壓縮機工作時，皮帶輪內(nèi)三根輻條受到彎矩和剪切力的聯(lián)合作用，并且承受強烈震動，產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋擴展使輻條斷裂。連接在輪轂上的輻條殘余部分將連接外緣的輻條部分撞斷。撞擊邊緣，使邊緣破損。皮帶輪破斷后，空氣壓縮機停止工作，造成客車氣壓不足、剎車失靈。最終造成重大交通事故。8.2.3磨損失效

磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。一、磨損失效的基本類型1.粘著磨損----兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。2.磨料磨損配合表面之間在相對運動過程中，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。3.犁削磨損硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝”。---活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。4.表面疲勞磨損兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦時，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。5.沖刷磨損---沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。6.腐蝕磨損腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。二、影響磨損失效的基本因素1.摩擦副材質(zhì)---材料副的互溶性，相同金屬、晶格類型、原子間距、電子密度、電化學(xué)性能相近的材料副互溶性大，易于粘著而導(dǎo)致粘著磨損失效。金屬與非金屬(如塑料、石墨等)，互溶性小，粘著傾向小。材料副的表面強化處理提高耐磨性。材料表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂紋，過高的裝配應(yīng)力等都將使各種磨損加劇。2.工況參數(shù)包括接觸應(yīng)力、滑動距離和滑動速度、溫度、介質(zhì)條件與潤滑等。提示：

合理的表面強化處理可以減少磨損。一是改變組織結(jié)構(gòu)，二是適度提高硬度。表面強化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。8.2.4腐蝕失效

一、均勻腐蝕---

在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。腐蝕均勻性的前提是：被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻而且不受限制。均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生?！皲摬脑诖髿庵兴a(chǎn)生的銹蝕；●銅在土壤里的銹蝕。

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。二、點腐蝕金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。三、晶間腐蝕腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。腐蝕失效舉例

--（汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析）

彈簧材料為碳素彈簧鋼。長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。閥芯失去密封作用。使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈，造成嚴重事故。8.3機械零件選材原則

8.3.1使用性能原則

一、機械零件正確選材的使用性能原則

使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機械性能、物理性能和化學(xué)性能。機器零件和工程構(gòu)件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。二、零件使用時的工作條件（1）受力狀況---主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大?。惠d荷的形式；載荷的特點等。（2）環(huán)境狀況---主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。（3）特殊要求---如對導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。

三、零件根據(jù)使用性能選材的步驟●對零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對使用性能的要求；●根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應(yīng)力分布；●由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值；●利用材料手冊根據(jù)使用性能選材。１.零件的工作條件和失效形式零件失效類型變形——彈、塑性變形。斷裂——脆、塑性，疲勞斷裂。表面損傷——磨損、腐蝕等。零件工作條件常見失效形式性能要求應(yīng)力

種類載荷

性質(zhì)受載

狀態(tài)螺栓拉、剪靜載--過量變形，斷裂強度，塑性傳動軸彎、扭循環(huán)

沖擊軸頸

摩擦疲勞斷裂，過量變形

，軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動齒輪壓、彎循環(huán)

沖擊摩擦

振動斷齒，磨損，

疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限

，心部強度及韌性彈簧扭、彎交變

沖擊振動彈性失穩(wěn)，

疲勞破壞彈性極限，屈強比

，疲勞極限零件失效的原因——設(shè)計、材料、加工、安裝和使用。２.工作環(huán)境——溫度，介質(zhì)（如腐蝕，摩擦）。３.特殊功能要求——導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。４.性能要求的指標化——如強硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。手冊數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式的局限性——力學(xué)性能與零件尺寸有關(guān)40鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能

熱處理條件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的數(shù)據(jù)完全相同，必須注意以下情況：●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)?！癫牧系男阅芘c試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進行適當?shù)男拚??！癫牧系幕瘜W(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)都有一定波動范圍。8.3.2工藝性能原則

——鑄、鍛、焊、機加工、熱處理零件的加工工藝路線一般零件——毛坯→正火或退火→切削加工軸、齒輪等毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火＋回火，時效，滲C等）→精加工精密絲杠毛坯→預(yù)先熱處理→粗加工→最終熱處理→半精加工→ 時效（或N化）→精加工→時效1、高分子材料零件選材的工藝性能原則高分子材料成形容易，方法較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。不過它的導(dǎo)熱性差，在切削過程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)。2、陶瓷材料零件選材的工藝性能原則陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。三、金屬材料零件選材的工藝性能原則金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜，變化多。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。8.3.3經(jīng)濟性原則——根本原則１.產(chǎn)品成本分析基本材料的成本（價格、利用率）——占總成本的30~70%制造（加工）成本——約占零件成本的30%加工成本=工具與設(shè)備費用+每件產(chǎn)品成本×生產(chǎn)批量材

料美元

/t材料美元

/t鉑26,000,000工業(yè)金剛石900,000,000金19,100,000硼―環(huán)氧樹脂復(fù)合材料330,000鎢26,000碳纖維復(fù)材料200,000鈦合金10,190～12,720

玻璃纖維復(fù)合材料2400～3300

黃銅（型材）1650～2336

尼龍663289鋁合金（型材）2000～2440

環(huán)氧樹脂1650低碳鋼（型材）440～480

天然橡膠1430鑄鐵260氧化鋁1100-1760硬質(zhì)合金66,000玻璃1500一、材料的價格--零件材料的價格無疑應(yīng)該盡量低。材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價格的30%～70%，因此設(shè)計人員要十分關(guān)心材料的市場價格。

二、零件的總成本

---零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關(guān)。

三、環(huán)境與資源原則——貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程１.減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。重要金屬的世界儲量２.環(huán)境污染小廢氣排放少材料回收及降解

儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751提示

正確選材是機械設(shè)計的一項重要任務(wù)。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求；材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求；采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟效益。典型零件的選材與工藝一、齒輪選材性能要求——齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強度，耐磨性）強度，韌性。選材調(diào)質(zhì)鋼——調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火滲C鋼——硬度、韌性高。實例——載重汽車變速箱齒輪

性能指標——σb>1000MPa，aKU2≥50J

，齒面硬度≥HRC55。

選材——20CrMnTi，σb

>1080MPa

，aKU2≥

55J，齒面HRC≥58~63。

最終熱處理工藝——930℃滲C+預(yù)冷830℃油淬+200℃回火

最終組織——心部：回火M+F齒面：回火M+碳化物+A'

工藝路線——鍛造→正火→機加工→滲C、淬火＋低溫回火→噴丸→磨削二、機床主軸選材性能要求——強度、塑韌性，疲勞強度，軸頸耐磨性。普通車床（輕載）主軸——45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）主軸——40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機床（重載）主軸——20CrMnTi，經(jīng)滲C、淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸——38CrMoAl，調(diào)質(zhì)+N化+時效。實例１——C620車床主軸，綜合機械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。

性能指標——硬度220～250HB，軸頸52HRC。選材——45鋼熱處理工藝——830℃水淬+500℃回火+軸頸高頻淬火+200℃回火最終組織——心部：回火S

軸頸表面：回火M

工藝路線——鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火＋低溫回火→磨削三、內(nèi)燃機曲軸選材性能要求——強度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度和剛度，軸頸耐磨性。選材——調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實例——175A型農(nóng)用柴油機曲軸

性能指標——σb>750MPa，整體硬度240～260HBS，

軸頸表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。選材——QT700-2

熱處理工藝——880~920℃正火+500～600℃回火+軸頸

N化

最終組織——P+G+

少量F

工藝路線——鑄造→高溫正火→高溫回火→機加工→軸頸

N化小結(jié)重點要求在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。

一般要求1.選材原則——材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性。2.典型零件的加工工藝路線。3.零件失效的概念。本章是本課程的綜合及實際應(yīng)用滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）p172主要化學(xué)成分,%預(yù)備處理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油鋼號20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油機械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63back調(diào)質(zhì)鋼的牌號（摘自GB/T3077－1999）

p174淬透性鋼號主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.3