机械零件失效与选材原则课件

,*,第八章 机械零件的选用与加工工艺,8.1,机械零件的,失效,及失效分析,8,.2,机械零件,选材原则,8,.3,典型零件的加工工艺,失效：,零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象。,严重事故,8.1,机械零件的失效及失效分析,零件失效类型,畸变失效,过量弹、塑性变形。,断 裂 脆、塑性，疲劳断裂。,表面损伤 磨损、腐蚀等。,零件失效的原因,设计、材料、加工、安装和使用。,8.1.1,零件失效形式,一、畸变失效,畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。,1.,弹性畸变失效,2.,塑性畸变失效,3.,翘曲畸变失效,（,1）,韧性断裂,伴有宏观上的塑性变形,，缩颈，,断口呈盆状或杯状,。,（,2）,脆性断裂,只产生,很小的永久变形,，,断口平整,。,二、断裂失效,1.,断裂失效的分类,2.,断口的分析方法,断口三要素：,F,-,纤维状区,R,-,放射状区,S,-,剪切唇区,3.,断裂路径：穿晶和沿晶断裂,穿晶断裂,沿晶断裂,微孔聚合型断口,解理型断口,晶间断裂,晶内断裂,四、断裂机制,疲劳断裂,断口，三个区域：,疲劳源、疲劳区、瞬断区,随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。,三、磨损失效,磨损：,相对运动时两金属表面不断损耗，使金属表面状态和尺寸改变的现象。,活塞环与缸套之间的摩擦,1,.,磨损失效的基本类型,（1）粘着磨损,（2）磨料磨损,（3）表面疲劳磨损,（4）冲刷磨损,（5）腐蚀磨损,粘着磨损示意图,磨粒磨损示意图,冲刷磨损示意图,犁削磨损示意图,（1）摩擦副材质,互溶性；,表面强化处理情况；,表层组织和结构缺陷。,（2）工况参数,接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。,2,.,影响磨损失效的基本因素,1.,均匀腐蚀,2.,点腐蚀,3.,晶间腐蚀,四、腐蚀失效,腐蚀：,金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。,8.1.2,失效分析的主要试验方法,宏观和微观断口分析技术；,金相检验技术；,无损探伤检验技术；,常规成分、微区成分和表面成分分析技术；,X,射线衍射分析；,实验应力分析；,力学性能测试；,断裂力学测试,8.2,机械零件选材原则,8.2.1,使用性能原则,满足使用要求,零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。,大量机器零件和工程构件,特殊条件下工作的零件,（1）受力状况,载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。,（2）环境状况,温度特性、介质情况等。,（3）特殊要求,对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。,零件使用时的工作条件,工 作 条 件,零件,应力种类,载荷性质,受载状态,常见的失效形式,机械性能要求,紧固,螺栓,拉，,剪,静载,过量变形，断裂,强度，塑性,传动轴,弯，,扭,循环，冲击,轴颈摩擦，振动,疲劳断裂，过量变形，轴颈摩损,综合机械性能,传动,齿轮,压，,弯,循环，冲击,摩擦，振动,齿折断,磨损,疲劳断裂,接触疲劳(麻点),表面高强度及疲劳极限，心部强度、韧性,弹簧,扭，,弯,交变，冲击,振动,弹性失稳，疲劳破坏,弹性极限，屈强比，疲劳极限,冷作,模具,复杂,交变，冲击,强烈摩擦,磨损，脆断,硬度，足够的强度，韧性,表8-2 常用零件的工作条件和失效形式,8.2.2,工艺性能原则,满足生产工艺的要求,图8-4 高分子材料的加工工艺路线,图8-5 陶瓷材料的加工工艺路线,金属材料零件选材的工艺性能原则,图8-6 金属材料的加工工艺路线,3.精密金属零件的工艺路线,毛坯,预先热处理,(正火、退火),粗加工,最终热处理,(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳),半精加工,稳定化处理或氮化,精加工,稳定化处理,零件。,1.一般金属零件的工艺路线,毛坯,正火或退火,切削加工,零件。,2.性能要求较高的金属零件的工艺路线,毛坯,预先热处理,(正火、退火),粗加工,最终热处理,(淬火、回火，固溶时效或渗碳等),精加工,零件。,一、材料的价格,应该尽量低。占30%70%,8.2.3,经济性原则,三、国家的资源,来源丰富并顾及我国资源状况。,二、零件的总成本,生产和使用的总成本最低。,与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。,8.2.4,环境与资源原则,贯穿材料生产、使用、废弃的全过程,.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。,.环境污染小,废物排放少,材料回收及降解,8.3,典型零件的加工工艺,齿轮的失效形式：,(1),疲劳断裂,(2),齿面磨损,(3),齿面接触疲劳破坏,(4),过载断裂,8.3.1,齿轮选材,(1),高的弯曲疲劳强度。,(2),高的接触疲劳强度和耐磨性。,(3),较高的强度和冲击韧性。,(4),较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。,一、齿轮材料的性能要求,二、齿轮类零件的选材,性能要求,齿面硬度,（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）,强度，韧性,选材：,调质钢 调质 或（+表面淬火+低温回火）,渗,C,钢 硬度、韧性高，淬火,+,低温回火,转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击,选材：中碳钢或中碳合金钢，,如,40Cr,三、典型齿轮选材举例,工艺路线：,下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一轮齿高频淬火及回火一精磨,1,机床齿轮,热处理的目的,正火：,消除锻造应力，均匀组织，便于切削加工。,调质处理：,使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性。,高频淬火：,提高轮齿表面硬度、耐磨性，表面残余压应力提高抗疲劳能力。,低温回火：,消除淬火应力。,2,汽车齿轮,受力较大，冲击频繁,选材：渗碳钢，如,20Cr,或,20CrMnTi,工艺路线：,下料一锻造一正火一切削加工一渗碳、淬火及低温回火一喷丸一磨削加工,热处理目的：,正火：,渗碳、淬火及低温回火：,表面高碳含量，保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。,淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。,喷丸处理：,增大表层压应力，有利于提高疲劳强度，并清除氧化皮。,(1),良好的综合机械性能，足够的强度、塑性和一定 的韧性；,(2),高的疲劳强度，对应力集中敏感性低；,(3),足够的淬透性，表面要有高硬度、高耐磨性；,(4),良好的切削加工性能，价格便宜。,一、轴类零件的性能要求,8.3.2,轴类零件选材,C620,车床主轴,一般轴类零件：,碳钢,，,45,钢,正火,、,调质,或,表面淬火,热处理,二、轴类零件材料,性能指标：,强度、冲击韧性和表面耐磨性。,要求高的轴承：,合金钢,例：,20Cr,、,40Cr,、,40CrNi,、,20CrMnTi,、,40MnB,等,1,机床主轴选材,（,C620,车床主轴）,受力：交变弯曲和扭转，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大,要求：,具有一般综合机械性能,选材：,45,钢,热处理：,调质处理,，有摩擦部位进行,表面淬火,三、典型轴的选材,工艺路线：,锻造一正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火及低温回火,一,磨削加工,载荷较大，可用,40Cr,钢,承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，可用,20Cr,或,20CrMnTi,等,受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力,形状极不规则，应力分布很不均匀,曲轴颈与轴承发生滑动摩擦。,失效形式：,疲劳断裂,和,轴颈严重磨损,材料要求：高强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈还应有高的硬度和耐磨性。,2,内燃机曲轴选材,锻钢曲轴和铸造曲轴两种,锻钢曲轴：,优质中碳钢和中碳合金钢，如,35,、,40,、,45,、,35Mn2,、,40Cr,，,35CrMo,钢等。,工艺路线：模锻,-,调质,-,切削加工,-,轴颈表面淬火,铸造曲轴,：球墨、可锻铸铁等，如,QT600-3,、,QT700-2,、,KTZ450-5,、,KTZ500-4,。,工艺路线：,铸造一高温正火一高温回火一切削加工一轴颈气体渗氮,高温正火获得细,P,基体的组织，以满足强度要求,高温回火消除正火时产生的内应力,轴颈气体渗氮提高轴颈表面硬度和耐磨性。,弹簧选材,65Mn,60Si2Mn,刀具选材,T12,9SiCr,W18Cr4V,课堂讨论课二,辅导教材,112,页：二、,1,和,3,题,85,页：,33,题,讨论课,:,课堂讨论三 合金钢与选材,P115-116,二、讨论题目,3,、,4,课堂讨论二 钢的热处理,P112,：二、,1,和,3,题,P85,：,33,题,