机械零件的失效分析与选材

第十一章机械零件的失效分析与选材13.1机械零件的失效分析13.2选材原则13.3典型零件的选材与工艺第一节机械零件的失效分析失效零件由于种种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。一、失效形式常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。1、变形失效（1）弹性变形失效不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。（2）塑性变形失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。2、断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。（1）韧性断裂断裂前有明显的塑性变形。宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2）脆性断裂断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。（3）疲劳断裂在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。（4）蠕变断裂即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效。金属材料一般在高温下才会产生明显的蠕变，而聚合物在常温下受载就会产生显著的蠕变。如架空的聚录乙烯电线管在电线和自重的作用下发生的缓慢的挠曲变形。蠕变断裂3、表面损失失效由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。常见的有三种形式：⑴磨损失效任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。如磨粒磨损和粘着磨损。⑵表面疲劳相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的作用，是表层材料发生疲劳破坏而脱落，造成零件失效称为表面疲劳失效。（3）腐蚀失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。失效统计：断裂仅占5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形零件失效的实例潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损常见零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求应力种类载荷性质受载状态螺栓拉、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疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环冲击摩擦振动断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变冲击振动弹性失稳，疲劳破坏弹性极限，屈强比，疲劳极限二、失效原因造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。（见下页）1、设计不合理2、选材不合理3、加工工艺不合理4、装配及使用不当高温蠕变零件失效加工设计计算错误热处理缺陷焊接缺陷结构外形不合理工作条件估计错误冷加工缺陷铸锻造缺陷安装使用维护环境材料材质低劣选材不当操作失误过载使用维护不良安装不良腐蚀低温脆性现场调查失效特征服役条件失效部位取样分析查阅相关原始资料原始资料的正确性制造过程的执行情况冷热加工质量材料成分综合分析解决方案正在使用和库存件的解决方案新生产件的解决方案台架试验使用考验三、失效分析的一般程序第二节机械零件的选材原则选材的基本原则1、使用性能原则材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能、化学性能。2、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。3、经济性原则满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。一、使用性能选材原则分析零件的工作条件，确定其使用性能：①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。力学性能指标的综合作用一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选材时一定要考虑力学性能指标的综合作用，充分考虑零件力学性能的强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。①对于静载荷，结构上存在非尖锐缺口(如结构小孔、键槽、凸肩等)的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。②对于承受小能量多次冲击的零件，以及结构上存在尖锐缺口和内部存在裂纹的零件，强度（疲劳强度、断裂韧度）是非常重要的因素。③对于在低温下工作的零件，常选择韧性较大的材料。对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。14:35二、工艺性能选材原则材料的工艺性能可定义为材料适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。08:12:431.铸造性能凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。08:12:432.压力加工性能包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。08:12:433.焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。4.机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180～230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。5.热处理工艺性能必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。08:12:43三、经济性合理的选材原则质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70%制造（加工）成本——约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材料元/kg材料元/kg铂290,000Zn34金160,000铝21银3,50040Cr3.7钛200碳钢3.3铜68生铁2.3四、环保性原则——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量2.能源消耗少可用年数再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493.环境污染小废气排放少材料回收及降解一、工程材料的应用概况金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要的四大类工程材料。高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。第二节典型零部件选材及工艺分析陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。08:12:43复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。08:12:43金属材料,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。二、齿轮类零件选材应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。齿轮类零件的性能要求1．工作条件①传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；②齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；③启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；④有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。2．主要失效形式①断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；②齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；③其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。3．主要性能要求①高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。②足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。③足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。（1）锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：①低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火＋低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。②中碳钢40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可