第十三章 零部件的失效与选材

第十三章零部件的失效与选材第一节零部件的失效失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。一、失效形式常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料的老化失效等。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、断裂失效断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。（1）韧性断裂失效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）脆性断裂失效断裂前无塑性变形。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。①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。②低应力脆性断裂失效石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。解理断口沿晶断口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。⑴磨损(wear)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。⑵腐蚀(corrosion)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。⑶表面疲劳失效表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。4、材料的老化高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。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。1、设计不合理2、选材错误3、加工工艺不当4、装配使用不当三、失效分析1、失效分析的一般程序⑴收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。⑵调查零部件的服役条件和失效过程。⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。⑷试验研究2、失效分析实例——锅炉给水泵轴的断裂分析某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故。泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图为泵轴的断口照片。成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%）达到0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。第二节零部件的选材一、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。（1）金属材料的工艺性能金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。金属材料的加工工艺路线（2）高分子材料工艺性能高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。高分子材料的加工工艺路线（3）陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料的加工工艺路线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。二、典型零部件选材及工艺分析㈠齿轮类零件的选材1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。2、典型齿轮的选材⑴机床齿轮机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。机床变速箱齿轮工艺路线为：下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频淬火及低温回火--精磨。（2）汽车、拖拉机齿轮与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。㈡轴类零部件的选材1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。⑴轴的工作条件：①传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。②轴颈承受较大的磨擦。③承受一定的过载或冲击载荷。⑵轴的主要失效形式：①疲劳断裂由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。②断裂失效由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。③磨损失效轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。⑶对轴用材料的性能要求：①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。2、典型轴的选材⑴机床主轴主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46-54HRC。其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配⑵汽轮机主轴汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500℃以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。对于工作在450℃以下的材料，如果汽轮机功率较小12000kW），且主轴尺寸较小，可选用45钢，如果汽轮机功率较大（12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于工作在500℃以上的主轴，由于汽轮机功率大（125000kW），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV（540℃）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（650℃）、Cr14Ni35MoWTiAl（680℃）制造。气轮机主轴的工艺路线为：备料→锻造→第一次正火→去氢处理→第二次正火→高温回火→机械加工→成品。⑶内燃机曲轴曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢（例如42CrMo等）。内燃机曲轴的工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→磨削→装配。近年来常采用球墨铸铁代替45钢制作曲轴，其工艺路线为：备料→熔炼→铸造→正火→高温回火→机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→装配。