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第十章机械零件的失效与选材机械零件的失效与分析机械工程材料的选材原则一、机械零件失效与分析每种机器零件都具有一定的功能——或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：零件完全破坏，不能继续工作；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件虽能安全工作，但工作低效。当零部件丧失预定的功能时，即发生了零件的失效。（一）、零件失效的基本形式零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。表面损伤失效断裂失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效（二）、失效分析的主要方法失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工艺使用材料设计失效分析的主要方法1、无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2、金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。3、化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。4、力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。5、断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口韧性断口疲劳断口B裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹扩展方向（a）T型法则（b）分叉法则图分析破坏的顺序断口分析T型法则分叉法则脆性断口宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。源区源区（a）（b）图失效源分析宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。无明显变形。微观：平坦的解理台阶与河流花样。（a）宏观形貌（b）微观解理花样图脆性结晶状断口的宏观及微观形貌脆性断口脆性断裂也可能沿晶界发生。（a）回火脆性断口（b）应力腐蚀断口图脆性沿晶断裂断口韧性断口宏观：纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形；微观：大小不等的韧窝。（a）纤维状韧性宏观断口（b）微观典型韧窝形貌图韧性断口的宏观及微观形貌疲劳断口（a）疲劳断口宏观形貌（b）疲劳断口示意图（c）疲劳条纹的微观图象图疲劳断口疲劳源疲劳裂纹扩展区“贝纹”状花样瞬时断裂区（三）、零件失效分析实例1、齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。（a）（b）图齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）齿轮的失效行为失效形式失效的原因齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿2、机车车辆车轴的失效车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口见图：（a）（b）图车轴疲劳断口（a）疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。（b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源车轴的疲劳断裂失效分析如下图：疲劳裂纹源发生在车轴内部──冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳断裂分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常机加工缺陷机加工不当撞伤意外损伤腐蚀产物环境腐蚀磨损产物微动摩擦轴表面异常化学成份冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织冶炼、锻造或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45角扭转载荷过大3、铁路钢轨的失效钢轨伤损的主要形式失效形式失效的原因磨耗钢轨与车轮接触面表层发生磨损压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层)形成扩展至剥落疲劳裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步扩展至断裂擦伤轮轨接触面发生热机械作用,导致组织产生相变由珠光体组织转变成马氏体组织锈蚀腐蚀环境作用（a）（b）（c）图8-12钢轨轨头磨耗、压溃和剥离（a）轨头侧面磨耗（b）轨头踏面被压溃及出现飞边（c）鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂时其主要形式。钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。（图a）表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力则可能导致疲劳裂纹甚至折断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。（图b）（a）（b）图8-13钢轨在交变接触应力作用下产生的核伤(接触疲劳伤损)（a）夹杂物引起的核伤断口（白核）（b）表面剥离引起的核伤断口二、工程材料的选择1、选材的动机首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代；零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。2.选择材料的基本过程传统的设计观念把选材归入设计过程的后期：1.以前的大多数设计中创新部分很少；2.设计的理论基础很不完善，设计中存在着许多未知因素。——前人的经验进行设计和选材。——采用过大的安全系数，——过分依赖手册，把材料看成一种抽象的性能——倾向于选用所谓“万能材料”现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的难度也越来越大。——安全系数越来越小，3、材料选用原则(一)使用性能原则——首要原则（二）工艺性能原则（三）经济性原则——（四）环境与资源原则根本原则(一)使用性能原则——首要原则1.分析零件的工作条件2.进行失效分析3.确定零件对使用性能的要求，4.具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；5.根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值，但是在利用具体性能指标时，必须注意几个问题：①材料的性能指标各有其物理意义有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标②在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊实验室性能指标作选材依据③材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值（二）工艺性能原则设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”了制造方法。一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。机械制造——采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能的重塑。制造过程的基本目的：一定的形状和尺寸一定的性能一定的精度1.金属材料的工艺性能粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预先热处理零件切削加工最终热处理金属零件的加工工艺路线2.高分子材料的工艺性能高分子材料的加工工艺路线有机物原料或型材成形加工切削加工零件热处理、焊接等热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等3.陶瓷材料的工艺性能粉末成形加工配料压制烧结磨削加工零件热处理陶瓷材料的加工工艺路线（三）经济性原则——根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成本制造厂利润维护费维修费保险费折旧费日常开支行政费批发与零售费研究与开发费可变成本（生产成本）基本材料成本制造成本产品成本分析1.基本材料的成本：在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的30~70%（1）提炼和制取的成本（2）矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等（3）材料的提纯、合金化（合成）成本（4）加工增值成本（5）供求关系所造成的价格波动我国常用金属材料的相对价格材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1铬不锈钢5普通低合金结构钢1.25铬镍不锈钢15优质碳素结构钢1.3~1.5灰口铸铁~1.4合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5球墨铸铁~1.8铬镍合金结构钢（中合金钢）5可锻铸铁2~2.2滚珠轴承钢3铸造铝合金、铜合金8~10碳素工具钢1.6普通黄铜13~17低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200（工程塑料）5~151.选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一，但是这一作法常常会与产品的性能优化相冲突。2.提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量，无疑是一种更实际的选择。目前在机械制造业中，我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。（四）环境与资源原则1.能源和资源消耗少世界能源储藏量石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m31，039，272吨200万吨可开采年限45.5年64年219年74年主要产地及储量比例中东66.4%独联体、中东70%美、苏、中、澳70%重要金属的世界储量储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147512.环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土钢塑料铝、镁及钛合金Eρ/b24145100~500475-1002710-1029E──生产每公斤材料的能耗ρ──材料密度b──抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量