第七章机械零件的失效与选材

SUST机械工程材料第七章机械零件的失效与选材7.1零件的失效与失效分析7.2选材的基本原则7.3典型工件的选材及工艺路线设计SUST机械工程材料7.1零件的失效与失效分析失效的概念–零件丧失规定的功能即为失效。完全破坏，不能继续工作。严重损伤，能继续工作但不安全。能安全工作，但不能起到预期作用。失效的类型（按失效后的外部形态）–过量变形–断裂–表面损伤过量弹性变形过量塑性变形韧性断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂低应力断裂脆性断裂磨损接触疲劳腐蚀失效类型过量变形失效断裂失效表面损伤失效SUST机械工程材料7.1零件的失效与失效分析失效的原因–设计不合理：结构、尺寸设计不合理；结构工艺性差。错误估计了零件工作条件。–选材不合理：–加工工艺不当：冷加工时表面有较深的刀痕。热加工时出现裂纹、晶粒粗大。–安装使用不正确：配合过松或过紧；对中不良；等等。SUST机械工程材料7.1零件的失效与失效分析失效分析方法：–以零件的失效抗力指标为主线零件的工作条件分析：载荷类型（静、动、冲击）、应力状态（拉、压、弯曲、扭转、剪切等）、环境（介质、温度等）–以断口特征为主线失效分析的一般步骤：–调查取证→分析研究→失效分析报告韧性断裂脆性断裂SUST机械工程材料7.2选材的基本原则使用性能—首要原则–分析零件的工作条件、失效形式，选择满足力学性能、物理性能、化学性能的材料。工艺性能（铸、锻、焊、机加工、热处理）–直接影响加工成本和零件的使用性能。经济性能–总成本、性价比资源与环境量化为具体指标！SUST机械工程材料7.3典型工件的选材及工艺路线设计齿轮的选材轴类零件的选材SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材齿轮的工作条件：–齿根承受很大的交变弯曲应力–齿面受较大的接触压应力和摩擦力–承受一定的冲击齿轮的失效方式：–轮齿折断–齿面损伤–其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材性能要求–高的齿面硬度、齿面接触疲劳强度、耐磨性，防止齿面损伤。–高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。–足够的齿心强度和韧性，防止冲击过载断裂。选材：–调质钢——调质+表面淬火+低温回火–渗碳钢——渗碳+表面淬火+低温回火SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材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。–低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi等：–通过退火或正火来改善切削加工性能，–通过渗碳＋淬火＋低温回火来保证齿轮的使用性能。–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；–适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材锻钢：–中碳钢：–Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮。正火使用。–40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮。依据工作条件不同，可正火、调质、表面淬火使用。–40Cr、40MnB的综合力学性能优于40、45钢，可用做相对重要的齿轮。多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材锻钢：–中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl：调质处理＋表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。铸钢：力学性能比锻钢差，较少使用，主要用于尺寸大(＞Ф500mm)、形状复杂的齿轮。–常用铸钢牌号有ZG270-500、ZG310-570、ZG40Cr等。–加工后一般进行表面淬火＋低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质、正火状态下使用。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材铸铁：–灰铸铁：具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性低，多用于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有HT200、HT250、HT350等。–球墨铸铁：强韧性较好，代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大，常用牌号QT600-3、QT500-7。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材有色金属：–在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求时，可采用耐磨性较好的有色金属材料制造，其中应用最多的是铜合金，如黄铜H62、铝青铜QAl9-4、锡青铜QSn6.5-0.1、硅青铜QSi3-1等。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材非金属材料：–工程塑料：尼龙、ABS、聚甲醛等。–减摩耐磨（尤其是在无润滑或不良润滑条件下）、耐蚀、质量轻、噪声小、生产率高。–适合于制造轻载、低速、无润滑条件下工作的小齿轮，如仪表齿轮、玩具齿轮、车床走刀机械传动齿轮等。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材机床齿轮–运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。–多采用40、45钢。经正火或调质处理后表面淬火＋低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220～250HBS。–中碳合金钢40Cr、40MnB等–中碳氮化钢35CrMo等SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材机床齿轮–下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→精磨–正火：可使锻造组织均匀化，便于切削加工，可作为表面淬火前的预备组织，并保证齿心的强韧性。–调质处理：可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。–表面淬火：提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。–低温回火：主要是消除淬火应力。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材汽车、拖拉机齿轮–工作条件恶劣，受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击，对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高。–通常选用合金渗碳钢20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo制造，经渗碳淬火＋低温回火处理后，齿面硬度可达58～62HRC，心部硬度30～45HRC。–对飞机、坦克等特别重要齿轮，多采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。SUST机械工程材料7.3.1齿轮的选材汽车、拖拉机齿轮–20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火＋低温回火→喷丸→磨削加工–渗碳淬火：可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性。–喷丸：进一步强化手段，可使齿面硬度提高1～3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材工作条件：–交变弯曲、扭转载荷或拉-压复合载荷；–相对运动表面（如轴颈、花键部位）发生摩擦；–因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷。失效方式：–多为疲劳断裂和轴颈处的磨损性能要求：–高的疲劳极限；–良好的综合力学性能好；–局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性；–良好的加工工艺性。SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材轴类零件选材方法：–优质碳素结构钢如35、40、45、50钢应用较多。–常用的合金钢有35CrMo、40Cr、40CrNi等。–整体调质后表面淬火处理，以满足局部耐磨性要求。–以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢（如45钢）、铸铁（如QT700-2）、甚至普通质量碳钢（如Q275）制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材轴类零件选材方法：–以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢65Mn或低碳钢20Cr、20CrMnTi渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。–主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可。–对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。–主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材机床主轴：–普通车床（轻载）主轴—45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。–铣床（中载）主轴—40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。–组合机床（重载）主轴—20CrMnTi，渗碳+淬火+低温回火处理。–精密镗床（高精度）主轴—38CrMoAl，调质+氮化+时效SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材机床主轴：–C620车床主轴–选材——45钢–热处理工艺——830℃水淬+500℃回火+轴颈高频淬火+200℃回火–最终组织——心部：S回；轴颈表面：M回–加工工艺——锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火SUST机械工程材料7.3.2轴类零件的选材内燃机主轴：–选材：调质钢（韧性高）、球墨铸铁。–农用柴油机曲轴–选材——QT700-2–热处理工艺——880~920℃正火+500～600℃回火+轴颈氮化–最终组织——P+G+少量F–加工工艺——铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈氮化