第6章失效与选材.

第6章失效与选材6.1选用材料的一般原则１、高分子材料强度、弹性、疲劳抗力、韧性比较低；减振性较好，密度很小，耐磨性较好，弹性变形大。常用于制造轻载传动的齿轮、轴承和密封垫圈等。２、陶瓷材料硬而脆、耐高温、耐腐蚀。用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件。３、金属材料综合力学性能好，工艺性好，用来制造重要的机器零件和工程结构件。第6章失效与选材6.1.1材料的使用性能零件的工作条件：（１）受力状态：拉、压、弯、扭。（２）载荷性质：静载、冲击载荷、交变载荷。（３）工作温度：低温、室温、高温、交变温度。（４）环境介质：有润滑剂，接触酸、碱、盐、海水、粉尘、磨粒等。（５）特殊要求：导电、磁性、导热、膨胀、辐射、密度等。6.1选用材料的一般原则6.1.1材料的使用性能材料在使用过程中所体现出的性能。包括力学性能、工作温度、工作介质及其它特殊性能。取决于材料本身及其组织。在利用手册上的力学性能数据时应注意零件的使用性能，由零件的工作应力、工作条件、使用寿命或安全性与力学性能指标的关系，确定对力学性能指标要求的具体数字。6.1选用材料的一般原则6.1.2材料的工艺性加工的难易程度。１、高分子复合材料成形工艺比较简单，但导热差。２、陶瓷材料成形后很难加工。３、金属材料加工复杂，方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工及热处理。4、铸造合金应有高的流动性，小的疏松、缩孔、偏析和吸气性倾向；5、塑性加工材料应有高的塑性和低的变形抗力；6、切削加工材料应有小的切削力，切屑易处理；7、热处理时，材料过敏性小、氧化和脱碳倾向小、淬透性高变形及开裂倾向小。机械零件切削加工硬度控制在170～230HBS之间，可通过热处理达到。6.1选用材料的一般原则6.1.3材料的经济性在满足使用性能的前提下，注意降低成品零件的总成本（材料本身的价格、加工费用及其他费用）。选材原则：在满足使用性能的前提下，尽可能选用价格低、工艺性能好的材料；考虑我国的生产和供应情况，选材种类、规格应尽可能少而集中，以便于采购和管理。6.1选用材料的一般原则１.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×生产批量材料美元/t材料美元/t铂26,000,000工业金刚石900,000,000金19,100,000硼―环氧树脂复合材料330,000钨26,000碳纤维复材料200,000钛合金10,190～12,720玻璃纤维复合材料2400～3300黄铜（型材）1650～2336尼龙663289铝合金（型材）2000～2440环氧树脂1650低碳钢（型材）440～480天然橡胶1430铸铁260氧化铝1100-1760硬质合金66,000玻璃15006.1选用材料的一般原则6.2零件的失效形式6.2.1零件的失效分析失效：1、零件完全破坏，不能继续工作；2、零件严重损伤，不能继续安全工作；3、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用。6.2零件的失效形式零件失效方式断裂过量变形表面损伤过量塑性变形脆性断裂疲劳断裂低应力断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂过量弹性变形韧性断裂磨损腐蚀接触疲劳设计不合理选材不合理加工工艺不当安装使用不正确失效分析方法1）收集证据2）断口分析，判断失效方式失效零件的残骸失效零件的资料3）测定数据，包括成分、组织和性能的分析与测试4）确定失效原因6.2零件的失效形式6.2.2失效形式１．变形失效包括弹性变形、塑性变形和蠕变变形失效。变形的大小取决于零件的几何尺寸、材料的弹性模量及条件使用应力等。E6.2零件的失效形式2断裂失效１）延性断裂失效零件承载截面已进入延性状态，产生塑性变形，最后导致断裂。6.2零件的失效形式2断裂失效２）低应力脆性断裂零件在低于材料屈服强度时发生的断裂。6.2零件的失效形式产生原因：零件存在尖缺口或裂纹，特别是工作在低温或受冲击时。预防措施：（１）保证低、中强度钢不在低应力脆断的温度范围内工作；（２）选用工作温度下冲击韧性好的高强度钢。2断裂失效３）．疲劳断裂失效零件在交变循环应力多次作用后发生的断裂。6.2零件的失效形式产生原因：加工、冶炼。断口特征：有发源区（疲劳源）、扩展区和终断区。2断裂失效４）蠕变断裂失效材料在高温下工作（载荷固定），随时间的延长，变形增加，最后由于变形过大而断裂。6.2零件的失效形式特点：具有永久变形。蠕变抗力的大小与材料的熔点有关，熔点越高，蠕变发生的温度越高。3表面损伤失效与选材表面损伤失效：零件在工作过程中，由于机械的和化学的作用，使工作表面及其附近的材料受到严重损伤以致失效。１）磨损失效在机械力的作用下，产生相对运动接触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗，使零件尺寸变小而失效。特点：零件表面变得粗糙，出现许多擦伤的痕迹。6.2零件的失效形式１）磨损失效分类：（１）磨粒磨损：由硬粒对零件表面的切削作用造成；6.2零件的失效形式（２）粘着磨损：由相对运动物体表面的微凸体，在摩擦时发生焊合，然后撕裂，产生磨屑造成。１）磨损失效选材与防止：（１）为降低磨粒磨损，要求材料的硬度高，并有较多的耐磨相。（２）在冲击载荷下，应选用较软的高锰钢。（３）摩擦副选用不同材质，且摩擦因数小，并具有一定的自润滑能力或利于保存润滑剂。6.2零件的失效形式２）表面疲劳失效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，使表层材料发生疲劳破坏而脱落，造成零件的失效。选材与防止：（１）材料应有足够的硬度，一定的塑性和韧性。（２）材料含夹杂物少。（３）进行表面强化处理。6.2零件的失效形式３）腐蚀失效由于化学或电化学腐蚀引起表面损伤，造成零件失效。选材与防止：１）根据介质的成分性质选材。２）零件进行各种表面强化处理。反应釜6.2零件的失效形式材料的使用性能——首要原则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6.1选用材料的一般原则二、工艺性能——铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线一般零件——毛坯→正火或退火→切削加工轴、齿轮等毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工精密丝杠毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→时效（或N化）→精加工→时效6.3典型零件选材与分析1.轴的选材与工艺轴的作用：支承传动零件并传递运动和动力。轴类零件的特性：（1）都要传递一定的扭矩；承受一定的交变弯矩或拉压载荷。（2）都用轴承支持，在滑动轴承轴颈处应有较高的耐磨性。（3）大多要承受一定的冲击载荷；（4）特殊条件下受高温或介质作用。1轴的选材与工艺材料特性：（１）具有优良的综合力学性能。（２）具有高的疲劳抗力。（３）局部具有高的硬度和耐磨性。（４）其他的特殊性能（蠕变抗力、耐腐蚀性）。6.3典型零件的选材分析1轴的选材与工艺按受力情况选材：（１）受力不大，主要考虑刚度和耐磨性，用球墨铸铁或碳钢制造。（２）主要受弯曲、扭转的轴，用45钢、40Cr制造。（３）同时承受弯曲（或扭转）及拉压载荷的轴，整个截面应力分布均匀，选用淬透性好的钢种。6.3典型零件的选材分析1）机床主轴的选材与工艺路线特点：１）受弯曲、扭转。２）承受的应力和冲击不大，运转平稳。３）滑动轴承、锥孔、外圆锥面处应有一定的耐磨性。采用45号钢或40Cr钢。6.3典型零件的选材分析1）机床主轴的选材与工艺路线工艺路线：下料锻造粗加工调质磨削精车表面淬火低温回火正火6.3典型零件的选材分析1）机床主轴的选材与工艺路线正火的目的：得到合适的硬度，便于机加工；去除内应力，改善锻造组织，为调质处理作准备。调质的目的：得到良好的综合力学性能；表面淬火的目的：提高硬度，增加耐磨性，延长使用寿命。6.3典型零件的选材分析2齿轮的选材与工艺齿轮工作特点：１）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。２）齿面承受较大的接触应力，强烈的摩擦和磨损。３）由于换挡、启动或啮合不良，轮齿受到冲击。6.3典型零件的选材分析2齿轮的选材与工艺齿轮材料主要性能：（１）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。（２）齿面有高的硬度和耐磨性。（３）轮齿心部有足够的强度和韧性；（4）较好的工艺性能。6.3典型零件的选材分析1）机床齿轮的选材与工艺路线机床齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不太高，一般用中碳钢或中碳低合金钢。工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火→低温回火→精磨。6.3典型零件的选材分析3箱体类的选材与工艺路线箱体类零件结构复杂，一般只能用铸造的方法生产。受力较大，形状简单的，也可选用型钢焊接而成。根据受力情况及自重要求等，可选用铸钢、铸铁、铸造铝合金以及工程塑料等。6.3典型零件的选材分析6.4典型零件和手工工具的热处理分析6.4.1热处理的工序位置１．预备热处理包括退火、正火等。主要作用：１）消除前一工序造成的缺陷（如内应力、晶粒粗大、组织与成分不均等）。２）为切削加工作准备。6.4.1热处理的工序位置２．最终热处理包括淬火、回火、表面热处理等。主要作用：获得所需的使用性能。6.4典型零件和手工工具的热处理分析6.4.2简单手工工具的热处理１．工作条件承受较大的局部压力，摩擦和磨损。２．要求具有较高的硬度和耐磨性，及足够的塑性和韧性。３．热处理淬火和回火。6.4典型零件和手工工具的热处理分析作业P791、2、3、5、7