13章 失效分析与选材

第十三章零部件的失效与选材一、本章内容13.1零件失效与分析13.2零件选材原则13.3典型零件选材二、教学目的及其要求：通过本章学习，使学生了解零件的失效形式与提高材料性能的途径，掌握零件选材的一般原则和方法。三、教学重点：1、零件的失效形式与提高材料性能的途径；2、零件选材的一般原则和方法。第一节零件失效与失效分析一、零件失效1、定义:零件失去正常工作应有的效能.2、正常失效:零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效.3、非正常失效:在低于设计预期寿命时发生的失效.4、突发性二、零件失效的主要形式机械零件的失效通常有三种类型，即变形失效、断裂失效、表面损伤失效。（一）变形失效变形失效都是逐渐发生的，一般都属于非灾难性。常温下的变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效；高温下的变形失效主要有蠕变变形失效和高温松弛失效1、弹性变形失效弹性变形过量，虽表面未发现任何损伤痕迹，但弹性性能已达不到原设计要求。例如汽车车厢下面的弹簧，经长期使用后松弛性能降低导致不能起缓冲作用，这时就发生了弹性变形失效。2、塑性变形失效零件在使用过程中塑性变形逐渐增大，以致变形量超过一定极限后就不能再使用了，即发生了塑性变形失效。例如经长期运转后的汽轮机叶片逐渐伸长而与壳体相接触时，叶片发生塑性变形失效而使汽轮机不能正常运行。（二）断裂失效零件在工作中，当作用应力达到一定值时，材料的截面相邻两部分发生完全分离的现象，称断裂。机械零件的断裂失效，尤其是突然断裂，带来巨大的经济损失，人们长期以来就非常重视断口的观察及分析技术的研究，寻找断裂的原因及影响因素。断裂失效一般分:韧性断裂失效；脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；介质加速断裂失效（三）表面损伤零件在工作过程中，其表面由于受机械的或环境介质的，或机械的与环境介质的共同作用，表面质量或尺寸、形状发生变化而导致的失效，统称表面损伤。分为磨损失效和腐蚀失效两类。接触疲劳麻点腐蚀裂纹三、失效原因四、失效分析1、定义:对零件失效原因进行分析研究.2、方法①收集历史材料②失效部位取样，化验成分，检验冶金质量，组织分析，探伤和测定。③进行综合分析④最后写出失效分析报告第二节零件选材原则选材的三个基本原则：使用性原则——首要原则工艺性原则经济性原则——根本原则一、使用性原则----首要原则使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。（工程材料的选择）1.分析零件的工作条件首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。ii计算应力是确定材料使用性能的数量依据。考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。受力状况：载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。环境状况：温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。特殊功能：导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。2.进行失效分析失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能几种常用零件的工作条件和失效形式零件名称工作条件主要失效形式主要机械性能指标重要螺栓交变拉应力过量塑性变形，疲劳断裂强度、塑性传动齿轮交变弯曲应力，交变接触压应力，齿面受滚动摩擦及冲击齿面磨损，疲劳点蚀，轮齿折断，疲劳断裂表面高硬度及疲劳极限、心部强度、韧性轴及曲轴类交变弯曲应力，扭转应力及冲击载荷，颈部摩擦轴颈磨损，疲劳断裂，过量变形综合机械性能弹簧类交变应力，振动失去弹性或疲劳断裂弹性极限、屈强比、疲劳极限3．零件性能要求的指标化将零件对使用性能的要求具体转化力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。(1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。塑性、韧性过剩而降低零件寿命。二、工艺性能原则1、金属材料的工艺性能性能、质量要求不高的零件毛坯→正火或退火→切削加工→零件如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。2、性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）→半精加工→稳定化处理（或氮化）→精加工→稳定化处理→零件。加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。三、经济性原则----根本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。1.材料价格材料成本占零件成本３０－７０％2.零件的总成本包括材料、运输、加工、维护等3.国家的资源第三节典型零件选材及工艺分析一、齿轮疲劳断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位，其次是表面损伤。断裂是齿轮失效的主要形式。齿轮的工作条件、失效形式及其对材料性能的要求1、齿轮的工作条件齿轮主要用于传递扭矩和调节速度，其工作时的受力情况如下：(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。2、齿轮的失效形式按照工作条件的不同，齿轮的失效形式主要有以下几种：(1)疲劳断裂主要从根部发生，这是齿轮最严重的失效形式，常常引起数齿甚至所有齿的断裂。(2)齿面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小。(3)齿面接触疲劳破坏3、齿轮材料的性能要求根据工作条件及失效形式的分析，可以对齿轮材料提出如下性能要求：(1)高的弯曲疲劳强度；(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变形有一定规律等。•齿轮类零件的选材•齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。疲劳强度与齿面硬度之间大致有以下关系，•SB＝k(HV)m•式中，SB为疲劳强度；HV为齿面硬度；k、m为与材料有关的常数。显然，表面硬度越高，疲劳强度也越高。•齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。这方面还没有合适的计算方法，基本上凭经验决定。•从以上两方面考虑，选用低、中碳碳钢或低、中碳合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的材料。•典型齿轮选材举例1、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。因此，按照经验，一般可选中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢。它的工艺路线为：•下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轮齿高频淬火及回火→精磨•正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，改善齿轮表面加工质量。对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。•调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，并可减少齿轮的淬火变形。•高频淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序。通过高频淬火，轮齿表面硬度可达52HRC以上，提高了耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破坏的能力。为了消除淬火应力，高频淬火后进行低温回火。2、汽车齿轮•汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。•汽车齿轮受力较大，•受冲击频繁，•耐磨性、疲劳强度，心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。•采用调质钢高频淬火不能保证要求，•所以，要用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。•我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi，并经渗碳、淬火和低温回火。•渗碳齿轮的工艺路线为：•下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨削加工•正火:提高硬度，便于机加工•渗碳：表面获得高碳成分•淬火及低温回火：•喷丸：二、轴类零件选材轴是机器上最重要的零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上。所以轴主要起传递运动和转矩的作用（一）轴类零件的工作条件(1)轴类零件工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)轴与轴亡零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；(4)多数轴会承受一定的过载载荷。（二）轴类零件的失效方式•由于轴类零件的受力情况及工作条件较复杂，所以其失效方式也是多样的。轴类零件的一般失效方式有长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂；大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂；与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损等。（三）轴类材料的性能要求•根据轴类零件的工作条件和失效方式，对其材料可有以下性能要求：•(1)良好的综合机械性能：足够的强度、塑性和一定的韧性，以防正过载断裂、冲击断裂；•(2)高的疲劳强度，对应力集中敏感性低，以防疲劳断裂；•(3)足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；•(4)良好的切削加工性能，价格便宜。（四）轴类零件材料及选材方法•轴类零件选材时主要考虑强度，同时也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性。•强度设计一方面可保证轴的承载能力，防止变形失效，另一方面由于疲劳强度与拉伸强度大致成正比关系，也可保证轴的耐疲劳性能，并且还对耐磨性有利。•为了兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力，轴一般用经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造。•一般轴类零件常用的优质碳结构钢有：35、40、45、50钢等，其中45钢最常用。为改善其性能，这类钢一般要经正火、调质或表面淬火热处理。•当载荷较大并要求限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等等要求高时采用合金钢。常用的合金钢有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等。采用合金钢必须采取相应的热处理才能充分发挥其作用。•除了上述碳钢和合金钢外，还可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，特别是曲轴的材料。•轴类零件很多，如机床主轴、内燃机曲轴、汽车半铀等．其选材原则主要是根据载荷大小、类型等决定。•承受的载荷主要是弯曲载荷、扭转载荷和轴向载荷。对于弯曲载荷和扭转载荷最大应力值在外表面上；对于轴向载荷，轴截面上应力分布均匀。•所以，主要受扭转、弯曲的轴，可以不必用淬透性很高的钢种；而受轴向载荷的轴，由于心部受力也较大，选用的钢应具有较高的淬透性。