《失效与选材》PPT课件.ppt

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1、第8章 失效与选材,8.1 失效分析,1.定义：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。当零部件丧失预定的功能时，即发生了零件的失效。,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,一、材料失效的概念,2.零件失效的基本形式,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。,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。,二、失效分析方

2、法,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、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。,3、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。,4、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。,5、力学分析 检查分析失效零件 的应力分布、

3、承载能力以及脆断倾向等。,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）（b）图8-5 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌（a）宏观形貌（b）微观解理花样,1）脆性断口,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）（b）图8-7 韧性断口的宏观及微观形貌（a）纤维状韧性宏观断口（b）微观典型韧窝形貌,2）韧性断口,（a）（b）（c）图8-8 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,疲劳源,疲劳裂纹扩展区,“贝纹”状花样,瞬时断裂区,3）疲劳断口,1、齿轮的失效 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件

4、，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8-9 齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）,(3)零件失效分析实例,齿轮的失效行为,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8-10 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：,3、

5、铁路钢轨的失效,钢轨伤损的主要形式,（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

6、)（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）工艺性能原则,（三）经济性原则,（四）环境与资源原则,根本原则,三、材料选用原则,7.2 典型机械零件的选材分析,1、齿轮的工作条件(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。,7.2.1齿轮,2、齿轮的失效形式,疲劳断裂,齿面磨损,(1)疲劳断裂 主要从根部发生；(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 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或

7、称麻点)；(4)过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。,3、齿轮材料的性能要求,(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，如热处理变形小等。,4、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。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。选用低、中碳钢或其合金钢。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。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。,5、典型齿轮选材举例,一、机床齿轮机床变速箱齿轮担

8、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)。齿面硬度HRC5058,齿心硬度200280HBS,其工艺路线为：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。或:下料-锻造-粗加工-正火-精加工-高频淬火+低温回火-精磨冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外,有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮,工作时传动平稳,噪声减少,长期使用磨损很小。,二、汽车齿轮

9、,汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。其硬度HRC5862,其心部硬度HRC3040,汽车后桥齿轮,渗碳齿轮的工艺路线为：下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬火+低温回火-喷丸-磨削加工。,7.2.2轴类零件的选材,1 轴类零件的工作条件 1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；2)轴与轴上零件有相对运动,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。,2 轴类零件的失效方式,直升飞机螺旋桨

10、驱动齿轮轴扭断,(1)长期交变载荷下疲劳断裂（扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；(3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损,3 轴类零件的性能要求,(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；(2)高疲劳强度,对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；(3)足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；(4)良好切削加工性能,价格便宜。,4 轴类零件材料及选材方法,一、材料经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综

11、合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。二、选择原则根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，心部受力较大，应具有较高淬透性,5 典型轴的选材,一、机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。大

12、端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。主轴用45钢制造。载荷较大的主轴用40Cr钢制造。承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）制造。,C620车床主轴简图,二、内燃机曲轴选材,1.曲轴的工作条件、性能要求、材料（1）工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。（3）曲轴材料 锻钢曲轴：

13、优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo钢等；铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5等。,2.175A型农用柴油机曲轴选材,（1）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求b750 MPa,2%,ak150 kJ/m2 心部硬度=HBS207241 HBS 轴颈表面硬度=HRC5262。,175A型柴油机曲轴简图,（2）曲轴材料,用球墨铸铁QT700-2代替45号钢（3）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮+回火。汽车发

14、动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后,在轴颈部位进行表面淬火。,7.3 工程材料在汽车方面的应用,本章主要介绍工程材料在汽车、机床、仪器仪表、热能设备、化工设备和航空航天器等典型设备装置上的应用情况。学习目标 熟悉工程材料在汽车、机床上的应用情况，一般了解工程材料在仪器仪表、热能设备、化工设备和航空航天器等典型设备装置上的应用情况。,7.3.1 汽车用金属材料,汽车主要结构可分为四部分：(1)发动机 提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。(2)底盘 包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、

15、转向蜗杆等)和制动系(油泵或气泵、刹车片等)。(3)车身 驾驶室、货箱等。(4)电气设备 电源、起动、点火、照明、信号、控制等。,汽车发动机和传动系示意图,一、缸体和缸盖,缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：灰铸铁或合金铸铁、铝合金。,二、缸套,气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合

16、金等办法对缸套进行表面处理。,三、活塞、活塞销和活塞环,活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组，活塞组在工作中受周期性变化的高温、高压燃气(温度最高可达2000，压力最高可达13 MPa15 MPa)作用，并在气缸内作高速往复运动(平均速度一般为9 m/s13 m/s)，产生很大的惯性载荷。活塞材料的要求是热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。常用的活塞材料是铝硅合金。活塞销材料一般用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理。镀

17、多孔性铬后可使环的工作寿命提高23倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等。,四、连杆,连杆连接活塞和曲轴，作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个很复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉、压应力，又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。,1 小头与连杆的过渡处2 连杆中间 3 大头与连杆的过渡处连杆上的三个

18、高应力区域,五、气门,气门工作时，需要承受较高的机械负荷和热负荷，排气门工作温度高达650 850。气门头部还承受气压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。气门经常出现的故障有：气门座扭曲、气门头部变形、气门座面积碳时引起燃烧废气对气门座面强烈地烧蚀。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造,排气门则要求用高铬耐热钢（如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。,六、汽车半轴,汽车半轴在工作时主要承受扭转力矩和反复变曲以及一定的冲击载荷。在通常情况下，半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，但断裂现象也不时发

19、生。要求半轴材料具有高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。汽车半轴是要求综合机械性能较高的零件，通常选用调质钢制造。中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr。重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。,1 突缘与杆部相连部位 2 花键与杆部相连部位 3 花键端 半轴易损坏部位示意图,七、车身、纵梁、档板等冷冲压零件,在汽车零件中，冷冲压零件种类繁多，约占总零件数的50%60%。汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，其中主要是钢板，包括热轧钢板和冷轧钢板，如钢板08、20、25和16Mn等。,7.3.2 汽车用塑料,一、内饰用塑料内饰用主要塑料品种为聚氨酯(PU)

20、、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和ABS等。内饰塑料制品，主要有：座垫、仪表板、扶手、头枕、门内衬板、顶棚衬里、地毯、控制箱、转向盘等。,聚氨酯汽车座椅,二、汽车用工程塑料,1.聚丙烯 主要用于通风采暖系统、发动机的某些配件以及外装件，如真空助推器，汽车转向盘、仪表板、前、后保险杠、加速踏板、蓄电池壳、空气滤清器、冷却风扇、风扇护罩、散热器格栅、转向机套管、分电器盖、灯壳、电线覆皮等。2.聚乙烯 可用于制造汽油箱、挡泥板、转向盘、各种液体储罐以及衬板。聚乙烯在汽车上最重要的用途是用于制造汽油箱。3.聚苯乙烯 主要用作各种仪表外壳、灯罩及电器零件。4.ABS 制作汽车用车轮罩、保险杠垫板、镜

21、框、控制箱、手柄、开关喇叭盖、后端板、百叶窗、仪表板、控制板、收音机壳、杂物箱、暖风壳等。5.聚酰胺(尼龙)可用于制造燃油滤清器、空气滤清器、机油滤清器、正时齿轮、水泵壳、水泵叶轮、风扇、制动液罐、动力转向液罐、雨刷器齿轮、前大灯壳、百叶窗、轴承保持架、保险丝盒、速度表齿轮等。6.聚甲醛(POM)主要用来制作各种阀门，如排水阀门、空调器阀门；各种叶轮，如水泵叶轮、暖风器叶轮、油泵叶轮；轴套及衬套如行星齿轮和半轴垫片、钢板弹簧吊耳衬套；轴承保持架等机能结构件，各种电器开关及电器仪表上的小齿轮，各种手柄及门销等。7.饱和聚酯 饱和聚酯有PBT(对苯二甲酸丁二醇酯)和PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。

22、制造后窗通风格栅、车尾板通风格栅、前档泥板延伸部分、灯座、车牌支架等车身部件，分电器盖、点火线圈架、开关、插座等电器零件，冷却风扇、雨刷器杆、油泵叶轮和壳体、镜架、各种手柄等机能结构件。,三、汽车外装及结构件用纤维增强塑料复合材料,汽车上常用的是玻璃纤维和热固性树脂的复合材料，可用于制造汽车顶棚、空气导流板、前灯壳、发动机罩、挡泥板、后端板、三角窗框、尾板等外装件。用碳纤维增强塑料复合材料制成的汽车零件，还有传动轴、悬挂弹簧、保险杠、车轮、转向节、车门、座椅骨架、发动机罩、格栅、车架等。,7.3.3 汽车用橡胶,汽车的主要橡胶件是轮胎，此外还有各种橡胶软管、密封件、减震垫等。生胶是轮胎最重要的

23、原材料。轿车轮胎以合成橡胶为主，而载重轮胎以天然橡胶为主。,轮胎,7.3.4 汽车用陶瓷材料,汽车发动机火花塞采用Al2O3制造。日本、美国绝热发动机上采用工程陶瓷，如日野汽车公司开发的陶瓷复合发动机系统，该发动机气缸套、活塞等燃烧室件中有40%左右是陶瓷件。使用的陶瓷有ZrO2、Si3N4等。采用Si3N4制造气阀头、活塞顶、气缸套、摇臂镶块、气门挺杆等。,陶瓷摇臂镶块,工程材料课程总结,工程材料课程从机械工程的应用角度出发，阐明了机械工程材料的基本理论，介绍了材料的成分，加工工艺、组织、结构与性能之间的关系；介绍了常用机械工程材料及其应用等基本知识。同学学习应当在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。工程材料课程由三部分内容组成：第一部分为基本理论部分，阐述了工程材料的结构、组织和性能以及它们之间的关系；金属材料组织与性能的影响因素和规律；表面技术等。第二部分为工程材料知识部分，介绍了常用金属材料的成分、组织、性能及其应用知识。第三部分为工程材料的应用部分，介绍机械零件的失效与选材知识，以及工程材料在汽车、机床等领域的应用情况。,