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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流零部件的失效与选材.精品文档.第十三章 零部件的失效与选材第一节 零部件的失效一、失效概念所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。二、失效形式零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损
2、伤失效(surface damage failure)及材料老化失效(materials ageing failure)等。1、变形失效 弹性变形失效 一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。 塑性变形失效 零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件
3、间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。2、断裂失效断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种： 韧性断裂(toughness fracture)失效材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。图13-1 韧窝断口 脆性断裂(brittle fracture)失效材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（60HRC”或“6265H
4、RC”等。这是选材最关键、最困难的一步。需根据零部件的尺寸及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确定性能指标的具体数值。 材料的预选 根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。对用预选材料设计的零部件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低、以最优方案的材料作为所选定的材料。2、工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。因此在满足使用性能选材的同时，必
5、须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、生产效率和成本。当工艺性能与使用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合格的材料不得不被放弃，成为选择材料的主导因素。工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。 金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括介绍如下： 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。主要是切削加工性能、材料的成型性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。 铸造性能主要指流动性、收缩性、热裂倾向性、偏折和吸气性等。接近共晶成
6、分合金的铸造性能最好。铸铁、硅铝明等一般都接近共晶成分。铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。 锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力以及可热压力加工的温度范围，抗氧化性和对加热、冷却的要求等。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低合金钢的锻造性接近中碳钢。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。形变铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。 切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来
7、衡量。材料硬度在160230HB范围内时，切削加工性能好。硬度太高，则切削抗力大，刃具磨损严重，切削加工性下降。硬度太低，则不易断屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳钢具有球状碳化物组织时，其切削加工性优于层片状组织。马氏体和奥氏体的切削加工性差。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）切削加工性也差。 焊接性能是指金属接受焊接的能力。一般以焊接接头形成冷裂或热裂以及气孔等缺陷的倾向大小来衡量。含碳量大于0.45%的碳钢和含碳量大于0.38%的合金钢，其焊接性能较差，碳含量和合金元素含量越高、焊接性能越差，铸铁则很难焊接。铝合金和铜合金，由于易吸气、散热快，其焊接性比碳钢差。 热处理工艺性能主要
8、指淬透性、变形开裂倾向及氧化、脱碳倾向等。钢和铝合金、钛合金都可以进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能优于碳钢。形状复杂或尺寸大、承载高的重要零部件要用合金钢制作。碳钢含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选渗碳用钢时，要注意钢的过热敏感性；选调质钢时，要注意钢的高温回火脆性；选弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。 高分子材料工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。 陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为：
9、备料成形加工（配料、压制、烧结）磨加工装配。陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨加工外，几乎不能进行任何切削加工。3、经济性原则选材的经济性原则是在满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的总成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本、减少运输、实验研究费用。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不应选用合
10、金钢。在满足使用要求的条件下，可以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本、简化加工工艺。例如用球墨铸铁代替锻钢制造中、低速柴油机曲轴、铣床主轴，其经济效益非常显著。对于要求表面性能高的零部件，可选用低廉的钢种进行表面强化处理来达到要求。当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最便宜的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。例如，一些能影响整体生产装置中的关键零部件，如果选用便宜材料制造，则需经常更换，其换件时停车所造成的损失可能大得多，这时选用性能好、价格高的材料，其总成本仍可能是最低的。
11、二、典型零部件选材及工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能
12、，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。 齿轮类零件的选材齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。 齿轮的工作条件：啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。 齿轮的主要失效形式：断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力
13、时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。 对齿轮材料的性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；轮齿心部要有足够的强度和韧性。2、典型齿轮的选材 机床齿轮 机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。表13-3 机床齿轮的选材及热处理序号齿轮工作条件钢种热处理工艺硬度要求1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮159009500C渗碳，直接淬火，或7808000C水冷，1802000C回火5863
14、HRC2低速（0.1m/s）、低载荷下工作的不重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮458408600C正火156217HB3低速（0.1m/s）、低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）458208400C水冷，5005500C回火200250HB4中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如车床变速箱中的次要齿轮）45高频加热，水冷，3003400C回火4550HRC5速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿部硬度要求较高（如钻床变速箱中的次要齿轮）45高频加热，水冷，2402300C回火5055HRC6高速、中等载荷，要求齿面硬度高的齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）45高频加热，水冷，1802000C回火5460HRC7速
15、度不大，中等载荷，断面较大的齿轮（如铣床工作面变速箱齿轮、立车齿轮）40Cr42SiMn45MnB8408600C油冷，6006500C回火200230HB8中等速度（24m/s）、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮40Cr42SiMn调质后高频加热，乳化液冷却，2603000C回火5055HRC9高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮40Cr42 SiMn调质后高频加热，乳化液冷却，1802000C回火，5460HRC10高速、中载荷、受冲击、模数6的齿轮（如立车上的重要齿轮）20SiMnVB20CrMnTi9009500C渗碳，降温至8208500C淬火，1802000C回火5863H
16、RC12高速、重载荷、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮38CrMoAl38CrAl正火或调质后5105500C氮化850HV以上13在不高载荷下工作的大型齿轮50Mn265Mn8208400C空冷241HB14传动精度高，要求具有一定耐磨性的大齿轮35CrMo8508700C空冷，6006500C回火（热处理后精切齿形）255302HB机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达5258HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。其工艺路
17、线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工高频淬火+低温回火装配。正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度一般为180207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为3348HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体
18、+残余奥氏体，心部是回火索氏体。 汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。表13-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理序号齿轮类型常用钢种热处理主要工序技术条件1汽车变速箱和分动箱齿轮20CrMnTi20CrMo等渗碳层深：mn3时，0.6-1.0mm； 3 mn 5时，1.1-1.5mm齿面硬度：58-64HRC心部硬度：mn5时, 32-45HRC；mn 5时，29-45HRC40Cr（浅层）碳氮共渗层深：0.2mm表面硬度：51-61HRC2汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮20CrMnTi 20CrMo渗碳渗层深度按图纸要求，硬要求同序号1中渗碳工序层深：ms5时 ,
19、0.9-1.3mm；5 ms 8时，1.2-1.6mm齿面硬度：58-64HRC心部硬度：ms8时，32-45HRC；ms 8时，29-45HRC汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮20CrMnTi20CrMnMo渗碳3汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮20CrMnTi20CrMo20CrMnMo渗碳同序号1渗碳的技术条件4汽车发动机凸轮轴齿轮灰口铸铁HT180HT200170-229HB5汽车曲轴正时齿轮35、40、4540Cr正火149-179HB调质207-241HB6汽车起动机齿轮15Cr20Cr20CrMo15CrMnM,20CrMnTi渗碳层深：0.7-1.1mm表面硬度：58-63HRC心部
20、硬度：33-43HRC7汽车里程表齿轮20（浅层）碳氮共渗层深：0.2-0.35mm8拖拉机传动齿轮，动力传动装置中的圆柱齿轮，圆锥齿轮及轴齿轮20Cr20CrMo,20CrMnMo20CrMnTi,30CrMnTi渗碳层深：模数的0.18倍，但2.1mm各种齿轮渗层深度的上下限0.5mm,硬度要求序号1、240Cr,40Cr（浅层）碳氮共渗同序号1中碳氮共渗的技术条件9拖拉机曲轴正时齿轮，凸轮轴齿轮，喷油泵驱动齿轮45正火156-217HB调质217-255HB灰口铸铁HT180170-229HB10汽车拖拉机油泵齿轮40，45调质28-35HRC mn法向模数； ms端面模数与机床齿轮比较
21、，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料锻造正火机械加工渗碳淬火+低温回大喷丸磨削装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度为3545HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约23HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。 轴类
22、零部件的选材 轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。 轴的工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。轴颈承受较大的磨擦。承受一定的过载或冲击载荷。 轴的主要失效形式：疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。 对轴用材料的性能要求：高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好
23、的耐磨性，以防止轴颈磨损。2、典型轴的选材对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。 机床主轴图13-8为C620车床主轴简图。该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高， 冲击载荷也不大。轴颈和锥孔处有磨擦。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为4654HRC。其工艺路图13-8 C620车床主轴简图线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工表面淬火+低温回火磨削装配。正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。表13-5 根据工作条件推荐选用的机床主轴材料及其热处理工艺序号工作条件选用钢号热处理工艺硬度要求