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1、材料的选用现在学习的是第1页，共30页 第一节第一节 零部件的失效零部件的失效 失效失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。的功能。现在学习的是第2页，共30页表表11.1 零件失效的模式及其失效机理零件失效的模式及其失效机理 失效模式失效模式失效机理失效机理 弹性变形失效弹性变形失效畸变失效畸变失效 塑性变形失效塑性变形失效 翘曲畸变失效翘曲畸变失效弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形弹、塑性变形弹、塑性变形 韧性断裂失效韧性断裂失效 低应力脆性失效低应力脆性
2、失效断裂失效断裂失效 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 蠕变断裂失效蠕变断裂失效 介质加速断裂失效介质加速断裂失效塑性变形塑性变形裂纹扩展裂纹扩展疲劳疲劳蠕变断裂蠕变断裂应力腐蚀应力腐蚀 磨损失效磨损失效表面损伤失效表面损伤失效 表面疲劳失效表面疲劳失效 腐蚀失效腐蚀失效磨粒磨损、粘着磨损磨粒磨损、粘着磨损疲劳机理疲劳机理氧化、电化学氧化、电化学现在学习的是第3页，共30页 一、失效形式一、失效形式 常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料的老化失效的老化失效等。等。1 1、变形失效、变形失效 （1 1）弹性变形失效）弹性变形失效 不
3、恰当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的防止弹性畸变的主要措施主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高的增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。材料，防止超载。（2 2）塑性变形失效）塑性变形失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永永久变形久变形)。防止零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材料，进行合理采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。的热处理，防止超载。现在学习的是第4页，共30页2 2、断裂失效、断裂失效 断裂失效断裂失效 机械零件因断裂而产
4、生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂失效韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2 2）脆性断裂失效脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点在交变应力作用下，虽然
5、零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。断裂。现在学习的是第5页，共30页v低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 v石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力应力远远低于材料的屈服应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固作用下，由于材料自身固有的有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为，称为低应力脆性断裂低应力脆性断裂。v低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为低应力脆性断裂按
6、其断口的形貌可分为解理断裂解理断裂和和沿沿晶断裂晶断裂。解理断口解理断口沿晶断口沿晶断口现在学习的是第6页，共30页v3 3、表面损失失效、表面损失失效v由于由于磨损、疲劳、腐蚀磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所须的形等原因，使零部件表面失去正常工作所须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效表面损伤失效。v 磨损磨损(wear)(wear)失效失效v任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失成
7、零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。效。v 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)失效失效v由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。效称为腐蚀失效。v 表面疲劳失效表面疲劳失效v 表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。现在学习的是第7页，共30页v4 4、材料的老化、材料的老化
8、v 高分子材料在贮存和使用过程中发生高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失从而失去原有性能指标的现象去原有性能指标的现象，称为，称为高分子材料高分子材料的老化的老化。老化是高分子材料不可避免的。老化是高分子材料不可避免的。现在学习的是第8页，共30页v二、失效原因二、失效原因v 造成零部件失效的原因很多，主要有造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用设计、选材、加工、装配使用等因素。等因素。v1 1、设计不合理、设计不合理 v2 2、选材错误、选材错误v3 3、加工工艺不当、加工工艺不当 v4 4、装配使用不当、装配使
9、用不当现在学习的是第9页，共30页v三、失效分析三、失效分析 v1 1、失效分析的、失效分析的一般程序一般程序v 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。测量，拍照留据，确定重点分析的部位。v 调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。v 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。、加工、安装、使用维护等方面的资料。v 试验研究试验研究现在学习的是第10页，共30页 第二节第二节 零部件的选材零部件的选材
10、v一、选材的基本原则一、选材的基本原则 v1 1、使用性能原则、使用性能原则 v材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。使用性使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的能指零件在使用状态下材料应该具有的机机械性能、物理性能、化学性能。械性能、物理性能、化学性能。v2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 v材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。现在学习的是第11页，共30页（1 1）金属材料的工艺性能）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。影响零件的
11、成形，还大大影响其最终性能。金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线现在学习的是第12页，共30页v（2 2）高分子材料工艺性能）高分子材料工艺性能v高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成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，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。，使热固性塑料烧焦。高分子材料的加工工艺路
12、线高分子材料的加工工艺路线 现在学习的是第13页，共30页v（3 3）陶瓷材料的工艺性能）陶瓷材料的工艺性能v 陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。、可塑成形等。v 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 现在学习的是第14页，共30页v3 3、经济性原则、经济性原则 v满足使用性能要求的前
13、提下，满足使用性能要求的前提下，采用便宜的采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。济效益。现在学习的是第15页，共30页材料的相对价格材 料相 对 价 格材 料相 对 价 格碳素结构钢低合金结构钢优质碳素结构钢易切削钢合金结构钢铬镍合金结构钢滚动轴承钢弹簧钢11.21.71.41.521.71.932.12.91.61.9碳素工具钢低合金工具钢高合金工具钢高速钢铬不锈钢铬镍不锈钢普通黄铜球墨铸铁1.41.52.43.75.47.213.515820132.42.9现在学习的是第16页，共30页选择材料的基本过程选择材料的基本过程现在学习的是第1
14、7页，共30页v二、典型零部件选材及工艺分析二、典型零部件选材及工艺分析 v 齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材v1 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、主要失效形式及对性能的要求。v 齿轮的齿轮的工作条件工作条件：啮合齿表面承受较大的既有：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。匀时，承受冲击载荷。现在学习的是
15、第18页，共30页v 齿轮的齿轮的主要失效形式主要失效形式：断齿：除因过载（主要是冲：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，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。于传递动力时，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。生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。v 对齿轮材料的对齿轮材料的性能要求性能要求：高的弯曲
16、疲劳强度；高：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。和韧性。现在学习的是第19页，共30页v2 2、典型齿轮的选材、典型齿轮的选材v 机床齿轮机床齿轮 机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。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。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。一般可选中碳钢一般可选中碳钢(45(45钢钢)制造，为制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr(40Cr钢钢
17、)。机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 工艺路线为工艺路线为：下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频淬高频淬火及低温回火火及低温回火-精磨。精磨。现在学习的是第20页，共30页v（2）汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮v与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大受力较大，受冲击频繁，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。，因而对性能的要求较高。v这类齿轮通常使用这类齿轮通常使用合金渗碳钢合金渗碳钢（例如：（例如：20CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。v其工艺路线为：备料其工艺路线为：备料锻造锻造
18、正火正火机械加工机械加工渗碳渗碳淬火淬火+低温回大低温回大喷丸喷丸磨削磨削装配。装配。现在学习的是第21页，共30页v 轴类零部件的选材轴类零部件的选材v1 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，主要失效形式及对性能的要求。v 轴的轴的工作条件：工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载荷作用传递扭矩，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。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颈承受较大的磨擦。承受一定的过载或冲击载荷。现在学习的是第22页，共30页v 轴的主要轴的主要失效形式失效形式：疲劳断裂
19、：疲劳断裂 由于受交变的扭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。断裂失效裂，这是最主要的失效形式。断裂失效 由于受过由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失效效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。v 对轴用材料的对轴用材料的性能要求：性能要求：高的疲劳强度，以防止疲劳高的疲劳强度，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。断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好的耐磨
20、性，以防止轴颈磨损。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。现在学习的是第23页，共30页v2 2、典型轴的选材、典型轴的选材 v 机床主轴机床主轴 v 主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。轴颈和锥孔处有磨擦。v C620C620车床主轴可选用车床主轴可选用4545钢钢，经调质处理后，硬度为，经调质处理后，硬度为220250HB220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46-46-54
21、HRC54HRC。v其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工调质调质精机械加工精机械加工表面淬火表面淬火+低温回火低温回火磨削磨削装配装配 现在学习的是第24页，共30页v 汽轮机主轴汽轮机主轴 v汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。荷及离心力和温度的联合作用。v因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在大的夹
22、杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500500以以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。现在学习的是第25页，共30页v对于工作在对于工作在450450以下的材料，如果汽轮机功率较小以下的材料，如果汽轮机功率较小12000kW12000kW12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo35CrMo钢钢，以提高淬透性。对于工作在，以提高淬透性。对于工作在500500以上的主轴，以上的主轴，由于汽轮机功率大（由于汽轮机功率大（125000kW125000kW），要求高温强度高，需选），要求高温强度高，需选用珠光体耐
23、热钢，通常高中压主轴选用用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA钢钢，低压主轴选用，低压主轴选用15CrMo15CrMo或或17CrMoV17CrMoV钢钢。对于工作。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢热钢20Cr3MoWV20Cr3MoWV（540540）或铁基耐热合金）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTiCr14Ni26MoTi（650650）、）、Cr14Ni35MoWTiAlCr14Ni35MoWTiAl（680680）制造。）制造。现在学习的是
24、第26页，共30页气轮机主轴的工艺路线为：气轮机主轴的工艺路线为：备料备料锻造锻造第一第一次正火次正火去氢处理去氢处理第二次正火第二次正火高温回高温回火火机械加工机械加工成品。成品。现在学习的是第27页，共30页v 内燃机曲轴内燃机曲轴 v曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。作用。v按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的曲轴选用正火态的4545钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的轴选用调质态的4545钢、调质态的中
25、碳合金钢（例如钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr40Cr）或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用强度级别再高一）或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢（例如些的合金钢（例如42CrMo42CrMo等）。等）。现在学习的是第28页，共30页v内燃机曲轴的工艺路线为：内燃机曲轴的工艺路线为：备料备料锻造锻造正正火火粗机械加工粗机械加工调质调质精机械加工精机械加工轴颈轴颈表面淬火表面淬火+低温回火低温回火磨削磨削装配。装配。v近年来常采用球墨铸铁代替近年来常采用球墨铸铁代替4545钢制作曲轴，钢制作曲轴，其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料熔炼熔炼铸造铸造正火正火高温回火高温回火机械加工机械加工轴颈表面淬火轴颈表面淬火+低温回低温回火火装配。装配。现在学习的是第29页，共30页毛坯制造方法选择的原则毛坯制造方法选择的原则v毛坯制造方法选择的指导思想；v毛坯制造方法选择的适用性原则；v毛坯制造方法选择的经济性原则；v毛坯制造方法选择的可行性原则。现在学习的是第30页，共30页