机械零件的失效分析与选材.ppt

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1、第十一章第十一章 机械零件的失效分析与选材机械零件的失效分析与选材13.113.1 机械零件的失效分析机械零件的失效分析13.13.2 2 选材原则选材原则13.13.3 3 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺2021/9/231 第一节第一节第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析机械零件的失效分析机械零件的失效分析 失失效效 零零件件由由于于种种种种原原因因，导导致致其其尺尺寸寸、形形状状、或或材材料料的的组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。2021/9/232 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

2、、断裂失效、表面损伤失效变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。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。防防止止弹弹性性畸畸变变的的主主要要措措施施：增增加加零零件件截截面面、采采用用弹弹性性模模量量高高的的材料，防止超载。材料，防止超载。（2 2）塑性变形失效）塑性变形失效外外加加应应力力超超过过零零件件材材料料的的屈屈服服极极限限时时发发生生明明显显的的塑塑性性变变形形(永永久变形久变形)。防防止止零零件件塑塑性性变变形形失失效效的的措措施施：采采用用屈屈服服强强度度高高的的材材料料，进进行行合理的热处理，防止超

3、载。合理的热处理，防止超载。2021/9/2332 2、断裂失效、断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂）韧性断裂 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。宏宏观观变变形形方方式式为为颈颈缩缩，典典型型断断口口呈呈韧韧窝窝状状，韧韧窝窝是是由由于于空空洞洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2 2）脆性断裂脆性断裂 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。（3 3）疲劳断裂疲

4、劳断裂 在在交交变变应应力力作作用用下下，虽虽然然零零件件所所承承受受的的应应力力低低于于材材料料的的屈屈服服点点，但但经经过过较较长长时时间间的的工工作作而而产产生生裂裂纹纹导导致致发发生生断断裂裂，称称金金属的疲劳断裂。属的疲劳断裂。2021/9/234（4）蠕变断裂蠕变断裂即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效。由于变形过大或断裂而导致的失效。金属材料一般在高温下金属材料一般在高温下才会产生明显的蠕变，而聚合物在常温下受载就会产生显著才会产生明显的蠕变，而聚合物在常温下受载就会产生显著的蠕变。

5、如架空的聚录乙烯电线管在电线和自重的作用下发的蠕变。如架空的聚录乙烯电线管在电线和自重的作用下发生的缓慢的挠曲变形。生的缓慢的挠曲变形。蠕变断裂蠕变断裂2021/9/2353 3、表面损失失效、表面损失失效由由于于磨磨损损、疲疲劳劳、腐腐蚀蚀等等原原因因，使使零零部部件件表表面面失失去去正正常常工工作作所所必必须须的的形形状状、尺尺寸寸和和表表面面粗粗糙糙度度造造成成的的失失效效，称称为为表表面面损损伤伤失失效。常见的有三种形式：效。常见的有三种形式：磨损失效磨损失效任任何何两两个个相相互互接接触触的的零零部部件件发发生生相相对对运运动动时时，其其表表面面会会发发生生磨磨损损，造造成成零零部部

6、件件尺尺寸寸变变化化、精精度度降降低低而而不不能能继继续续工工作作，这这种种现现象称为磨损失效。如磨粒磨损和粘着磨损。象称为磨损失效。如磨粒磨损和粘着磨损。表面疲劳表面疲劳相相互互接接触触的的两两个个运运动动表表面面，在在工工作作过过程程中中承承受受交交变变接接触触应应力力的的作作用用，是是表表层层材材料料发发生生疲疲劳劳破破坏坏而而脱脱落落，造造成成零零件件失失效效称称为为表表面疲劳失效。面疲劳失效。2021/9/236（3 3）腐蚀失效）腐蚀失效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。的失效称为腐蚀失效

7、。失效统计：失效统计：失效统计：失效统计：断裂仅占断裂仅占5%5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%74%2021/9/237潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形零件失效的实例零件失效的实例零件失效的实例零件失效的实例2021/9/238潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损轴瓦磨损轴瓦磨损202

8、1/9/239常见零件的工作条件和失效形式常见零件的工作条件和失效形式常见零件的工作条件和失效形式常见零件的工作条件和失效形式零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形形，轴颈磨损，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极限表面高硬

9、度及疲劳极限，心部强度及韧性，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限2021/9/2310二、失效原因二、失效原因 造造成成零零部部件件失失效效的的原原因因很很多多，主主要要有有设设计计、选选材材、加加工工、装配使用等因素。（见下页）装配使用等因素。（见下页）1 1、设计不合理、设计不合理 2 2、选材不合理、选材不合理 3 3、加工工艺不合理、加工工艺不合理 4 4、装配及使用不当、装配及使用不当2021/9/2311高温蠕变高温蠕变零零件件失失效效加加 工工设设 计计计算错误计算错误

10、热处理缺陷热处理缺陷焊接缺陷焊接缺陷 结构外形不合理结构外形不合理工作条件估计错误工作条件估计错误冷加工缺陷冷加工缺陷铸锻造缺陷铸锻造缺陷安装使用维护环境安装使用维护环境材料材料材质低劣材质低劣选材不当选材不当操作失误操作失误过载使用过载使用维护不良维护不良安装不良安装不良腐蚀腐蚀低温脆性低温脆性2021/9/2312现场调查现场调查失效特征失效特征服役条件服役条件失效部位取样分析失效部位取样分析查阅相关原始资料查阅相关原始资料原始资料的正确性原始资料的正确性制造过程的执行情况制造过程的执行情况冷热加工质量冷热加工质量材料成分材料成分综合分析综合分析解决方案解决方案正在使用和库存件的解决方案正

11、在使用和库存件的解决方案新生产件的解决方案新生产件的解决方案台架试验台架试验使用考验使用考验三、失效分析三、失效分析 的一般程序的一般程序2021/9/2313 第二节第二节第二节第二节 机械零件的选材原则机械零件的选材原则机械零件的选材原则机械零件的选材原则选材的基本原则选材的基本原则 1 1、使用性能原则、使用性能原则 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。使用性能指零件在使用状使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的态下材料应该具有的机械性能、物理性能、化学性能。机械性能、物理性能、化学性能。2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材

12、料的工艺性能应满足生产工艺的要求。3 3、经济性原则、经济性原则 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。至最低，取得最大的经济效益。2021/9/2314一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 分析零件的工作条件，确定其使用性能：分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、

13、集中分布）与大小，应力状态；与大小，应力状态；工作环境：工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；（有无腐蚀介质、润滑剂）；其它要求：其它要求：如导热性、密度与磁性等。如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。蚀介质中工作则要求耐蚀性等。2021/9/23152021/9/2316力学性能指标的综合作用力学性能

14、指标的综合作用 一一般般情情况况下下，在在提提高高材材料料的的强强度度的的同同时时，塑塑、韧韧性性就就要要下下降降，当当塑塑、韧韧性性下下降降到到一一定定值值时时，在在低低应应力力的的作作用用下下材材料料也也易易产产生生微微裂裂纹纹，从从而而使使得得承承载载能能力力下下降降。所所以以，在在对对零零件件进进行行选选材材时时一一定定要要考考虑虑力力学学性性能能指指标标的的综综合合作作用用，充充分分考考虑虑零零件件力力学学性性能能的的强强韧韧性性配配合合。为为了了保保证证零零件件的的安安全全，要要求求零零件件既既具具有有高高强强度度又又具具有有较较高高的的韧韧性性。一一般般只只是是根根据据下下列列原

15、原则则定定性性的的确确定定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。其可靠性往往仍需按实际试验来验证。2021/9/2317 对于对于静载荷静载荷，结构上存在非尖锐缺口，结构上存在非尖锐缺口(如结构小孔、键槽、如结构小孔、键槽、凸肩等凸肩等)的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。对于对于承受小能量多次冲击的零件承受小能量多次冲击的零件，以及结构上存在尖锐缺，以及结构上存在尖锐缺口和内部口和内部存在裂纹存在裂纹的零件，强度（的零件，强度（疲劳强度、断裂韧度疲劳强

16、度、断裂韧度）是）是非常重要的因素。非常重要的因素。对于在对于在低温下工作的零件低温下工作的零件，常选择韧性较大的材料。，常选择韧性较大的材料。对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。2021/9/2318二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则 材料的工艺性能材料的工艺性能可定义为材料适应各种可定义为材料适应各种加工工艺加工工艺而获得规定的而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、使用性能和外形的

17、能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。质量。2021/9/23191.1.铸造性能铸造性能 凡凡相相图图上上液液-固固相相线线间间距距越越小小、越越接接近近共共晶晶成成

18、分分的的合合金金均均具具有有较较好好的的铸铸造造性性能能。因因此此铸铸铁铁、铸铸造造铝铝合合金金、铸铸造造铜铜合合金金的的铸铸造造性性能能优优良良；在在应应用用最最广广泛泛的的钢钢铁铁材材料料中中，铸铸铁铁的的铸铸造造性性能能优优于于铸铸钢钢，在在钢钢的的范范围围，中中、低低碳碳钢钢的的铸铸造造性性能能又又优优于于高高碳碳钢钢，故故高碳钢高碳钢较少用做铸件。较少用做铸件。2021/9/23202.2.压力加工性能压力加工性能 包包括括变变形形抗抗力力，变变形形温温度度范范围围，产产生生缺缺陷陷的的可可能能性性及及加加热热、冷冷却却要要求求等等。一一般般来来说说，铸铸铁铁不不可可压压力力加加工工

19、，而而钢钢可可以以压压力力加加工工但但工工艺艺性性能能有有较较大大差差异异，随随着着钢钢中中碳碳及及合合金金元元素素的的含含量量增增高高，其其压压力力加加工工性性能能变变差差；故故高高碳碳钢钢或或高高碳碳高高合合金金钢钢一一般般只只进进行行热热压压力力加加工工，且且热热加加工工性性能能也也较较差差，如如高高铬铬钢钢、高高速速钢钢等等。变变形形铝铝合合金金和和大大多多数数铜铜合合金金，像像低低碳碳钢钢一一样样具具有有较较好好的压力加工性能。的压力加工性能。2021/9/23213.3.焊接性能焊接性能 钢钢铁铁材材料料的的焊焊接接性性随随其其碳碳和和合合金金元元素素含含量量的的提提高高而而变变差

20、差，因因此此钢钢比比铸铸铁铁易易于于焊焊接接，且且低低碳碳钢钢焊焊接接性性能能最最好好、中中碳碳钢钢次次之之，高高碳碳钢钢最最差差。铝铝合合金金、铜铜合合金金的的焊焊接接性性能能一一般般不不好好，应应采采用用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。2021/9/23224.4.机械加工性能机械加工性能 主主要要指指切切削削加加工工性性和和磨磨削削加加工工性性，其其中中切切削削加加工工性性最最重重要要。一一般般来来说说材材料料的的硬硬度度越越高高、加加工工硬硬化化能能力力越越强强、切切屑屑不不易易断断排排、刀刀具具越越易易磨磨损损，其其切

21、切削削加加工工性性能能就就越越差差。在在钢钢铁铁材材料料中中，易易切切削削钢钢、灰灰铸铸铁铁和和硬硬度度处处于于180180230HBS230HBS范范围围的的钢钢具具有有较较好好的的切切削削加加工工性性能能；而而奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、高高碳碳高高合合金金钢钢(高高铬铬钢钢、高高速速钢钢、高高锰锰耐耐磨磨钢钢)的的切切削削加加工工性性能能较较差差。铝铝、镁镁合合金金及及部部分分铜合金具有优良的切削加工性能铜合金具有优良的切削加工性能。2021/9/23235.5.热处理工艺性能热处理工艺性能 必必须须首首先先区区分分是是否否可可进进行行热热处处理理强强化化，如如纯纯铝铝、纯纯铜铜、部部分分

22、铜铜合合金金、单单相相奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢一一般般不不可可热热处处理理强强化化；对对可可热热处处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。2021/9/2324三、经济性合理的选材原则三、经济性合理的选材原则三、经济性合理的选材原则三、经济性合理的选材原则 质质优优、价价廉廉、寿寿命命高高，是是保保证证产产品品具具有有竞竞争争力力的的重重要要条条件件；在在选选择择材材料料和和制制定定相相应应的的加加工工工工艺艺时时，应应考考虑虑选选材材的的经经济性原则。济性原则。所所谓谓经经济济性性选选材材原原则则，不不仅仅是是指指选选择择价价格格最最便便宜宜

23、的的材材料料、或或是是生生产产成成本本最最低低的的产产品品，而而是是指指运运用用价价值值分分析析的的方方法法，综综合合考考虑虑材材料料对对产产品品的的功功能能与与成成本本的的影影响响，以以达达到到最最佳佳的的技技术术经济效益。经济效益。2021/9/2325产品成本分析产品成本分析2021/9/2326基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本（价格、利用率）（价格、利用率）（价格、利用率）（价格、利用率）占总成本的占总成本的3070%3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%30%加工成本加工成本=工具与设备费用工具与设备费用+每件产品成本每

24、件产品成本 生产批量生产批量材材 料料元元/kgkg材材 料料元元/kgkg铂铂290,000290,000 ZnZn3434金金160,000160,000 铝铝2121银银3,5003,500 4040CrCr3.73.7钛钛200 200 碳钢碳钢3.33.3铜铜68 68 生铁生铁2.32.32021/9/2327 四、环保性原则四、环保性原则四、环保性原则四、环保性原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1.1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量重要金属的世界储量 2.2.能源消耗少能源

25、消耗少可用年数可用年数 再生率再生率(%)(%)FeFe12812831.731.7AlAl353516.916.9CuCu323240.940.9ZnZn242421.221.2W W4747AgAg151541.041.0MnMn1414NiNi49493.3.环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解2021/9/2328一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 金金属属材材料料、高高分分子子材材料料、陶陶瓷瓷材材料料及及复复合合材材料料是是目目前前最最主主要要的四大类工程材料。的四大类工程材料。高高分分子子材材料

26、料的的强强度度与与刚刚度度低低、尺尺寸寸稳稳定定性性较较差差且且易易老老化化，在在工工程程上上一一般般不不用用于于受受力力较较大大的的、重重要要的的结结构构零零件件。但但由由于于其其原原料料丰丰富富、生生产产能能耗耗较较低低（为为钢钢的的1/101/10、铝铝的的1/201/20），密密度度低低、弹弹性性较较好好且且减减振振、耐耐磨磨，故故适适合合于于制制造造受受力力不不大大的的普普通通结结构构件件及及减减振振、耐耐磨磨或或密密封封零零件件，如如轻轻载载传传动动齿齿轮轮、轴轴承承、紧紧固固件件、密封件和轮胎等。密封件和轮胎等。第二第二第二第二 节节节节 典型零部件选材及工艺分析典型零部件选材及

27、工艺分析典型零部件选材及工艺分析典型零部件选材及工艺分析 2021/9/2329 陶陶瓷瓷材材料料硬硬而而脆脆、加加工工性性能能差差，也也不不能能用用作作重重要要的的受受力力零零件件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。陶陶瓷瓷材材料料具具有有高高热热硬硬性性及及化化学学稳稳定定性性，可可用用作作耐耐热热、耐耐磨磨、耐耐蚀蚀的的零零件件，如如燃燃烧烧器器喷喷嘴嘴、刀刀具具与与模模具具、石石油油化化工工容容器器等等。由由于于陶陶瓷瓷功功能能材材料料具具有有极极其其广广阔阔的的应应用用前前景景，在在高高新新技技术术产产品品中中占占据据重重要要地地位位，故故有

28、有人人认认为为2121世世纪纪是是“第第二二个个石石器器时时代代”。陶陶瓷瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。2021/9/2330 复复合合材材料料克克服服了了高高分分子子材材料料和和陶陶瓷瓷材材料料的的不不足足，综综合合了了各各种种不不同同材材料料的的优优良良性性能能，具具有有高高的的比比强强度度、比比刚刚度度、抗抗疲疲劳劳、减减振振、耐耐磨磨性性能能优优良良等等特特点点。尤尤其其是是金金属属基基复复合合材材料料，从从力力学学性性能能角角度度看看，可可能能是是最最理理想想的的机机械械工工程程材材料料。但但复复合合材材料料价价格格昂昂贵贵，除除在在航航天

29、天航航空空、船船舶舶、武武器器装装备备等等国国防防工工业业中中的的重重要要结结构构件件上上应应用用外外，在在一一般般的的民民用用工工业业上上应应用用有有限限。但但应应注注意意的的是是，随随着着复复合合材材料料的的生生产产成成本本降降低低，其其应应用用潜潜力力巨大、前景极其广阔。巨大、前景极其广阔。2021/9/2331 金金属属材材料料,尤尤其其是是钢钢铁铁材材料料，与与其其它它工工程程材材料料相相比比，在在力力学学性性能能、工工艺艺性性能能和和生生产产成成本本这这三三者者之之间间保保持持着着最最佳佳的的平平衡衡，具具有有最最强强的的竞竞争争力力，故故金金属属材材料料仍仍然然是是机机械械工工程

30、程材材料料的的主主力力军军。从从这这个个意意义义上上来来讲讲，人人类类仍仍然然生生活活在在以以钢钢铁铁材材料料为为主主的的“铁铁器器时时代代”。以以载载重重汽汽车车用用材材的的重重量量为为例例，钢钢占占6565、铸铸铁铁占占2020、有有色色金金属属占占3 3、非非金金属属材材料料约约占占1212。在在轻轻型型汽汽车车和和轿轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。2021/9/2332二、齿轮类零件选材二、齿轮类零件选材二、齿轮类零件选材二、齿轮类零件选材 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能）应用极广的重要

31、机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。，改变运动速度或方向。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。2021/9/2333齿轮类零件的性能要求齿轮类零件的性能要求齿轮类零件的性能要求齿轮类零件的性能要求1 1工作条件工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；齿齿面面啮啮合合并并发发生生相相对对滑滑动动与与滚滚动动，承承受受较较大大的的交交变变接接触触应应力及强烈的摩擦；力及强烈的摩擦；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一

32、定的冲击力；有有时时有有其其它它特特殊殊条条件件要要求求，如如耐耐高高、低低温温要要求求，耐耐蚀蚀要要求求，抗磁性要求等。抗磁性要求等。2021/9/23342 2主要失效形式主要失效形式 断断裂裂包包括括交交变变弯弯曲曲应应力力引引起起的的轮轮齿齿疲疲劳劳断断裂裂和和冲冲击击过过载导致的崩齿与开裂；载导致的崩齿与开裂；齿齿面面损损伤伤包包括括交交变变接接触触应应力力引引起起的的表表面面接接触触疲疲劳劳（麻麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。2021/9/23353

33、 3主要性能要求主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。足足够够高高的的齿齿面面接接触触疲疲劳劳极极限限和和高高的的硬硬度度、耐耐磨磨性性，以以防防齿齿面损伤。面损伤。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。2021/9/2336（1 1）锻钢）锻钢 齿齿轮轮的的主主要要材材料料。锻锻造造可可改改善善钢钢的的组组织织并并形形成成有有益益的的加加工工流流线线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：主要包括：低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢 20

34、20、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等等，可可通通过过退退火火或或正正火火来来改改善善切切削削加加工工性性能能，通通过过渗渗碳碳后后淬淬火火低低温温回回火火来来保保证证齿齿轮轮的的使使用用性性能能。具具有有表表面面高高硬硬度度(56(5662HRC)62HRC)和和高高耐耐磨磨性性、高高的的弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限和和接接触触疲疲劳劳极极限限，心心部部具具有有足足够够高高的的强强韧韧性性；故适合于制造故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮高速、大冲击的中载和重载齿轮。2021/9/2337中碳钢中碳钢4040、4545钢可用作钢可

35、用作低中速、轻中载、小冲击低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr40Cr、40MnB40MnB合金钢的综合力学性能优于合金钢的综合力学性能优于4040、4545碳钢，可碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。在调质状态使用。中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢，经调质处理钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形

36、微小，主要用做后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高高精度、高速齿轮精度、高速齿轮。2021/9/2338（2 2）铸钢）铸钢 铸钢铸钢 齿齿 轮轮 的的 力力 学学 性性 能能 比比 锻钢差，较少使用，但对某些尺锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大寸大(500mm)500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有常用铸钢牌号有ZG270500ZG270500、ZG310570ZG310570、ZG40CrZG40Cr等。等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求

37、不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。态下使用。2021/9/2339（3 3）铸铁）铸铁 灰灰铸铸铁铁齿齿轮轮具具有有优优良良的的减减摩摩性性、减减振振性性，工工艺艺性性能能好好且且成成本本低低，其其主主要要缺缺点点是是强强韧韧性性欠欠佳佳，故故多多用用于于制制作作低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击的的非非重重要要齿齿轮轮。常常用用牌牌号号有有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等等；由由于于球球墨墨铸铸铁铁的的强强韧韧性性较较好好，故故采采用用QT600-3QT600-3、QT500-7QT50

38、0-7代代替替部部分分铸铸钢钢齿齿轮轮的的趋趋势势越越来来越越大大。铸铸铁铁齿齿轮轮的的热热处处理理方方法法类类似似于铸钢齿轮。于铸钢齿轮。2021/9/2340（4 4）非铁金属）非铁金属 在在仪仪器器仪仪表表及及某某些些特特殊殊条条件件下下工工作作的的轻轻载载齿齿轮轮，由由于于有有耐耐蚀蚀、无无磁磁、防防爆爆等等特特殊殊要要求求，可可采采用用一一些些耐耐磨磨性性较较好好的的有有色色金金属属材材料料制制造造，其其中中最最主主要要的的是是铜铜合合金金，如如黄黄铜铜(如如H62)H62)、铝铝青青铜铜(如如QAl9-4)QAl9-4)、锡锡青青铜铜(如如QSn6.5-0.1)QSn6.5-0.1

39、)、硅硅青青铜铜(如如QSi3-QSi3-1)1)等等。2021/9/2341（5 5）粉末冶金材料）粉末冶金材料 粉粉末末冶冶金金齿齿轮轮材材料料可可实实现现精精密密的的少少、无无切切削削加加工工方方法法，特特别别是是随随着着粉粉末末热热锻锻新新技技术术的的应应用用，所所制制造造的的齿齿轮轮力力学学性性能能优优良良、技技术术经经济济效效益益高高。粉粉末末冶冶金金材材料料一一般般适适用用于于大大批批量量生生产产的的小小齿齿轮轮，如如汽汽车车发发动动机机的的定定时时齿齿轮轮（材材料料Fe-C0.9Fe-C0.9）、分分电电器器齿齿轮轮（材材料料Fe-C0.9-Cu2.0Fe-C0.9-Cu2.0

40、）、农农用用柴柴油油机机中中的的凸凸轮轮轴轴齿齿轮轮（材材料料Fe-Fe-Cu-CCu-C）、联合收割机中的油泵齿轮。）、联合收割机中的油泵齿轮。2021/9/2342对对开开式式传传动动齿齿轮轮，或或低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击或或冲冲击击较较小小的的齿齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；对对闭闭式式传传动动齿齿轮轮，或或中中高高速速、中中重重载载、承承受受一一定定甚甚至至较较大大冲冲击击的的齿齿轮轮，则则宜宜选选用用相相对对较较好好的的材材料料，如如优优质质碳碳钢钢或或合合金金钢钢、并须进行表面强化处理；并须进行表面强化处理；在在齿齿轮

41、轮副副选选材材时时，为为使使两两者者寿寿命命相相近近并并防防止止咬咬合合现现象象，大大、小小齿齿轮轮宜宜选选不不同同的的材材料料，且且两两者者硬硬度度要要求求也也应应有有所所差差异异，通通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。2021/9/23432021/9/23441.1.机床齿轮机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢碳钢(40(40、4545钢钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其制造，经

42、正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达齿面硬度可达50HRC50HRC，齿心硬度为，齿心硬度为220220250HBS250HBS，可满足，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢中碳合金钢(40Cr(40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等)制造，其齿面硬度可提高到制造，其齿面硬度可提高到58HRC58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用重载齿轮，还可选用中碳氮化钢中碳氮化钢(如如35CrMo35CrMo、38

43、CrMoAlA38CrMoAlA等等)进行表面渗氮处理制造。进行表面渗氮处理制造。2021/9/2345机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的简明加工工艺路线：下下 料料 锻锻 造造 正正 火火 粗粗 加加 工工 调调 质质 精精 加加 工工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨正正火火可可使使锻锻造造组组织织均均匀匀化化、便便于于切切削削加加工工、可可作作为为表表面面淬淬火火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调调质质处处理理可可使使齿齿轮轮具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能，改改善善齿齿心心的的强强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。韧

44、性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火低温回火的作用主要是消除淬火应力。的作用主要是消除淬火应力。2021/9/2346 2.2.汽汽车车、拖拖拉拉机机齿齿轮轮 工工作作条条件件恶恶劣劣，特特别别是是主主传传动动系系统统中中的的齿齿轮轮；受受力力较较大大，易易过过载载，变变速速时时受受到到频频繁繁的的强强烈烈冲冲击击；对对材材料料的的耐耐磨磨性性、疲疲劳劳性性能能、心心部部强强韧韧性性的的要要求求高高，采采用用中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火已已难难满满足足使使用用的的需需要要；通通常常选

45、选用用合合金金渗渗碳碳钢钢(20Cr(20Cr、20MnVB20MnVB、20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo)20CrMnMo)制制造造，经经渗渗碳碳淬淬火火低低温温回回火火处处理理后后，齿齿面面硬硬度度可可达达585862HRC62HRC，心心部部硬硬度度303045HRC45HRC。对对飞飞机机、坦坦克克等等特特别别重重要要齿齿轮轮，则则可采用高淬透性渗碳钢（如可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。2021/9/2347采用采用20CrMnTi20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：制造汽车齿轮，简明工艺路线为：下料下料锻

46、造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高面硬度提高1 13HRC3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。限。2021/9/2348三、轴类零件选材三、轴类零件选材三、轴类零件选材三、轴类零件选材1 1工作条件工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；

47、压载荷；相对相对运动表面运动表面(如轴颈、花键部位如轴颈、花键部位)发生摩擦；发生摩擦；因机器开因机器开-停、过载停、过载等，承受一定的冲击载荷；等，承受一定的冲击载荷；2 2主要失效主要失效疲劳断裂疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；为多数、冲击过载断裂为少数；磨磨损损 相对运动表面过度磨损；相对运动表面过度磨损；过量变形过量变形 极少数情况下会发生极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。效。3 3性能要求性能要求高的疲劳极限；高的疲劳极限；综合力学性能好；综合力学性能好；局部承局部承受摩擦部分应具有较

48、高的硬度和耐磨性。受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。2021/9/2349轴类零件实物轴类零件实物轴类零件实物轴类零件实物2021/9/2350轴类零件常用材料轴类零件常用材料轴类零件常用材料轴类零件常用材料-钢铁钢铁钢铁钢铁1 1锻锻钢钢 优优质质中中碳碳或或中中碳碳合合金金调调质质钢钢是是轴轴类类材材料料的的主主体体：3535、4040、4545、50(4550(45钢钢最最常常见见)等等碳碳钢钢具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能且且价价格格低低廉廉，故故应应用用广广泛泛；对对受受力力不不大大或或不不重重要要的的轴轴，为为进进一一步步降降低低成成本本，也也可可采采用用Q235Q

49、235、Q255Q255、Q275Q275等等普普通通碳碳钢钢制制造造；对对受受力力较较大大、尺尺寸寸较较大大、形形状状复复杂杂的的重重要要轴轴，可可选选用用综综合合力力学学性性能能更更好好的的合合金金调调质质钢钢来来制制造造，如如40Cr40Cr、40MnVB40MnVB等等，对对 其其 中中 精精 度度 要要 求求 极极 高高 的的 轴轴 要要 采采 用用 专专 用用 氮氮 化化 钢钢（如如38CrMoAlA38CrMoAlA）制造。）制造。2021/9/2351中中碳碳钢钢轴轴的的热热处处理理特特点点是是：正正火火或或调调质质保保证证轴轴的的综综合合力力学学性性能能(强强韧韧性性)，然然

50、后后对对易易磨磨损损的的相相对对运运动动部部位位进进行行表表面面强强化化处处理理(表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等)。少少数数情情况况下下还还可可选选用用低低碳碳钢钢或或高高碳碳钢钢来来制制造造轴轴类类零零件件。如如当当轴轴受受到到强强烈烈冲冲击击载载荷荷作作用用时时，宜宜用用低低碳碳钢钢（如如20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi）渗渗碳碳制制造造；而而当当轴轴所所受受冲冲击击作作用用较较小小而而相相对对运运动动部部位位要要求求更更高高的的耐耐磨磨性性时时，则则宜宜用用高高碳碳钢钢制制造造（如如GCr15GCr15、9Mn2V9Mn2V等）