1、第十一章第十一章 機械設計與選材機械設計與選材零件的失效零件的失效選材原則選材原則 選材的典型實例分析選材的典型實例分析2第一節第一節 零件的失效零件的失效一、失效的概念 零件在工作過程中最終都要發生失效。所謂失效是指：零件完全破壞，不能繼續工作；嚴重損傷，繼續工作很不安全；雖能安全工作，但已不能滿意地起到預定的作用。 只要發生上述三種情況中的任何一種，都認為零件已經失效。一般稱呼失效大多是特指零件的早期失效，即未達到預期的效果或壽命，提前出現失效的過程。 失效：零件或部件失去應有的功效3 失效分析： 探討零件失效的方式和原因，并提出相應的改進措施。 根據失效分析的結果，改進對零件的設計、選材

2、、加工和使用，提高零部件的使用壽命，避免惡性事故的發生，帶來相應的經濟效益和社會效益。 4二、零件失效的原因 1.設計：設計： 由于零件設計時對其工作條件估計錯誤，如對工作時的過載估計不足，散熱、潤滑、環境腐蝕氣氛了解不足等，設計依據不合理；計算錯誤，但現在很少發生因計算錯誤造成的設計事故；結構外形設計不合理，往往容易忽視高應力處的應力集中，僅考慮結構而出現尖角、缺口、過小的圓角。52. 材料：材料： 選材不當，如根據材料的常規性能指標作判據，但這些指標可能并不是材料發生失效的抗力，還有為了經濟或加工原因，選擇的材料不合理，即材料本身沒有設計者有求于的能力。問題出在材料上，但責任在設計者。 材

3、料本身的缺陷，如雜質元素過多、夾雜物過多或存在夾層、裂紋的宏觀缺陷，即材料的質量問題。 63. 加工：加工： 由于生產加工的工藝不良，也會造成各種缺陷。如鑄、鍛、焊工藝不良產生的偏析、帶狀組織或過熱、過燒現象；機械加工的光潔度不足，存在過深的刀痕、磨痕；熱處理不良出現的過熱、脫碳、淬火裂紋、回火不足導致較大的殘余內應力等。值得注意的是零件的結構不合理會造成或加大產生各中加工缺陷的可能性。74. 安裝與使用：安裝與使用： 零件安裝時的配合過緊、過松、對中不良、固定不緊等會造成零件的早期失效，在使用時的非法過載或維護不良(潤滑、散熱、粉塵)也會造成零件的早期失效。5. 意外事故：意外事故： 人為或

4、非人為因素造成零件出現了不可承受的載荷。 8三、零件失效形式與性能之間的關系 1.變形失效變形失效 彈性變形失效：由于發生過大的彈性變形而造成的零件失效。彈性變形超過了工作能容許的范圍，造成與其配合的零件相撞而破壞；細長桿的彈性失穩而發生塑性彎曲或斷裂。材料的彈性模量僅決定于成分，熱處理對其影響較小。 9塑性變形失效：零件由于發生過大的塑性變形而不能繼續工作的失效。材料抵抗塑性變形的能力主要指標是屈服強度，屈服強度愈高，發生塑性變形失效的可能行愈小，而有一些脆性材料可能屈服強度很高，但因為材料太脆，高強度的特點發揮不出來。102. 斷裂失效斷裂失效 快速斷裂失效：快速斷裂又稱為單調斷裂，在單調

5、增加載荷的作用下，當載荷超過一定臨界值后迅速發生斷裂。斷裂的形式有塑性斷裂和低應力脆斷。塑性斷裂往往是材料存在缺口或應力的高度集中造成，如斷裂前材料有明顯的塑性變形，在早期就定為塑性變形失效。低應力脆斷發生前沒有可見的征兆，往往會帶來災難性后果(飛機墜毀、輪船沉沒)，為此要考慮材料的韌性，特別是沖擊韌性的脆性轉變溫度。 11疲勞斷裂失效：在低于屈服應力的交變循環應力作用下發生的斷裂，是機械零件的主要失效形勢之一。機械設計的校核用-1，材料的實質是裂紋擴展速率，它要求材料有良好的強韌性配合。但在設計中應考慮工作時實際發生的循環次數，不可都以無限次校核。12蠕變斷裂失效： 蠕變是指材料在固定的應力

6、作用下，隨時間的延長變形不斷增加的現象，蠕變也可導致零件失效，蠕變失效可能是變形失效或斷裂失效。蠕變過程是原子的擴散過程，提高其抗力一方面選用高熔點材料，另一方面是高熔點質點彌散分布減緩擴散的進行。此外大晶粒可以有效提高材料的高溫強度。 介質加速斷裂：在存在應力，特別是有交變應力又有裂紋時，許多介質如鹽水可以加速斷裂過程，有稱為應力腐蝕。 133. 表面損傷失效表面損傷失效 磨損失效： 磨損主要是在機械力的作用下，相對運動的接觸表面的材料以細屑形式逐漸磨耗，而使零件尺寸不斷變小的一種失效方式。磨損可能是被硬質點切削下來，也可能是在大的壓力下焊合撕開，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨損的能力愈強。

7、 14表面疲勞失效：相互接觸的兩個運動表面(特別是滾動接觸),在工作過程中承受交變接觸應力的作用，使材料表層發生疲勞破壞而脫落，造成零件失效。接觸疲勞按其損傷程度分為麻點(淺層剝落)與剝落(深層剝落)。提高表面接觸疲勞抗力要求在一定的層深范圍內有高的硬度。 15腐蝕失效： 由于化學或電化學腐蝕作用造成的零件失效。腐蝕的種類有多種，如點腐蝕、裂隙腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕。重點在于改善材料的化學性能，不僅材料整體的化學穩定性，特別是晶界的化學穩定性。 16第二節第二節 選材原則選材原則 一、所用材料要滿足使用性能 機械零件應能承受相應要求的載荷 零件承受工作時的拉、壓、彎、扭、剪、沖擊應力，不能斷

8、裂或超量的變形。適應工作環境 溫度、電、磁、熱、腐蝕等作用下，熱膨脹不能超限，絕緣或導電，合理的外觀。保證零件經久耐用 即零件要有一定的壽命。 17 所有的材料都不是萬能的，揚其利，避其弊。從失效分析入手，失效的方式決定對材料要求的主要性能。例如齒輪失效有折斷、接觸疲勞點蝕、過度磨損，要用有高硬度、好韌性的材料制造，手術刀要鋒利、不斷、不繡等等。 18二、所用材料要滿足生產中的工藝要求 所用材料要有相應的工藝能制造出來。鑄造：材料的高溫流動性、收縮率、偏析、吸氣性等。熱鍛成形：熱塑性、流變應力、加熱抗氧化性等。冷壓成形：屈服強度、塑性、加工硬化性等。焊接：焊縫強度和熱影響區的開裂問題，包括冷裂

9、或熱裂傾向；熱處理：加熱時氧化脫碳傾向和過熱敏感性，淬火時變形開裂傾向和淬透性、回火脆性和回火性能；冷機械切削加工：合適的硬度、斷屑性、得到的表面質量。 19三、經濟比成本低 比成本系指(材料費用工藝生產費用)/壽命 比成本為最小 這里要考慮材料的來源、國家資源、生產管理等。充分利用國內資源，不排除世界貿易。在管理上，大批量的專業生產材料的消耗量大，材料的種類可多種，節省出單價差別；而小批量的生產，過多的品種增加了管理費用，用量少的以優代劣，可以降低成本，不一定完全依賴原設計。 在這三條原則中，要依次選擇，首先要滿足性能，其次考慮加工、兼顧成本。技術的發展不斷對材料提出新要求，工藝的發展不斷創

10、新加工方法。 20第三節第三節 選材的典型實例分析選材的典型實例分析一、齒輪類一、齒輪類 齒輪在機床、汽車等機械中是十分重要、使用量很大的零件，主要用于速度調節和功率傳遞。工作時的受力情況：齒面承受很大的交變彎曲應力；換檔、啟動或嚙合不均勻時承受沖擊應力；齒面相互滾動、滑動，并承受接觸壓應力。折斷(斷齒)齒面剝落過度磨損性能要求：性能要求：高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；齒面有高的硬度和耐磨性；齒輪心部有足夠高的強度和韌性。2122機床齒輪工作特點：工作特點： 工作負荷不太大，中速運轉，較平穩。工作負荷不太大，中速運轉，較平穩。選材：選材： 常用常用4545鋼鋼或或40Cr40Cr鋼等鋼等調質

11、鋼調質鋼。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調質調質 精加工精加工 高頻淬火及低溫回火高頻淬火及低溫回火 精磨精磨23汽車變速箱齒輪工作特點： 受力較大，高速運轉，受沖擊頻繁。其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等要求均比機床用齒輪高。一般調質鋼經高頻淬火不能滿足要求，并且這類齒輪大多成批生產，對批量大、標準化程度高的產品有利實現專門工藝過程的實施。選材：常用20CrMnTi鋼等類型滲碳鋼制造并進行滲碳處理。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 切削加工切削加工 滲碳滲碳淬火及低溫回火淬火及低溫回火 噴丸噴丸 磨削加工磨削加工 24二、軸類二、軸類

12、 在機床、汽車等制造工業中，軸類零件是另一類用量很大、且占有相當重要地位的結構件。 軸類零件主要作用是支撐傳動零件并傳遞運動和動力，共性特征是工作時受彎曲、扭轉多種應力的交變作用，材料應有較高的綜合機械性能。局部承受摩擦運動部位如軸頸、花鍵等處，要求有一定的硬度，以提高其抗磨損能力。 不同軸的工作環境和特定性能要求也不全相同，例如工作溫度(氣輪機)、潤滑條件、腐蝕介質(海水中螺旋槳傳遞)、剛度(精密機床主軸)、安全性(提升機)等。對材料的選用也不盡相同，還必需根據具體應用來進行具體分析。2526機床主軸工作特點： 受力不大，有時受到沖擊載荷作用，要求較高的剛度，軸頭錐面和錐孔高精度配合且要求一

13、定耐磨性，滑動軸承的軸頸則需要高的耐磨性。選材：由于材料的受力不大可用普通45鋼，對高精度機床為保證氮化可靠性，應選用38CrMoAlA專用氮化鋼為好。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 退火退火 粗加工粗加工 調質調質 精車精車 消除應力處理消除應力處理 噴砂噴砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨27汽車半軸工作特點： 驅動車輪轉動的直接驅動件，承受較大的扭轉應力，在啟動、顛簸、特別是緊急制動時受到更大的沖擊應力，對材料的抗彎強度、疲勞強度和韌性提出較高的要求。選材：調質鋼，中型載重車輛可選用40Cr鋼，而重型載重車輛則選用性能更高的40CrMnMo鋼。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調質