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1、工程材料CH10机械零件失效与选材,1,第十章 机械零件的 失效与选材,机械零件的失效与分析 机械工程材料的选材原则,工程材料CH10机械零件失效与选材,2,一、机械零件失效与分析,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。,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。,当零部件丧失预定的功能时，即发生了零件的失效。,工程材料CH10机械零件失效与选材,3,（一）、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
2、可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。,工程材料CH10机械零件失效与选材,4,（二）、失效分析的主要方法,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。,工程材料CH10机械零件失效与选材,5,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、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。,工程材料CH10
3、机械零件失效与选材,6,3、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。,4、力学分析 检查分析失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。,5、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。,工程材料CH10机械零件失效与选材,7,（a）T型法则 （b）分叉法则 图 分析破坏的顺序,断口分析,T型法则 分叉法则,工程材料CH10机械零件失效与选材,8,脆性断口,宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。,（a） （b） 图 失效源分析,工程材料CH1
4、0机械零件失效与选材,9,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）宏观形貌 （b）微观解理花样 图 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌,脆性断口,工程材料CH10机械零件失效与选材,10,脆性断裂也可能沿晶界发生。,（a）回火脆性断口 （b）应力腐蚀断口 图 脆性沿晶断裂断口,工程材料CH10机械零件失效与选材,11,韧性断口 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）纤维状韧性宏观断口 （b）微观典型韧窝形貌 图 韧性断口的宏观及微观形貌,工程材料CH10机械零件失效与选材,12,疲劳断口,（a）疲劳断口宏观
5、形貌（b）疲劳断口示意图（c）疲劳条纹的微观图象 图 疲劳断口,疲劳源,疲劳裂纹扩展区,“贝纹”状花样,瞬时断裂区,工程材料CH10机械零件失效与选材,13,（三）、零件失效分析实例,1、齿轮的失效 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，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 齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）,工程材料CH10机械零件失效与选材,14,齿轮的失效行为,工程材料CH10机械零件失效与选材,15,2、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
6、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 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,工程材料CH10机械零件失效与选材,16,车轴的疲劳断裂失效分析如下图：,工程材料CH10机械零件失效与选材,17,3、铁路钢轨的失效,钢轨伤损的主要形式,工程材料CH10机械零件失效与选材,18,（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
7、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。,工程材料CH10机械零件失效与选材,19,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) （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,工程材料CH10机械零件失效与选材,20,二、工程
8、材料的选择,1、选材的动机,首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。,工程材料CH10机械零件失效与选材,21,2.选择材料的基本过程,工程材料CH10机械零件失效与选材,22,传统的设计观念把选材归入设计过程的后期： 1. 以前的大多数设计中创新部分很少； 2. 设计的理论基础很不完善，设计中存在着许多未知因素。 前人的经验进行设计和选材。 采用过大的安全系数， 过分依赖手册，把材料看成一种抽象的性能 倾向于选用所谓“万能材料”,现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材
9、的难度也越来越大。 安全系数越来越小，,工程材料CH10机械零件失效与选材,23,3、 材料选用原则,（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,工程材料CH10机械零件失效与选材,24,分析零件的工作条件 进行失效分析 确定零件对使用性能的要求， 具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）； 根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值， 但是在利用具体性能指标时，必须注意几个问题： 材料的性能指标各有其物理意义 有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等 有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标 在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊
10、实验室性能指标作选材依据 材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值,工程材料CH10机械零件失效与选材,25,（二）工艺性能原则,设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”了制造方法。 一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。,机械制造采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。,工程材料CH10机械零件失效与选材,26,金属材料的工艺性能,金属零件的加工工艺路线,工程材料CH10机械零件失效与选材,27,高分子材料的工艺性能,高分子材料的加工工艺路线,工程材料CH
11、10机械零件失效与选材,28,陶瓷材料的工艺性能,陶瓷材料的加工工艺路线,工程材料CH10机械零件失效与选材,29,产品成本分析,工程材料CH10机械零件失效与选材,30,基本材料的成本： 在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的3070% （1）提炼和制取的成本 （2）矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 （3）材料的提纯、合金化（合成）成本 （4）加工增值成本 （5）供求关系所造成的价格波动,工程材料CH10机械零件失效与选材,31,我国常用金属材料的相对价格,工程材料CH10机械零件失效与选材,32,选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一，但是这一作法常常会与产品的性能优化相冲突。 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量，无疑是一种更实际的选择。 目前在机械制造业中，我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。,工程材料CH10机械零件失效与选材,33,（四）环境与资源原则,1. 能源和资源消耗少,世界能源储藏量,重要金属的世界储量,工程材料CH10机械零件失效与选材,34,2. 环境污染小,一定性能水平下的材料能耗,E生产每公斤材料的能耗材料密度 b抗拉强度,生产各种材料消耗的能量及碳的排放量,
