“十五〞國家級規劃教材<工程資料>第3版配套課件第8章第8章機械零件的失效與選材原那么

內容提要：引見各種失效方式：畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。論述機械零件選材原那么。

學習目的：了解各種失效方式特點。掌握機械零件選材原那么。8.1機械零件的失效及失效分析失效

零件由于某種緣由，導致其尺寸、外形、或資料的組織與性能發生變化而不能完美地完成指定的功能。失效導致嚴重事故失效要素

一、設計要素

為了保證產質量量，必需精心設計，精心施工。根據零件任務條件、能夠發生的失效方式，提出技術目的，確定適宜的材質、尺寸、構造，提出必要的技術文件。如設計有誤,那么機械設備或零件將不能運用或過早失效。二、制造(工藝)要素

工藝缺陷是零件失效的重要要素。●零件在鑄造過程中產生的疏松、夾渣；●鍛造過程中產生的夾層、冷熱裂紋；●焊接過程中未焊透、偏析、冷熱裂紋；●機加工過程的尺寸公差和外表粗糙度不適宜；●熱處置產生的缺陷，如淬裂、硬度缺乏、回火脆性；●精加工磨削中的磨削裂紋等。三、安裝調試要素

安裝過程達不到要求的質量目的，導致零件失效。●嚙合傳動件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不適宜(過松或過緊，接觸形狀未調整好)；●銜接零件必要的“防松〞不可靠；●鉚焊構造的必要探傷檢驗不良；●光滑與密封安裝不良等；●初步安裝調試后，未按規定進展逐級加載跑合。四、材質要素●選材不當使零件達不到設計要求而導致失效。●材質內部缺陷、毛坯加工(鑄鍛焊)工藝或冷熱加工(特別是熱處置)工藝過程產生的資料內部缺陷導致失效。五、運轉維修要素●不正確的運轉工況參數(載荷、速度等)導致零件失效。

●忽視維修，未進展定期大、中、小檢修

●光滑條件未保證,光滑劑和光滑方法不適宜教師提示

在影響失效的根本要素中，特別要強調人的要素，即留意人的素質條件的影響。8.2

零件失效方式

8.2.1畸變失效

畸變有兩種類型：

尺寸畸變或體積畸變(長大或減少)

外形畸變(如彎曲或翹曲)

發生畸變的零件不能接受所規定載荷，不能起到規定的作用，與其他零件的運轉發生干擾，導致零件失效。一、彈性畸變失效

不恰當的彈性變形量導致失效。●受拉、壓的桿類零件，過大的彈性畸變量導致支承件(如軸承)過載。●受彎、扭的軸類零件，過大的彈性畸變量會呵斥軸上嚙合零件的嚴重偏載，嚙合失常，甚至咬死，導致傳動失效；●某些控制元件，如溫控元件，過大的彈性畸變量使精度無法保證。防止彈性畸變的主要措施：添加零件截面、采用彈性模量高的資料，防止超載。二、塑性畸變失效

外加應力超越零件資料的屈服極限時發生明顯的塑性變形(永久變形)。●鋼構造房梁承載過重發生塑性變形彎曲，導致倒塌；●螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。防止零件塑性畸變的措施：采用屈服強度高的資料，進展合理的熱處置，防止超載。三、翹曲畸變失效

尺寸與方向上產生復雜變形，構成翹曲，導致失效。翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、資料組成等不均勻性引起。特別是高溫所導致的外形翹曲最為嚴重。●受力鋼架翹曲變形；

●殼體在高溫下外形翹曲。

添加零件截面、截面外形設計合理。采用彈性模量高、屈服強度高的資料，防止超載。8.2.2斷裂失效

斷裂失效機械零件因斷裂而產生的失效。一、斷裂失效的分類

塑性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂蠕變失效斷裂

金屬資料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀察看，可以看到斷口分為：F-纖維狀區

R-放射狀區S-剪切唇區斷口斷口分析是斷裂失效分析的關鍵。二、斷口的分析方法三、斷裂方式1.韌〔塑〕性斷裂斷裂前有明顯的塑性變形。(1)宏觀特征

宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成45角。

韌性〔塑性〕斷裂實物(2)微觀特征

韌窩是金屬韌性斷裂的微觀主要特征，是塑性變形產生的顯微空洞生成、長大、聚集、相互連結導致斷裂留下的痕跡。韌性斷裂斷口〔韌窩〕2.脆性斷裂

斷裂前無塑性變形。脆斷時接受的任務應力較低，通常不超越資料的屈服強度，甚至不超越常規的許用應力，所以又稱為低應力脆斷。脆性斷裂以零件內部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的0.1mm～1mm)作為源開場的。中、低強度鋼在10℃～15℃以下會由韌性形狀轉變為脆性形狀〔韌-脆轉變〕。

脆性斷裂(1)宏觀特征斷口普通與正應力垂直，斷口外表平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口〞(或很小)。脆性斷裂實物(2)微觀特征脆性斷裂的微觀判據是解理花樣和沿晶斷口形狀。脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)解理斷裂因原子間結合鍵的破壞而呵斥的穿晶斷裂。斷裂速度快，普通鋼中的解理速度大約是1030m/s，在低溫暖三向應力形狀時更快；沿著特定的晶面(稱為解理面)發生，這些晶面普通是屬于低指數的。在不同高度的平行解理面之間產生解理臺階。裂紋擴展過程中，臺階相互集合，構成河流花樣，河流的流向與裂紋擴展方向一致。3.其它斷裂失效方式

(1)疲勞斷裂

在交變應力作用下，雖然零件所接受的應力低于資料的屈服點，但經過較長時間的任務而產生裂紋導致發生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。

疲勞斷裂實物疲勞斷裂顯微形貌(2)蠕變斷裂

在高溫下鋼的強度較低，當受一定應力作用時，變形量隨時間而逐漸增大的過程，這種過程叫蠕變，產生的斷裂叫做蠕變斷裂。蠕變斷裂引起零件斷裂的要素多而復雜，對資料的性能需求綜合思索。如屈服強度、塑性、斷裂韌性、疲勞強度等。防止斷裂的措施：采用材質好、強度高、韌性好的資料。防止超載。留意環境的影響。客車空氣緊縮機皮帶輪斷裂失效分析空氣緊縮機任務時，皮帶輪輻條受彎矩、剪切力的結協作用和劇烈震動，產生疲勞裂紋。裂紋擴展，輻條斷裂。皮帶輪斷裂過程某大型客車空氣緊縮機皮帶輪破斷，空氣緊縮機停頓任務。氣壓缺乏、剎車失靈。呵斥艱苦交通事故。汽車板簧斷裂失效分析某貨車板簧斷裂，發生交通事故。板簧外表存在嚴重的熱加工缺陷-折疊，呵斥外表裂紋。疲勞源在裂紋處構成。板簧斷裂位置處于應力集中處。裂紋在應力作用下擴展，最后呵斥板簧疲勞斷裂。8.2.3磨損失效磨損

相互接觸的一對金屬外表，相對運動時金屬外表不斷發生損耗或產生塑性變形，使金屬外表形狀和尺寸改動的景象。活塞環與缸套之間的摩擦一、粘著磨損兩個金屬外表的微凸部分在高壓下產生部分粘結，使資料從一個外表轉移到另一外表或撕下作為磨料留在兩個外表之間，這一景象稱為粘著磨損。。

粘著磨損表示圖粘著磨損磨痕二、磨料磨損配合外表之間在相對運動過程中，因外來硬顆粒或外表微突體的作用呵斥外表損傷〔被犁削構成溝漕〕的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損表示圖

磨粒磨損磨痕三、犁削磨損硬資料外表的微凸點切削較軟資料的外表，在較軟資料的外表構成“犁溝〞。

活塞環與缸套存在粘著磨損、犁削磨損〔拉缸景象〕、磨料磨損。犁削磨損表示圖

犁削磨損磨痕四、沖刷磨損沖刷磨損是由于含固態粒子的流體(常為液體)沖刷呵斥外表資料損失的磨損。沖刷磨損表示圖五、外表疲勞磨損兩個接觸面作滾動或滾動滑動復合磨擦時，在交變接觸壓應力作用下，使資料外表疲勞而產生資料損失的景象稱為外表疲勞磨損。六、腐蝕磨損腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質發生化學或電化學反響，產生表層金屬的損失或遷移景象。

教師提示

采用耐磨性高的資料，進展合理的外表強化處置，改動資料的組織構造，適度提高硬度。外表強化處置有利于降低磨料磨損、外表疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。提高資料的耐磨性。8.2.4腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質環境中而發生的一種外表損耗。它是金屬與環境介質之間發生的化學和電化學作用的結果。按腐蝕性質分：化學腐蝕電化學腐蝕按腐蝕部位分：均勻腐蝕點腐蝕晶間腐蝕一、均勻腐蝕

均勻腐蝕

在整個金屬外表均勻地發生腐蝕。被腐蝕的金屬外表具有均勻的化學成分和顯微組織，腐蝕介質均勻包圍金屬外表。均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產生。●鋼材在大氣中所產生的銹蝕；●銅在土壤里的銹蝕。二、點腐蝕

腐蝕集中于部分，呈鋒利小孔，向深度擴展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬外表受破害處和未受破害處構成“部分電池〞，陽極處被腐蝕成小孔。點腐蝕表示圖三、晶間腐蝕

腐蝕發生于晶粒邊境或其近旁。主要緣由是晶界處化學成分不均勻。

晶間腐蝕表示圖防止腐蝕的措施：采用耐蝕性高的資料。如不銹鋼、銅合金、鈦合金、高分子資料、陶瓷資料、復合資料等。進展外表處置。彈簧資料為碳素彈簧鋼。長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，遭到嚴重腐蝕，彈簧絲截面減小、變脆而破斷。客車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析某客車儲氣罐放水閥彈簧破斷，閥芯失去密封作用，氣體走漏，氣壓降低，剎車失靈，呵斥嚴重事故。8.3機械零件選材原那么☆教師提示：重點內容

8.3.1運用性能原那么

一、機械零件正確選材的運用性能原那么資料的運用性能應滿足運用要求。運用性能指零件在運用形狀下資料應該具有的機械性能、物理性能、化學性能。機器零件和工程構件，主要是機械性能。對一些特殊條件下任務的零件，那么必需根據要求思索到資料的物理、化學性能。二、零件運用時的任務條件

〔1〕受力情況

主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環載荷或單調載荷等)和大小；載荷的方式；載荷的特點等。〔2〕環境情況溫度特性、介質情況等。〔3〕特殊要求

導電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等。三、零件根據運用性能選材的步驟

●對零件任務條件和失效方式全面分析，確定零件對運用性能的要求；●根據零件的幾何外形、尺寸及任務中所接受的載荷，計算出零件中的應力分布；●由任務應力、運用壽命、平安性等，確定要求性能的詳細數值；●利用資料手冊根據運用性能選材。資料的性能與試樣的尺寸有關，必需思索零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進展適當的修正。常用零件的任務條件和失效方式零件

工作條件

常見的失效形式

要求的主要機械性能

應力種類載荷性質

受載狀態

緊固螺栓拉剪應力靜載—

過量變形，斷裂

強度，塑性

傳動軸

彎扭應力循環沖擊軸頸摩擦振動

疲勞斷裂過量變形軸頸摩損

綜合機械性能強度、韌性、局部表面耐磨性

傳動齒輪壓彎應力循環沖擊

摩擦振動

齒折斷,磨損疲勞斷裂接觸疲勞(麻點)

心部強度、韌性表面高強度及疲勞極限耐磨性

彈簧扭彎應力交變沖擊

振動

彈性失穩，疲勞破壞，斷裂

彈性極限，屈強比，疲勞極限

冷作模具復雜應力交變沖擊

強烈摩擦

磨損脆斷

硬度，足夠的強度，韌性

8.3.2工藝性能原那么資料的工藝性能應滿足消費工藝的要求。一、高分子資料零件選材的工藝性能原那么

高分子資料成描畫易，方法較多。

高分子資料的切削加工性能較好，與金屬根本一樣。但它的導熱性差，在切削過程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)。高分子資料主要成形工藝的比較工藝適用材料形狀表面粗糙度尺寸精度模具費用生產率熱壓成形范圍較廣復雜形狀很低好高中等噴射成形熱塑性塑料復雜形狀很低非常好很高高熱擠成形熱塑性塑料棒類低一般

低

高真空成形熱塑性塑料棒類一般一般

低

低

高分子資料的加工工藝道路二、陶瓷資料零件選材的工藝性能原那么

陶瓷資料加工的工藝道路比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。陶瓷資料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進展任何其它加工。

陶瓷資料各種成形工藝比較工藝優點缺點粉漿成形可做形狀復雜件、薄塑件，成本低收縮大，尺寸精度低，生產率低壓制成形可做形狀復雜件，有高密度和高強度，精度較高設備較復雜，成本高擠壓成形成本低，生產率高不能做薄壁件，零件形狀需對稱可塑成形尺寸精度高，可做形狀復雜件成本高陶瓷資料的加工工藝道路三、金屬資料零件選材的工藝性能原那么

金屬資料加工的工藝道路復雜。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。