第九章 材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析课件.ppt

* 第九章 材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析 9.1零件的失效 9.1.1 失效的概念 定义：指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。 一般零件在以下三种情况下都认为已失效：（1）零件完全不能工作；（2）能工作但不能完成指定功能；（3）零件严重受损不能安全使用。 9.1.2 失效的形式 （1）变形失效：过量弹性变形或塑变，高温蠕变； （2）表面损伤失效：过量磨损，表面龟裂，麻点剥落（表面疲劳失效） （3）断裂失效：包括静载或冲击载荷断裂，疲劳断裂，低应力脆断。 9.1.3 失效的原因 设计不合理、选材错误、加工工艺不当、安装使用不良。 9.1.4 失效分析方法 （1）收集失效零件的残体，观察记录损坏的情况； （2）了解零件的工作环境和失效经过，判断损坏的顺序； （3）审查有关零件的设计、材料、加工、安装、使用、维护等资料； （4）试验研究（如有选择地进行化学成分分析、断口分析、金相分析、机械性能测试、断裂力学分析、应力分析），取得数据； （5）根据试验数据进行综合分析判断。 9.2零件选材原则 选用的材料必须以满足零件的使用性能为前提，再考虑工艺性和经济性。 9.2.1 使用性能原则 使用性能：指零件在正常工作情况下，材料应具备的性能（机械、物理、化学性能）。一般零件主要考虑机械性能（即力学性能）。 要正确分析零件的工作条件和主要失效形式，找出主要力学性能指标，由力学计算确定具体数值。 工作条件包括：（1）受力状况；（2）环境状况，如高低温；（3）特殊要求，如导电，外观等。 9.2.2 工艺性能原则 工艺性能：表示材料加工的难易程度。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性能等。 9.2.3 经济性原则 一般在满足使用性能的前提下，尽量优先选用价廉的材料，能用碳钢的，不用合金钢，从而降低总成本，取得最大的经济效益。 9.3选材的步骤及具体方法 9.3.1选材的步骤 （1）分析零件工作条件及失效形式，找出零件使用中的主要失效抗力指标作为选材的依据；（2）根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，来选材；（3）决定热处理方法；（4）审核所选此材料的经济性；（5）试验、投产。 9.3.2零件选材的具体方法 （1）以综合力学性能为主进行选材 如锻模、螺栓、连杆，要求整个截面淬透，一般可采用调质或正火状态的碳钢；调质或渗碳合金钢。正火或等温淬火状态的球墨铸铁。 （2）以疲劳强度为主选材 如传动轴及齿轮等零件，提高疲劳强度最有效的方法是进行表面处理，如调质钢表面淬火，或选渗碳钢或渗氮钢；并对表面应力集中易产生疲劳裂纹的地方喷丸。 （3）以磨损为主的选材 量具、刀具等应选过共析钢如T10，T12A等；同时受磨损与循环、冲击载荷的零件，如传动齿轮、凸轮等可选合金渗碳钢如20CrMnTi等；也可选中碳合金钢（38CrMoAlA）渗N处理 ；高应力和大冲击载荷作用下的零件（如坦克履带等），可选高锰钢。 9.4 典型零件的选材实例分析 金属材料具有优良的综合力学性能和某些物理、化学性能，被广泛用于制造各种重要的机械零件和工程结构。 从应用看，机械零件的用材主要是钢铁材料。 9.4.1 齿轮类零件的选材 1、工作条件 （1）齿轮工作时，啮合面承受高的接触载荷与强烈的摩擦。 （2）传递动力时，齿根处承受较高的弯曲应力。 （3）换档、启动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。 2、主要失效形式 断齿、齿面剥落（麻点剥落、浅层剥落、深层剥落）及磨损等。 3、对齿轮材料性能的要求（主要性能） （1）具有高的接触疲劳强度，使齿面受接触应力后不致发生麻点剥落。 （2）高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度。 （3）齿心部足够的强度和韧性。 4、齿轮选材具体实例 （1）机床齿轮选材 与矿山机械中的齿轮比，其运转较平稳、载荷较小，属工作条件较好的齿轮。 常用材料有中碳钢或中碳合金结构钢（即调质钢）；以及渗碳钢两类。 ① 中碳钢或中碳合金结构钢中，最常用的是45钢和40Cr钢。 一般，45钢用于中小载荷齿轮，如溜板箱齿轮。高频表面淬火＋低回，硬度可达52－58HRC。 40Cr钢用作中等载荷齿轮，如铣床工作台变速箱齿轮，高频表面淬火＋低回，硬度也达52－58HRC，但淬透性好。 ② 渗C钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20Mn2B等. 一般用作承受高速高载荷和有冲击作用的齿轮。渗C＋淬火＋低回。 中碳钢或中碳合金钢齿轮常采用如下加工工艺：