机械零件的失效分析与选材dheg.docx

第10章章机械设设计与选选材本章学习习要求1. 了了解机械械零件的失效效和失效效的形式式；2 掌握握选材的的原则和和分析方方法；3. 学学会常用用机械零零件选材材。本章学习习重点Ø 选材的原原则；Ø 常用机械械零件选选材和工工艺路线线。学习方法法指导选材的动动机：· 首次开发发生产一一种新产产品、新新零件或或新装置置；· 现有产品品的改进进和更新新换代；· 零件过早早失效甚甚至灾难难性事故故发生后后，需改改变用材材。第1 节节机械零零件的失失效分析析l 失效的概概念当零件由由于某种种原因丧丧失预定定的功能能时，即即它发生生了失效效。零件完完全破坏坏，不能能继续工工作；严重损损伤，继继续工作作不安全全；虽能安安全工作作，但不不能满意意地起到到预期的作用用。l 失效的形形式零件失效断裂失效变形失效表面损伤失效弹性变形失效塑性变形失效塑性断裂失效低应力脆断失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效介质加速断裂失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效l 失效的原原因设 计加 工零 件 失 效安 装 使 用材 料材质低劣选材不当工作条件估计错误结构外型不合理计算错误焊 接 缺 陷铸、锻造缺陷热处理缺陷冷加工缺陷过载使用安装不良操作失误维护不良l 失效分析析的方法法基本环环节示意意图服役条件失效零件失 效 分 析 技 术应力分析无损探伤断口分析金相分析化学分析机械性能测试失效类型磨 损断 裂变 形 力学分析应力分析失效原因装配使用工艺材料设 计主要抗力指标改进设计抗力指标与内外因素关系改进工艺加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径实验室试验使用考验工业试验第2节选选材的依依据和基基本原则则从材料料使用性性能的角角度出发发，选用用的材料料必须保保证零件件在使用用过程中中具有良良好的工工作能力力；根据材材料工艺艺性能的的要求，必必须保证证零件便便于加工工制造；从经济济性角度度考虑，必必须保证证零件的的总成本本最低。环境与与资源原原则l 使用性能能与选材材-首要要原则使用性能能主要指指零件在在使用状状态下应应具有的的力学性性能、物物理性能能和化学学性能。Ø 分析零件件的工作作条件首先应判判断零件件在工作作中所受受载荷的的性质和和大小，计计算载荷荷引起的的应力分分布。i 载荷荷的性质质是决定定材料使使用性能能的主要要依据之之一。ii 计计算应力力是确定定材料使使用性能能的数量量依据。考虑零件件的工作作环境：环境因因素会与与零件的的力学状状态综合合作用，提提出更为为复杂的的性能要要求。最后还应应充分考考虑材料料的某些些特殊要要求。受力状况况载荷的类类型（如如静载、动动载、循循环载荷荷或单调调载荷等等），载载荷的作作用形式式（如拉拉伸、压压缩、弯弯曲或扭扭转等），载载荷的大大小以及分分布特点点（如均均布载荷荷或集中中载荷）。环境状况况温度（如如低温、高高温、常常温或变变温）及及介质情情况（如如有无腐腐蚀或摩摩擦作用用）。特殊功能能导电性、磁磁性、热热膨胀性性、比重重、外观观等。Ø 进行失效效分析失效抗力力取决于于材料的的性能，对对零件主主要失效效形式的的分析常常常可以以综合出出零件所所要求的的主要使使用性能能。Ø 零件性能能要求的的指标化化将零件对对使用性性能的要要求具体体转化为为实验室室力学性性能指标标（如强强度、韧韧性、塑塑性、硬硬度等）；再根据据工作应应力、使使用寿命命或安全全性确定定性能指指标的具具体数值值。l 选材与材材料工艺艺性能的的关系材料的工工艺性能能主要包包括冷加加工性能能如冷变变形加工和和切削加加工性能能，热加加工性能能如铸造造性能、焊焊接性能能、锻造造性能和和热处理理性能等等。Ø 尽量选用用工艺简简单的材材料Ø 选材材质质与其工工艺性要要求Ø 各工序工工艺之间间的相互互联系和和结合金属零件件的加工工工艺路路线图性能、质质量要求求不高的的零件毛坯正火或或退火切削削加工零件件。如铸铁或或碳钢，只只要注意意采用适适宜的毛毛坯制造造方法，其其工艺性性能均能能满足要要求。性能要求求较高的的零件（如如轴、齿齿轮等）毛坯预先热热处理（正正火、退退火）粗加加工最终热热处理（淬淬火十回回火，固固溶时效效，渗碳碳处理等等）精加工工零件件。金属零件件用材多为碳钢钢、合金钢钢、高强强铝合金金等，其其中有些些材料的的加工性性能存在在问题，因因此选材材时应注注意对其其工艺性性能的分分析。性能和质质量要求求极高的的零件（如如精密丝丝杠）毛坯预先热热处理（正正火、退退火）粗加加工最终热热处理（淬淬火+低温回回火，固固溶时效效或渗碳碳）半精加加工稳定化化处理（或或氮化）精加工稳定化处理零件。加工路线线复杂，加加工精度度和质量量要求高高，在选选材时应应务必保保证材料料的工艺艺性能。l 经济性与与选材Ø 产品成本本与性能能的关系系：Ø  产品成成本分析析1. 基基本材料料的成本本材料的价价格在产产品的总总成本中中占有较较大的份份额（330770%）。² 选择更为为廉价的的材料是是降低产产品成本本的重要要手段之之一；² 提高材料料的利用用程度，降降低制造造过程中中的材料料消耗量量（我国国钢材利利用率平平均为65%，而美国国达到880%）。我国常用用金属材材料的相相对价格格材料相对价格格材料相对价格格普通碳素素结构钢钢1铬不锈钢钢5优质碳素素结构钢钢1.31.55铬镍不锈锈钢15合金结构构钢（CCr-NNi钢除除外）1.72.55灰铸铁1.44铬镍合金金结构钢钢（中合合金钢）5铸造铝合合金、铜铜合金8100滚珠轴承承钢3普通黄铜铜13117低合金工工具钢34锡青铜、铝铝青铜19高速钢16220钛合金50880硬质合金金1502000（工程塑塑料）5155基本材材料的价价格的影影响因素素：² 提炼和制制取的成成本² 矿物资源源的储量量、开采采成本、矿矿石品位位等² 材料的提提纯、合合金化（合合成）成成本² 加工增值值成本² 供求关系系所造成成的价格格波动2. 制制造成本本。加工成本本约占零零件成本本的300%左右右，生产产批量越越少，这这一比例例越高。总成本PP=T+xN，T为工具具与设备备费用，x代表每件产品的成本，N为生产批量（件/批）。产量对制制造成本本的影响响l 环境与资资源原则则随着地球球资源的的日益枯枯竭、环环境的日日益恶化化，材料料的环境境和资源源准则在在今后会会变得日日益重要要。这一一准则要要求材料料在生产产使用用废弃弃的全过过程中，对对能源和和资源的的消耗少少，对生生态环境境影响小小，可以以完全再再生利用用或废弃弃时完全全降解。1. 能能源和资资源消耗耗少世界能源源储藏量量石油天然气煤铀可开采储储量99700亿桶138万万亿m31，0339，2722吨200万万吨可开采年年限45.55年64年219年年74年主要产地地及储量量比例中东666.4% 独联体、中中东700% 美、苏、中中、澳 > 770% 重要金属属的世界界储量储量（1106t）可用年数数再生率(%) Fe 1×1006109 31.77 Al 11700 35 16.99 Cu 308 24 40.99 Zn 123 18 21.22 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.00 Cr 775 112 Ti 147 51 ² 通过产品品的小型型化，材材料轻量量化，减减少材料料的绝对对使用量量；² 通过零件件的长寿寿命化和和再利用用，减少少材料的的相对使使用量；² 通过易分分选及可可再生循循环材料料的利用用，降低低对天然然资源的的依赖；² 选用能耗耗低的材材料及加加工工艺艺。2. 环环境污染染小环境准则则必将成成为选材材的重要要依据之之一，即即要求材材料在生生产使用废弃的的全过程程中具有有与环境境的协调调性，充充分降低低对环境境造成的的负荷。² 采用能耗耗少、污污染小的的材料，节节能无害害化的生生产、制制造工艺艺，² 选择可再再生循环环性好的的材料（材材质单纯纯，化学学组成简简单，便便于提纯纯，通用用性强），降降低废弃弃物环境境负荷，² 选择以再再生资源源为原料料的材料料。生产各种种材料消消耗的能量及及碳的排排放量材料矿物燃料料能耗排碳量MJ/KKgMJ/mm3Kg/ttKg/mm3木材1.52.88750139903055615228混凝土2.04800050120钢材35266,000070053200一次铝4351,1000,00008700022,0000再生铝1333,0000一定性能能水平下下的材料料能耗木材混凝土钢塑料铝、镁及及钛合金金E/sbb241451005000475-10002710-10229E生生产每公公斤材料料的能耗耗材料密密度sb抗拉拉强度3材料料的可再再生循环环性：² 混凝土虽虽能耗低低但几乎乎不能回回收、降降解；² 木材不但但能耗低低，还能能充分回回收，并并可以降降解；² 多数塑料料回收率率很低；² 金属材料料能耗高高但可较较容易地地回收，其其中铝的的回收价价值尤其其高，扩扩大对再再生铝的的利用，具具有相当当大的环环境意义义。l 选材的一一般程序序1基于于对具体体零件的的工作条条件和失失效形式式的分析析，以及及对同类类零件现现有状况况（所用用材料、使使用寿命命、失效效形式以以及供应应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。2对若若干备选选材料的的性能指指标和制制造工艺艺进行综综合分析析和筛选选，初步步选定材材料的牌牌号、规规格及制制造工艺艺。3进行行实验室室试验以以检验选选用材料料是否达达到各项项性能要要求，并并进行小小批试生生产以检检验材料料制造过过程中工工艺性是是否满足足要求。小小批试验验产品质质量合格格后，选选材方案案即可确确定下来来。l 实例：解放牌载载重汽车车变速箱箱齿轮性能要求求：表面面高耐磨磨性及疲疲劳极限限；心部较高高强度与与韧性（b>1000MN/m2，ak>60J/cm2）。     选材：渗渗碳钢-220CrrMnTTi（淬透透性：油油淬300-40mmm；渗渗碳淬火火后b>11100MMN/mm2，ak>600J/ccm2）热处理工工艺：9900-500渗碳-8220-8500油淬-1180-2000低温回回火