第七章机械零件的失效与选材.ppt

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1、SUSTSUST机械工程材料机械工程材料第七章第七章 机械零件的失效与选材机械零件的失效与选材l 7.1 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析l 7.2 选材的基本原则选材的基本原则l 7.3 典型工件的选材及工艺路线设计典型工件的选材及工艺路线设计SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.1 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析l失效的概念失效的概念零件丧失规定的功能即为失效。零件丧失规定的功能即为失效。完全破坏，不能继续工作。完全破坏，不能继续工作。严重损伤，能继续工作但不安全。严重损伤，能继续工作但不安全。能安全工作，但不能起到预期作用。能安全工作，但不能起到预期作用。l失效的

2、类型失效的类型（按失效后的外部形态）（按失效后的外部形态）过量变形过量变形断裂断裂表面损伤表面损伤过量弹性变形过量弹性变形过量塑性变形过量塑性变形韧性断裂韧性断裂应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂蠕变断裂疲劳断裂疲劳断裂低应力断裂低应力断裂脆性断裂脆性断裂磨损磨损接触疲劳接触疲劳腐蚀腐蚀失效失效类型类型过量变形失效过量变形失效断裂失效断裂失效表面损伤失效表面损伤失效SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.1 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析l失效的原因失效的原因设计不合理：设计不合理：结构、尺寸设计不合理；结构工艺性差。结构、尺寸设计不合理；结构工艺性差。错误估计了零件工作条件。错误

3、估计了零件工作条件。选材不合理：选材不合理：加工工艺不当：加工工艺不当：冷加工时表面有较深的刀痕。冷加工时表面有较深的刀痕。热加工时出现裂纹、晶粒粗大。热加工时出现裂纹、晶粒粗大。安装使用不正确：安装使用不正确：配合过松或过紧；对中不良；等等。配合过松或过紧；对中不良；等等。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.1 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析l失效分析方法：失效分析方法：以零件的失效抗力指标为主线以零件的失效抗力指标为主线零件的工作条件分析：载荷类型（静、动、冲击）、零件的工作条件分析：载荷类型（静、动、冲击）、应力状态（拉、压、弯曲、扭转、剪切等）、环境应力状态（拉、压、

4、弯曲、扭转、剪切等）、环境（介质、温度等）（介质、温度等）以断口特征为主线以断口特征为主线l失效分析的一般步骤：失效分析的一般步骤：调查取证调查取证分析研究分析研究失效分析报告失效分析报告韧性断裂脆性断裂SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.2 选材的基本原则选材的基本原则l使用性能使用性能首要原则首要原则分析零件的工作条件、失效形式分析零件的工作条件、失效形式，选择满足力，选择满足力学性能、物理性能、化学性能的材料。学性能、物理性能、化学性能的材料。l工艺性能工艺性能（铸、锻、焊、机加工、热处理）铸、锻、焊、机加工、热处理）直接影响加工成本和零件的使用性能。直接影响加工成本和零件的使用

5、性能。l经济性能经济性能总成本、性价比总成本、性价比l资源与环境资源与环境量化为具体指标！量化为具体指标！SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3 典型工件的选材及工艺路线设计典型工件的选材及工艺路线设计l齿轮的选材齿轮的选材l轴类零件的选材轴类零件的选材SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l齿轮的工作条件：齿轮的工作条件：齿根承受很大的交变弯曲应力齿根承受很大的交变弯曲应力齿面受较大的接触压应力和摩擦力齿面受较大的接触压应力和摩擦力承受一定的冲击承受一定的冲击l齿轮的失效方式：齿轮的失效方式：轮齿折断轮齿折断齿面损伤齿面损伤其它特殊失效，如腐蚀介质引

6、起的齿面腐蚀现象。其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l性能要求性能要求 高的齿面硬度、齿面接触疲劳强度、耐磨性，高的齿面硬度、齿面接触疲劳强度、耐磨性，防止齿面损伤。防止齿面损伤。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。足够的齿心强度和韧性，防止冲击过载断裂。足够的齿心强度和韧性，防止冲击过载断裂。l选材：选材：调质钢调质钢 调质调质+表面淬火表面淬火+低温回火低温回火 渗碳钢渗碳钢 渗碳渗碳+表面淬火表面淬火+低温回火低温回火SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1

7、 齿轮的选材齿轮的选材l锻钢：锻钢：齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。的齿轮大多采用锻钢制造。低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi等：等：通过通过退火或正火退火或正火来改善切削加工性能，来改善切削加工性能，通过通过渗碳淬火低温回火渗碳淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。来保证齿轮的使用性能。表面高硬度表面高硬度(5662HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；极

8、限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；适合于适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l锻钢：锻钢：中碳钢：中碳钢：Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮。只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮。正正火火使用。使用。40、45钢钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮。依可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮。依据工作条件不同，可据工作条件不同，可正火、调质、表面淬火正火、调质、表面淬火使用。使用。40Cr、40MnB的综合力学性能优于的综合力学性能优于40、45钢，可用做钢，可用做相对

9、重要的齿轮。多在相对重要的齿轮。多在表面淬火表面淬火状态使用，少数情况状态使用，少数情况也可在调质状态使用。也可在调质状态使用。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l锻钢：锻钢：中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl：调质处理调质处理表面渗氮表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮高精度、高速齿轮。l铸钢：铸钢：力学性能比锻钢差，较少使用，主要用于力学性能比锻钢差，较少使用，主要用于尺寸大尺寸大(500mm)、形状复杂、形状复杂的齿轮。的齿轮。常用铸钢牌号有常用铸钢牌号有ZG2

10、70-500、ZG310-570、ZG40Cr等。等。加工后一般进行加工后一般进行表面淬火低温回火表面淬火低温回火处理，但对性能处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质、正火状态下使用。要求不高、低速齿轮，也可在调质、正火状态下使用。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l铸铁：铸铁：灰铸铁：灰铸铁：具有优良的减摩性、减振性，工艺性具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性低，能好且成本低，其主要缺点是强韧性低，多用多用于于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有常用牌号有HT200、HT

11、250、HT350等。等。球墨铸铁：球墨铸铁：强韧性较好，强韧性较好，代替部分铸钢齿轮代替部分铸钢齿轮的的趋势越来越大，常用牌号趋势越来越大，常用牌号QT600-3、QT500-7。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l有色金属：有色金属：在仪器仪表及某些特殊条件下工作的在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载轻载齿轮，齿轮，有有耐蚀、无磁、防爆耐蚀、无磁、防爆等特殊要求时，可采用耐等特殊要求时，可采用耐磨性较好的有色金属材料制造，其中应用最多磨性较好的有色金属材料制造，其中应用最多的是的是铜合金铜合金，如黄铜，如黄铜H62、铝青铜、铝青铜QAl9-4、锡、锡青

12、铜青铜QSn6.5-0.1、硅青铜、硅青铜QSi3-1等。等。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l非金属材料：非金属材料：工程塑料：尼龙、工程塑料：尼龙、ABS、聚甲醛等。、聚甲醛等。减摩耐磨（尤其是在无润滑或不良润滑条件下）减摩耐磨（尤其是在无润滑或不良润滑条件下）、耐蚀、质量轻、噪声小、生产率高。、耐蚀、质量轻、噪声小、生产率高。适合于制造轻载、低速、适合于制造轻载、低速、无润滑条件无润滑条件下工作的下工作的小齿轮，如仪表齿轮、玩具齿轮、车床走刀机小齿轮，如仪表齿轮、玩具齿轮、车床走刀机械传动齿轮等。械传动齿轮等。SUSTSUST机械工程材料机械工程材

13、料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l机床齿轮机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。多采用多采用40、45钢。经钢。经正火或调质处理后表面淬正火或调质处理后表面淬火低温回火火低温回火，其齿面硬度可达，其齿面硬度可达50HRC，齿心，齿心硬度为硬度为220250HBS。中碳合金钢中碳合金钢40Cr、40MnB等等中碳氮化钢中碳氮化钢35CrMo等等SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l机床齿轮机床齿轮下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质

14、精加工精加工表面淬表面淬火低温回火火低温回火精磨精磨正火：正火：可使锻造组织均匀化，便于切削加工，可作为可使锻造组织均匀化，便于切削加工，可作为表面淬火前的预备组织，并保证齿心的强韧性。表面淬火前的预备组织，并保证齿心的强韧性。调质处理：调质处理：可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。击载荷。表面淬火：表面淬火：提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火：低温回火：主要是消除淬火应力。主要是消除淬火应力。SUSTSUST

15、机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，受力较大，易过载，变速时受到频繁工作条件恶劣，受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击，对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧的强烈冲击，对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高。性的要求高。通常选用合金渗碳钢通常选用合金渗碳钢20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo制造，经制造，经渗碳淬火低温回火渗碳淬火低温回火处理后，齿处理后，齿面硬度可达面硬度可达5862HRC，心部硬度，心部硬度3045HRC。对对飞机、坦克飞机、坦克等特别重要齿轮，多采用高淬透性渗碳等特别重要

16、齿轮，多采用高淬透性渗碳钢（如钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.1 齿轮的选材齿轮的选材l汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：制造汽车齿轮，简明工艺路线为：下料下料锻锻造造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工渗碳淬火：渗碳淬火：可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性。劳性能，而心部保持良好的强韧性。喷丸：喷丸：进一步强化手段，可使齿面硬度提高进一步强化手段，可使齿面硬度提高13HRC，增

17、加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l工作条件：工作条件：交变弯曲、扭转载荷或拉交变弯曲、扭转载荷或拉-压复合载荷；压复合载荷；相对运动表面（如轴颈、花键部位）发生摩擦；相对运动表面（如轴颈、花键部位）发生摩擦；因机器开因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷。停、过载等，承受一定的冲击载荷。l失效方式：失效方式：多为疲劳断裂和轴颈处的磨损多为疲劳断裂和轴颈处的磨损l性能要求：性能要求：高的疲劳极限；高的疲劳极限；良好的综合力学性能好；良好的综合力学性能好；局部承受摩擦部分应

18、具有较高的硬度和耐磨性；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性；良好的加工工艺性。良好的加工工艺性。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l轴类零件选材方法：轴类零件选材方法：优质碳素结构钢如优质碳素结构钢如35、40、45、50钢应用较多。钢应用较多。常用的合金钢有常用的合金钢有35CrMo、40Cr、40CrNi等。等。整体调质后表面淬火整体调质后表面淬火处理，以满足局部耐磨性要求。处理，以满足局部耐磨性要求。以刚度为主、轻载、非重要轴，以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用为降低成本，可选用碳钢（如碳钢（如45钢）、铸铁（如钢）、铸铁（

19、如QT700-2）、甚至普通质量）、甚至普通质量碳钢（如碳钢（如Q275）制造；一般进行正火或调质处理，若）制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l轴类零件选材方法：轴类零件选材方法：以耐磨性为主的轴，以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢可选碳含量较高的钢65Mn或低碳或低碳钢钢20Cr、20CrMnTi渗碳制造，对其中精度有极高要求渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。渗氮制造。主

20、要受弯扭载荷的轴，主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可。即可。对受拉对受拉-压载荷的轴，压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。主要受明显、强烈冲击的轴，主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。宜用低碳钢渗碳制造。SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l机床主轴：机床主轴：普通车床（轻载）普通车床（轻载）主轴主轴45钢调质或正火，轴颈高频钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。表面淬火。铣床（

21、中载）铣床（中载）主轴主轴40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）组合机床（重载）主轴主轴20CrMnTi，渗碳，渗碳+淬火淬火+低温回火处理。低温回火处理。精密镗床（高精度）精密镗床（高精度）主轴主轴38CrMoAl，调质，调质+氮化氮化+时效时效SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l机床主轴：机床主轴：C620 车床车床主轴主轴选材选材 45钢钢热处理工艺热处理工艺 830水淬水淬+500回火回火+轴轴颈高频淬火颈高频淬火+200回火回火最终组织最终组织 心部：心部：S回回；轴颈表面：；轴颈表面：M回回 加工工艺加工工艺 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精精加工加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火SUSTSUST机械工程材料机械工程材料7.3.2 轴类零件的选材轴类零件的选材l内燃机主轴：内燃机主轴：选材：选材：调质钢（韧性高）、球墨铸铁调质钢（韧性高）、球墨铸铁。农用农用柴油机曲轴柴油机曲轴选材选材 QT700-2热处理工艺热处理工艺 880920正火正火+500600回火回火+轴颈氮化轴颈氮化最终组织最终组织 P+G+少量少量F 加工工艺加工工艺 铸造铸造高温正火高温正火高温回火高温回火机加工机加工轴颈氮化轴颈氮化