第十四讲机件的失效分析与选材

第十四讲机件的失效分析与选材 主讲：曹光明

机件的失效分析与选材 一、机件的失效分析 1、失效形式 2、失效原因 3、失效分析方法二、机件的选材 1、选材原则 2、选材步骤与方法 3、典型零件的选材与工艺分析

机件的失效分析与选材 一、机件的失效 1、失效形式主要失效形式是断裂、变形、和表面损伤三大类。（1）断裂失效 ①单调断裂单纯由于载荷的作用而引起零件的断裂，称为单调断裂。一般认为与材料内部存在微裂纹有关。包括韧性断裂和脆性断裂。 ②疲劳断裂失效零件在交变循环应力作用下发生的断裂。包括高周疲劳断裂（≥104）低周疲劳断裂（＞104）。

机件的失效分析与选材 一、机件的失效 1、失效形式主要失效形式是断裂、变形、和表面损伤三大类。（1）断裂失效（2）变形失效机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效。弹性变形、塑性变形。（3）表面损伤失效主要是磨损失效。粘着磨损：两个相对运动零件表面的微观凸起发生粘合而撕裂。疲劳磨损：在交变接触应力作用下，使机件表面产生点蚀而发生磨损。磨粒磨损：相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损。腐蚀磨损：零件表面与环境中的介质发生电化学或化学反应而产生的磨损。

机件的失效分析与选材 一、机件的失效 1、失效形式 2、失效的原因（1）设计不当主要是指零件的强度设计不足，或结构工艺性不当。（2）选材不合理 ①对零件的失效形式判断错误，所选材料不能满足使用要求； ②选材依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，错选材料； ③材料冶金质量差，热处理技术要求不合格。（3）加工不当零件加工工艺不正确可能造成种种缺陷。（4）安装使用不当

机件的失效分析与选材 一、机件的失效 1、失效形式 2、失效的原因 3、失效分析方法包括逻辑推理和实验研究两个方面。实验研究的步骤：（1）对失效零件进行观察，测量并记录损坏位置、尺寸变化和断口的宏观特征。（2）了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏顺序收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。（3）根据需要选择以下项目进行试验： ①化学分析 ②断口分析 ③金相分析 ④机械性能测试 ⑤断裂力学分析 ⑥应力分析

机件的失效分析与选材 二、机件的选材 1、选材的原则（1）满足零件使用性能的要求，防止失效事故的出现。 ①必须考虑材料和机件服役的实际情况。 ②考虑钢材的尺寸效应。 ③综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。（2）满足零件的工艺性能的要求，提高成品率。（3）满足经济性要求，用最低的成本获取最大的经济效益。

机件的失效分析与选材 二、机件的选材 2、选材步骤与方法（1）零件选材的步骤 ①通过分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。 ②通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，确定零件在实际使用中主要的和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。 ③通过力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。 ④决定热处理方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。 ⑤审核所选材料的生产经济性（包括热处理的生产成本等）。 ⑥试验、投产。

机件的失效分析与选材 二、机件的选材 2、选材步骤与方法（2）零件选材的方法 ①以综合力学性能为主时选材时，应综合考虑材料的淬透性及尺寸效应。调质或渗碳合金钢；正火或等温淬火的球铁。一般可采用调质或正火态的碳钢；同时结合强韧化热处理新工艺，使材料具有较好的综合力学性能。 ②以疲劳强度为主时一般选中碳（合金）钢，调质后表面淬火；或低碳（合金）钢渗C、N等化学热处理。并采取一些提高疲劳强度的措施。 ③以磨损为主时可采用高碳（合金）钢淬火+低温回火；或低中碳（合金）钢表面渗C、N等。

机件的失效分析与选材 3、典型零件的选材与工艺分析（1）齿轮类零件的选材 ①齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求工作条件：齿面高的接触应力和强烈摩擦；齿根承受高的弯曲应力；有冲击。主要失效形式：断齿、点蚀、磨损、胶合。性能要求：齿面高的接触疲劳抗力 →表面硬、耐磨 →表面淬火、渗碳、碳氮共渗、渗氮。齿根高的弯曲疲劳抗力 →齿根要韧，具有一定的强度。 ②齿轮的选材齿轮选材的主要依据：圆周速度、载荷性质及大小、精度。常用材料：中碳钢及中碳合金结构钢、低碳低合金结构钢（渗碳钢）。

机件的失效分析与选材 3、典型零件的选材与工艺分析（1）齿轮类零件的选材 ①齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求 ②齿轮的选材 ③常用工艺路线分析中碳（合金）钢：下料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工→高频淬火+低回（或渗氮）→精磨齿。渗碳钢：下料→锻造→正火→机械粗加工、半精加工→渗碳（孔防渗）→淬火、低回 →喷丸→校正花键孔→珩（磨）齿。

机件的失效分析与选材 3、典型零件的选材与工艺分析（2）机床主轴的选材 ①工作条件及性能要求一般承受弯曲、扭转、冲击载荷等 →要求具有承受各种载荷的能力。高速、弯曲载荷大 →承受高的交变应力 →要求较高的疲劳强度。轴颈等处的摩擦与磨损 →要求硬、耐磨，一般为40~50HRC。 ②机床主轴的选材轻载或中载、磨损较轻、冲击不大 →选45钢，正火或调质处理 →轴颈及易磨损部位表面淬火。轻载或中载、磨损严重且冲击受冲击 →选20Cr钢渗碳，或40Cr、40MnVB钢正火或调质后表面淬火。

机件的失效分析与选材 3、典型零件的选材与工艺分析（2）机床主轴的选材 ①工作条件及性能要求 ②机床主轴的选材受力较小、要求高精度及光洁度 →选38CrMoAlA钢，调质后氮化处理。 ③C620车床主轴的选材及工艺分析选用45钢技术要求：调质硬度为220~240HBS；轴颈及锥孔要求硬度为52HRC。工艺路线为：锻造→正火→机械粗加工→调质→机械精加工→淬火+低回→磨削。

第十四讲 机件的失效分析与选材