第十二章机械零件用材料及成型工艺

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1、v零件的失效分析零件的失效分析v材料及成型工艺选择的步骤和方法材料及成型工艺选择的步骤和方法v典型零件的材料及成型工艺的选择典型零件的材料及成型工艺的选择v失效的概念：一般说来，发生下列情况之失效的概念：一般说来，发生下列情况之一时，被定位为失效一时，被定位为失效：完全失去原定功完全失去原定功能；能；仍然可用，但是不再能够良好地实仍然可用，但是不再能够良好地实现其原定功能；现其原定功能；严重损伤，使其在继续严重损伤，使其在继续使用的过程中失去可靠性和安全性。使用的过程中失去可靠性和安全性。一、失效分析的目的和作用一、失效分析的目的和作用找出失效原因，提出防止或推迟失效的措找出失效原因，提出防止

2、或推迟失效的措施，防止类似事件再次发生，提高产品质施，防止类似事件再次发生，提高产品质量。量。二、零件失效的原因二、零件失效的原因1.设计因素设计因素最常见的情况是零件尺寸和几何结构不正确，如过最常见的情况是零件尺寸和几何结构不正确，如过渡圆角半径太小，存在过大的应力集中；设计中对零渡圆角半径太小，存在过大的应力集中；设计中对零件的工作条件估计错误或估计不足，零件设计承载能件的工作条件估计错误或估计不足，零件设计承载能力不够；或忽略了某些设计因素，如温度、环境介质力不够；或忽略了某些设计因素，如温度、环境介质的影响等。这些都是在设计过程需要特别注意的。的影响等。这些都是在设计过程需要特别注意的

3、。2.加工工艺因素加工工艺因素对于很多零件而言，尽管原始设计时正确的，但是如果加对于很多零件而言，尽管原始设计时正确的，但是如果加工工艺条件不满足设计要求，仍任会导致零件失效。工工艺条件不满足设计要求，仍任会导致零件失效。如冷加工中常出现的过深的刀痕，磨削裂纹等缺陷；如冷加工中常出现的过深的刀痕，磨削裂纹等缺陷；热成型出现的过热等缺陷，热处理工序遗漏，工艺参热成型出现的过热等缺陷，热处理工序遗漏，工艺参数选择有误等，都是造成零件失效的重要原因。数选择有误等，都是造成零件失效的重要原因。3.材料因素材料因素材料造成的失效可能是由于选材不当，也可能是由于材料造成的失效可能是由于选材不当，也可能是由

4、于冷、热工艺加工工艺过程中形成的缺陷，导致材料的冷、热工艺加工工艺过程中形成的缺陷，导致材料的力学性能有所下降，造成实际承载能力降低。力学性能有所下降，造成实际承载能力降低。4.安装使用因素安装使用因素三三.形式形式过量变形失效过量变形失效过量弹性变形过量弹性变形过量塑性变形过量塑性变形断裂失效断裂失效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表面损伤失效表面损伤失效磨损磨损接触疲劳接触疲劳腐蚀腐蚀v材料的静载性能指标有哪些材料的静载性能指标有哪些?v什么是过量弹性变形失效什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性发生过量弹性变形的原

5、因是什么变形的原因是什么?设计时应选择什么性设计时应选择什么性能指标能指标?v发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指抗力指标有哪些标有哪些?主要问题：主要问题：1.过量弹性变形及抗力指标过量弹性变形及抗力指标（1）零构件发生过量弹性变形失效：零构件发生过量弹性变形失效： D Dl D Dl (拉压或者弯曲条件下）拉压或者弯曲条件下）或者或者 q q q q （扭转条件下）（扭转条件下）（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够（3）抗力指标：弹性模量）抗力指标：弹性模量E或者切变模量或者切变模量G2.过量塑性变形及抗力指标过量塑性

6、变形及抗力指标（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量）发生条件：塑性变形量超过允许变形量（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够形的能力不够（3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限本书中本书中所讲的所讲的材料的材料的力学性力学性能指标能指标及应用及应用刚度刚度：在设计中，考虑构件在在设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量，需受力时发生的弹性变形量，需要用刚度。主要力学性能是材要用刚度。主要力学性能是材料的弹性模量。如镗床的镗杆、料的弹性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴等齿轮轴等弹性指标弹性指标：弹

7、性极限和弹性弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等类弹簧等强度和塑性指标：强度和塑性指标：屈服强度屈服强度和塑性用于一般零件的抗断和塑性用于一般零件的抗断裂设计。裂设计。硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞环性能指标。如滚珠轴承、活塞环等等.v静载荷和冲击载荷静载荷和冲击载荷v断裂：断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。上部分的现象。v断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂v断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩

8、展断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展v韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。吸收能量的能力。1.冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。性的综合表现。2.衡量指标：冲击吸收功衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度冲击韧度ak(akAk/Fk)3.应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。用于一般零件抗断裂设计。4.低温冲击试验：低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度材料的韧脆转变温度TK

9、)（1）断裂韧度）断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：单位：MPam1/2或者或者MNm-3/2（2）应用）应用（判断构件是否安全，合理选材）（判断构件是否安全，合理选材）KIKIC构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂KIKIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件（3）应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型

10、发电机转子等。机转子、大型发电机转子等。1.粘着磨损粘着磨损（1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑幅的接触面发生金属粘着，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。（2）过程）过程（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）防止措施）防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料材料；提高表面硬度；

11、提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划金属表面被划伤或者金属屑伤或者金属屑粒脱落粒脱落2.磨粒磨损磨粒磨损（1）定义：）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变表面存在硬质磨粒，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。零件表面逐渐损耗的一种磨损。 （2）过程）过程金 属 表 面金 属 表 面发 生 局 部发 生 局 部塑性变形塑性变形磨粒嵌入