整理零部件的失效与选材.docx

1、整理零部件的失效与选材第十三章 零部件的失效与选材第一节 零部件的失效一、失效概念所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。二、失效形式零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损伤失效(surface damage failure)及材料

2、老化失效(materials ageing failure)等。1、变形失效 弹性变形失效 一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。 塑性变形失效 零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的

3、紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。2、断裂失效断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种： 韧性断裂(toughness fracture)失效材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。图13-1 韧窝断口 脆性断裂(brittle fracture)失效材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（60HRC”或“6265HRC”等。这是选材最关键、最困难的一步。需根据零部件的尺寸及

4、工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确定性能指标的具体数值。 材料的预选 根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。对用预选材料设计的零部件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低、以最优方案的材料作为所选定的材料。2、工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。因此在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、

5、生产效率和成本。当工艺性能与使用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合格的材料不得不被放弃，成为选择材料的主导因素。工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。 金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括介绍如下： 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。主要是切削加工性能、材料的成型性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。 铸造性能主要指流动性、收缩性、热裂倾向性、偏折和吸气性等。接近共晶成分合金的铸造性能最好。铸铁、硅铝明等一般都接近共晶成分。铸造

6、铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。 锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力以及可热压力加工的温度范围，抗氧化性和对加热、冷却的要求等。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低合金钢的锻造性接近中碳钢。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。形变铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。 切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来衡量。材料硬度在160230HB范围内时，切削加工性能好。硬

7、度太高，则切削抗力大，刃具磨损严重，切削加工性下降。硬度太低，则不易断屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳钢具有球状碳化物组织时，其切削加工性优于层片状组织。马氏体和奥氏体的切削加工性差。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）切削加工性也差。 焊接性能是指金属接受焊接的能力。一般以焊接接头形成冷裂或热裂以及气孔等缺陷的倾向大小来衡量。含碳量大于0.45%的碳钢和含碳量大于0.38%的合金钢，其焊接性能较差，碳含量和合金元素含量越高、焊接性能越差，铸铁则很难焊接。铝合金和铜合金，由于易吸气、散热快，其焊接性比碳钢差。 热处理工艺性能主要指淬透性、变形开裂倾向及氧化、脱碳倾向等。钢和铝合金、钛合金

8、都可以进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能优于碳钢。形状复杂或尺寸大、承载高的重要零部件要用合金钢制作。碳钢含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选渗碳用钢时，要注意钢的过热敏感性；选调质钢时，要注意钢的高温回火脆性；选弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。 高分子材料工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。 陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为：备料成形加工（配料、压制、烧结）磨加工装配。陶瓷材料的加工工

9、艺也比较简单，主要工艺是成形。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨加工外，几乎不能进行任何切削加工。3、经济性原则选材的经济性原则是在满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的总成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本、减少运输、实验研究费用。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不应选用合金钢。在满足使用要求的条件下，可以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本、简化加工工艺。例如用球墨铸铁代替锻钢制造中、低速柴油机曲轴、铣床主轴，其经济效益非常显著。对于要求表面性能高的零部件，可选用低廉的钢种进行表面强化处理来达到要求。当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最便宜的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。例如，一些能影响整体生产装置中的关键零部件，如果选用便宜材料制造，则需经常更换，其换件时停车所造成的损失可能大得多，这时选用性能好、价格高的材料，其总成本仍可能是最低的。二、典型零部件选材及工艺分析金属材料、高分子材料