1、失效-机械产品丧失功能的现象。失效分析-分析失效的原因，研究采取补救和预防措施的技术活动和管理活动。,下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：,零件完全破坏，不能继续工作 零件严重损伤，不能保证工作安全 零件虽能安全工作，但工作低效,第9章 机械零件失效与选材,9.1 机械零件失效与分析,哥伦比亚号全体人员合影及左翼上的裂纹,9.1.1 失效原因,（一）设计因素。 设计不合理和设计时考虑不周密是构件失效的重要原因之一。例如，突然 直角过渡的台阶轴，零件的尖角、棱角、棱边等都是应力集中的部位，必 然也是破坏的祸源。 （二）材料选择的正确性。 材料选择不当，所选材料不符合构件性能要求，或设
2、计者不能正确使用材 料性能数据，或没有充分考虑各种材料的性能特点。例如，材料的缺口敏 感性，脆性转化温度等，都将导致早期破坏。 （三）工艺历史。 1、冶金质量。如果有冶金缺陷：如夹杂物、气孔、疏松、成分偏析、严重带状组织等，这些都是内伤，导致裂纹萌生，扩展。 2、机械制造工艺缺陷。例如：预生裂纹；高残余应力；不良表面质量；不正常的组织状态；达不到机械性能要求。,（四）装配精度。 精度不够引起松密配对，撞击，产生噪音，摩擦腐蚀，加速破坏过程。 （五）服役条件。 1、受力情况。负荷类型：拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。负荷性质和速度：静负荷、冲击负荷、交变负荷。负荷状态：单向应力、三向应力、硬性状
3、态、软性状态、应力集中和残余 应力等。负荷数值：过负荷、安全负荷。 2、工作环境。工作介质：水、油、大气、蒸汽、泥砂、腐蚀（酸、碱、盐）等。温度：低温、室温、高温。（六）使用维护状态。使用过程如果超载运行，润滑不良，净洁不好，腐蚀生锈，表面碰伤等，违反操作规程，不定期维修或维修不当，都可能导致提前失效。,9.1.2 零件失效的基本形式,断口分析,T形法,分枝法,韧性断口：纤维状，色质灰暗 微观： 大小不等的韧窝,（a）纤维状韧性宏观断口 （b）微观典型韧窝形貌,韧性断裂：在构件断裂之前产生显著宏观塑性变形的断裂。,a.等轴韧窝,b.剪切韧窝,c.撕裂韧窝,蛇行花样,根据人字纹路的走向和放射棱线
4、汇聚方向确定裂纹区。,脆性断裂：构件在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂,宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。 微观：平坦的解理台阶与河流花样。,（a）宏观形貌 （b）微观解理花样,脆性断口,河流解理花样,羽毛状花样,应力腐蚀,高温蠕变,脆性断裂也可能沿晶界发生。,呈现较大浮凸，可以看到多面体的晶粒外形和三叉边界。,应力腐蚀裂纹分叉现象,氢脆裂纹的宏观形貌,疲劳断口,疲劳断口宏观形貌,疲劳断裂：金属构件在交变载荷作用下，经过一定的循环周期后会发生突然的断裂。,疲劳条纹的微观形貌,a. 疲劳辉纹,b. 轮胎压痕花样,疲劳断口示意图,零件失效分析实例,1、齿轮的失效齿轮是机械设
5、备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。,（a） （b） 齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）,齿轮的失效行为:,美国931个齿轮失效形式及原因的统计,2、机车车辆车轴的失效 车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口见图：,（a） （b） 车轴疲劳断口 （a） 疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。 （b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。,车轴的疲劳断
6、裂失效分析如下图：,9.2 选材的一般原则,选材的动机 :,首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。,(一) 使用性能原则,分析零件的工作条件 进行失效分析 确定零件对使用性能的要求， 具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）； 根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值，,首要原则,首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。i 、载荷性质是决定材料使用性能的主要依据之一。ii 、计算应力是确定材料使用性能的数量依据。考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综
7、合作用，提出更为复杂的性能要求。 最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。,分析零件的工作条件,工作条件因素：,失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。,2. 进行失效分析,3零件性能要求的指标化,将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。(1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。A、塑性、韧性过剩而降低零件寿命。 例如用35CrMo制造的10t模锻锤锤杆 调质处理（高塑性、韧性-承受较
8、大的冲击载荷）-疲劳断裂 淬火+中温回火（表面硬度提高）-寿命提高320倍以上。,在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。,注意：,B、追求强度越高越好，贸然将零件置于低应力脆断的危险中。 例如高周疲劳断裂材料的强度在b1400MPa范围内-强度越高，疲劳强度亦高；若材料的强度在b1400Mpa范围-疲劳寿命随强度的增加反而降低,（二）工艺性能原则,设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”了制造方法。 一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。,机械制造采用适当的
9、工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。,金属零件的加工工艺路线,我国常用金属材料的相对价格,（一）选材的一般程序,1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）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对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。,9.3 选材的实际过程,加
10、权性质法:,加权性质法可用于评价各种材料和各种性能的复杂组合。材料性能的数值乘加权因子（a）得到加权后的性质值，然后把每种材料单个的加权性质值相加，得出对比材料的性能指数（g ），g 值最高的材料被认为是最好的材料。,（二）选择材料的定量方法简介,1、几种飞机机翼材料的性能,例： 下列表格列出了可用作飞机机翼的几种材料。,2、几种机翼备选材料性能的定标值及性能指数,注： b 4=(1qi/qmax）100,由于机翼在飞行时必须承受整个飞机的重量，因此机翼承受的应力最高，应力变化也最复杂，其要求的最主要性能为：S、E 13、KIC。,如认为各性能都是同等重要的，a 1，2，3，4 =1，则选择倾
11、向于铝合金I，铝合金II次之，钛合金排在最后。事实上即使是民用客机，其安全性也是极其重要的，并直接影响到生产企业的商业利益，因此应适当降低成本的加权系数，a 1，2，3 =10，a4=1，选材仍倾向于铝合金，钛合金先于低价材料不锈钢。材料的实际应用状况也正是这样，目前铝合金一直占据着制造民用飞机机翼的最主要材料的地位。,分析：,对于高速军用飞机而言，成本往往并不是最重要的因素。钛合金适用于高速高载荷的情况。故引入工作温度极限并适当地调整加权系数进行选材，a1=10，a 2，3，4 =5，a5=1。,然 而,3、飞行速度与飞机蒙皮表面饱和温度,4、 备选材料的工作温度极限,5、 军用高速飞机机翼
12、备选材料性能的定标值及性能指数,显然，重新分析的结果倾向于选择钛合金，铝合金I次之。事实上钛合金确曾用作旋风、美洲豹、鹞式及美YF12战斗机的框架和蒙皮材料。,一、汽车零件用材1. 缸体和缸盖 缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。缸盖应用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。2. 缸盖 常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。3. 活塞、活塞销和活塞环活塞组 活塞材料一般用20钢或20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足外表面硬而耐
13、磨，材料内部韧而耐冲击的要求。4.连杆 连杆材料一般采用用45钢、40Cr或者40MnB等调质钢。5.气门 气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐热钢制造，采用4Cr10Si2Mo。,（三）工程材料的应用,6.半轴 中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr，而重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金制造。7.钢板 钢板有08、20、25和16Mn等。热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件，如保险杠、刹车盘、纵梁等。冷轧钢板主要用来制造一些形状复杂，受力不大的机
14、械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件。8.螺栓、铆钉等冷镦零件,二、机床零件用材,1. 机身、底座用材 常使用的灰铸铁牌号是:HT150、HT200及孕育铸铁HT250、HT300、HT350、HT400等。机身、箱体等大型零部件在单件或小批量生产时，也可采用普通碳素钢来制造，如Q215、Q235、Q255，其中Q235用得最多。2. 齿轮用材 HT250、HT300和HT400等灰铸铁由于容易做成复杂的形状和成本低的优点而成为首选材料。钢在无润滑情况下，只能用作小齿轮与铸铁的大齿轮相互啮合，常用普通碳素钢Q235、Q255和Q275制造。闭式齿轮多采用40钢、45钢等经正火或调质处理的中碳优
15、质钢制造。高速、重载或受强烈冲击的闭式齿轮，宜采用40Cr等调质钢或20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造，并进行相应的热处理。不重要的闭式齿轮可使用普通碳素钢Q275制造。3. 轴类零件用材一般采用正火或调质处理的45钢等优质碳素钢制造轴类零件。不重要的或受力较小的轴及一般较长的传动轴，可以采用Q235、Q255或Q275等普通碳素钢制造。承受载荷较大，且要求直径小、质量轻或要求提高轴颈耐磨性的轴，可以采用40Cr等合金调质钢或20Cr等合金渗碳钢，整体与轴颈应进行相应的热处理。,曲轴和主轴常采用QT6002、KTZ6003等球墨铸铁和可锻铸铁制造。4. 螺纹联接件用材螺纹联接件可由螺栓、多
16、头螺栓、紧固螺钉等联接零件构成。无特殊要求的一般螺纹连接件常用低碳或中碳的普通碳素钢Q235、Q255、Q275制造。用35钢、45钢等优质碳素结构钢制造的螺栓，常用与中等载荷以及精密的机床上。合金结构钢40Cr、40CrV等主要用于制作受重载高速的极重要的联接螺栓。5. 螺旋传动用材螺旋传动如丝杠螺母传动，不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢制造；进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等制造。螺母的材料用铸造锡青铜ZcuSn10Zn2、ZCuSn6Zn6Pb3使用得最为广泛。在较小载荷及低速传动中螺母用耐磨铸铁制造。,6. 蜗轮传动用材蜗轮的材料有铸造锡青铜、铸造铝青铜和铸铁
17、。当滑动速度3m/s时，常采用铸造锡青铜ZcuSn10Pb1或ZcuSn6Zn6Pb3等。为节约贵重的铜合金，直径为100200mm的青铜蜗轮，应采用青铜轮缘与灰铸铁轮芯分别加工再组装成一体的结构。蜗轮材料一般为碳钢和合金钢，如用15钢、20钢、15Cr钢、20Cr钢，表面渗碳淬硬到5662HRC，或用45钢、40Cr钢，表面高频淬火到4550HRC。7. 滑动轴承用材（1）金属材料 包括轴承合金（巴氏合金、铜基轴承合金）和铸铁。（2）粉末冶金材料 粉末冶金材料可用于制造含油轴承。 （3）塑料轴承 常用的塑料轴承有ABS塑料、尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯等。,8. 滚动轴承用材 滚动轴承的内外圈和
18、滚动体一般用GCr9、GCr15、GCr15SiMn等高碳铬或铬锰轴承钢和GSiMnV等无铬轴承钢制造。 9. 机床其它零件用材 （1）凸轮用材 一般尺寸不大的平板凸轮可用45钢制造，进行调质处理，要求高的凸轮可用45钢和40 Cr钢制造，并进行表面淬火，硬度可达5060HRC。尺寸较大的凸轮（直径大于300mm或厚度大于30mm），一般采用HT200、HT250或HT300等灰铸铁或耐磨铸铁制造。（2）刀具用材 刀具用材包括碳素工具钢（如T8、T10、T12）、合金工具钢（如9Mn2V、9SiCr、CrW5、CrMn、CrWMn），高速钢（W18Cr4V、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V
19、2、W6Mo5Cr4V3）和硬质合金（WCCo型硬质合金YG3、YG6、YG8、WCTiCo型硬质合金YT30、YT15、YT14、WCTiCTaCCo型硬质合金YW1、YW2）。,三、仪器仪表用材,1. 壳体材料（1）金属材料 低碳结构钢（如Q195、Q215、Q235），再用油漆防锈和装饰。铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢（如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti）（2）非金属材料 例如ABS塑料、易电镀和易成型、力学性能良好，是制造管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘、小轿车车身等的优秀材料。2. 轴类零件用材 用Q235等普通碳素钢、聚甲醛塑料等工程塑料制造。硬铝2A12（L
20、Y12）、2A11（LY11）和黄铜HMn582多用于制造重要且需要耐蚀的轴销等零件。3. 凸轮用材 仪器中多数凸轮所用材料为中碳钢或中碳合金钢，一般尺寸不大的平板凸轮可用45钢板制造，进行调质处理。要求高的凸轮可用45钢或40 Cr钢制造，进行表面淬火。,4. 齿轮用材用普通碳素钢Q275制造齿轮，一般不经热处理。QAl1044可用来制造400以下工作的齿轮、阀座；QAl1166可用来制造500以下工作的齿轮、套管及其它减摩和耐蚀的零件。硅青铜QSi31有高的弹性、强度和耐磨性，耐蚀性良好，可用来制造耐蚀件及齿轮、制动杆等。铍青铜Qbe2、Qbe1.9、Qbe1 .7可用于制造钟表等仪表。5
21、. 蜗轮、蜗杆用材QAl1166可用来制造500以下工作的蜗轮、套管及其它减磨和耐蚀的零件。硅青铜QSi31有高的弹性、强度和耐磨性，耐蚀性良好，可用来制造蜗轮、蜗杆及耐蚀件等。聚碳酸酯等工程塑料可制造轻载蜗轮、蜗杆等零件。,四、热能设备用材（一）锅炉主要设备用钢,1. 锅炉管道用钢1)壁温500的过热器管和壁温450的蒸汽管道。一般选用优质碳素结构钢，常用的是20钢。2)壁温550的过热器管和壁温510的蒸汽管道。15CrMo钢是在这个温度范围应用很广泛的钢种。3)壁温580的过热器管和壁温540的蒸汽管道。12CrMoV钢是该温度范围应用最广泛的锅炉管道用钢。4)壁温（600650）的过热
22、器管和壁温（550600）的蒸汽管道。许需要用高合金耐热钢，较常用的是马氏体型耐热钢。,2. 锅炉汽包用钢低压锅炉汽包用钢为12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金钢板。14MnMoVg钢制造高压锅炉汽包。,（二）汽轮机主要零部件用钢1. 汽轮机叶片1)铬不锈钢（1Cr13和2 Cr13）2)强化型铬不锈钢 在1Cr13和2 Cr13基础上加入钼、钨、钒、铌、硼等强化元素，得到Cr11MoV、Cr12WmoV、Cr12WmoNbVB和1Cr11Ni2W2MoV等。3)铬镍不锈钢 在600以上工作的叶片，应选用铬镍奥氏体不锈钢或高温合金，如Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBC
23、e。,2. 汽轮机转子34CrMo钢采用正火（或淬火）+高温回火处理，用作工作温度480以下的汽轮机叶轮和主轴。35CrMoV钢可用来制造要求较高强度的锻件，如用于工作室温为（550520）以下的叶轮和2.5万kW和5万kW中压汽轮机叶轮。,五、化工设备用材,1. 压力容器用低合金结构钢钢种有16MnR、15MnVR和18MnMoNbR等。,2. 不锈钢（1）铬不锈钢 1Cr13、2Cr13等钢种在弱腐蚀介质（如盐水溶液、硝酸、浓度不高的有机酸等）和温度低于30时有良好的耐蚀性，在海水、蒸汽和潮湿大气条件下也有足够的耐蚀性。（2）铬镍不锈钢 有耐蚀要求的压力容器常用铬镍不锈钢，主要牌号有1Cr
24、18Ni9、0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。该类钢经固溶处理后是单一的奥氏体组织，可得到良好的耐蚀性、耐热性、低温和高温力学性能及焊接性能。,4. 铜及铜合金化工上常用的黄铜代号是H80、H68和H62等。H80和H68塑性好，可在常温下冲压成形，用于制造容器零件。H62在常温下塑性较差，力学性能较高，可做深冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。,5. 铝及铝合金工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫的药剂等生产设备。防锈铝的耐蚀性比纯铝高，可用作空气分离的蒸馏塔、热交换器、各式容器和防锈蒙皮等。铸铝可用来铸造形状复杂的耐蚀零件，如化工管件、气缸、活塞等。,3
25、. 耐热钢,六、航空航天器用材航空航天器用材很广泛，工程塑料、橡胶、陶瓷材料和各种金属。,1. 中碳调质钢40CrNiMoA、34CrNi3MoA用于高负载、大截面的轴类以及承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮机轴、喷气式客机的起落架及火箭发动机外壳等。 H11钢可用作超音速喷气机机体材料。,2. 高合金耐热钢1Cr13、2Cr25Ni、0Cr25Ni20、0Cr12Ni20Ti3AlB用于制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其它零件。,3. 高温合金K403(Ni11Cr5.25Co4.65W4.3Mo5.6Al)。它主要用于制造涡轮工作叶片和导向器叶片。,4. 镍基耐蚀合金Inconel71
26、8(Ni19Cr18.5Fe5.1Nb3Mo0.9Ti),制造泵轴、涡轮等航空发动机零部件。,5. 铝及其合金（1）形变铝合金 5A05（LF5）、5A11（LF11），用于焊接油箱、油管，制造铆钉和中载零件制品。3A21（LF21）用于焊接油箱、油管，制造铆钉及轻载零件和制品。硬铝合金2A01（LY1）可制造工作温度不超过100的结构用中等强度铆钉。2A11（LY11），用于制造骨架、模锻的固定接头、支柱、螺旋桨叶片、局部镦粗的零件、螺栓和铆钉等中等强度的结构零件。2A12（LY12），适宜制造飞机的高强度结构零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、铆钉等150以下工作的零件。超硬铝合金7A04（
27、LC4）、7A06（LC6），适宜制造飞机大梁、架、加强框、蒙皮接头及起落架等结构中的主要受力件。锻铝2A50（LD5），适宜制造形状复杂、中等强度的锻件和模锻件。2A70（LD7），适合制造高温下工作的复杂锻件，板材可做高温下工作的结构件。2A14（LD10）用于制造承受重载荷的锻件和模锻件。,（2）铸造铝合金 铸造铝合金硅合金ZalSi7Mg(ZL101)，用于制造温度不超过185的气化器。ZalSiMg(ZL104)，用于制造在200以下工作的零件，如发动机机匣、气缸体等。ZalSi2Cr1Mg1Ni1(ZL109)用于制造较高温度下工作的零件如活塞等。,6. 镁合金镁的熔点为651，密
28、度仅为1.74g/cm3,比铝还轻。具有高的抗振能力，能承受比铝及其合金大的冲击载荷，切削加工性能优良，易于铸造和锻压，所以在航天航空工业中获得较大的应用。,7. 钛及其合金型钛合金TA7具有良好的超低温性能，在航空工业中用于制造机匣、压气机内环等。+型钛合金用于制造质量轻、可靠性强的结构，例如中央翼盒、机翼转轴、进气道框架、机身条、发动机支架、发动机机匣、压气机盘、叶片、外涵道等。,8. 复合材料玻璃纤维增强尼龙、玻璃纤维增强苯乙烯类树脂、玻璃纤维增强聚乙烯等复合材料，其刚度、强度和抗蠕变性能好，耐水性优良，广泛应用于直升飞机机身、机翼及各种航天器内置结构件，如仪表盘、底盘、仪器壳体等。碳纤维树脂复合材料和硼纤维树脂复合材料，由于强度、弹性模量很高，耐热、耐辐射，是制造宇宙飞船、人造卫星壳体的重要材料。,
