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    坏将直接影响产品的使用寿命。冶炼工艺差会使钢中有较多的氧、氢、氮,并形成非金属夹杂物,这不仅使材料变脆,甚至还会成为疲劳源,导致产品的早期失效。

    ② 铸造中的缺陷。这些缺陷有:疏松、裂纹、还将有杂行。铸件中疏松破坏了材料的连续性,使材料强度大大下降;铸件在冷却过程中产生的裂纹可导致铸件早期失效;铸件中由于碳化物、氮化物和硫化物等沿晶界的析出,会引起铸件产生沿晶断裂。

    ③ 锻造或轧制过程中产生的缺陷。锻造可明显改善材料的力学性能,但如果锻造工艺不当,会在锻造过程中产生各种缺陷,如过热、过烧、锻造成或轧制裂纹、流线分布不良及折叠等,它们会引起工件早期失效。

    ④ 焊接缺陷。焊接时产生的气孔、未焊透、焊接裂纹等均会引起残余应力,也会引起零件的早期失效。

    ⑤ 热处理中的缺陷。热处理的不当是导致工件失效的重要原因,常见的缺陷有氧化与脱碳、变形与开裂与过烧、回火不足以及组织缺陷等,均能导致工件失效。工模具的失效大部分是由热处理不当造成的。

    ⑥ 冷加工的缺陷。许多机械产品往往要经过国、铣、刨、磨等加工工序,由于加工工艺不当,会给工件带来各种缺陷。磨削时磨削深度过大或冷却不充分,将使表面出现回火组织而使表面硬度降低,有时甚至会形成磨削裂纹;零件表面加工粗糙,会造成应力集中而引起疲劳断裂。以上各种情况均有可能导致零件的早期失效。

    (三)安装使用不当引起的失效

    工件安装不良、操作失误、过载使用、维修保养不当等,均可导致在使用中失效。

    在判断机械的失效原因时,还必须有正确的思路作为指导,在各种失效可能性中,判断真实的失效原因。

    3.1.2机械零件的失效形式

    机械零件的失效形式主要有以下几种:

    1、断裂零件

    在受拉、压、弯、剪、扭等外载荷作用时,由于某一危险剖面上的应力超过零件的强度极限而发生的断裂,或者零件在受交变应力作用时发生的疲劳断裂。例如,螺栓的断裂、齿轮轮齿根部的折断等。

    2、塑性变形

    如果作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限,零件将产生塑性变形。高速轴的塑性挠曲变形,将增大不平衡度,并进一步引起零件的变形或破坏。

    3、表面损伤

    零件的表面破坏主要是磨损、接触疲劳和腐蚀。

    磨损是两个接触表面在相对运动的过程中材料丧失或转移的现象。磨损会影响机器的效率,降低工作的可靠性,促使零件失效。

    接触疲劳是零件受到接触交变应力的长期作用,表面产生裂纹或微粒剥落的现象。腐蚀是发生在金属表面的一种电化学或化学侵蚀现象。处于潮湿空气中或与水、汽及其它腐蚀性介质相接触的金属零件,均有可能发生腐蚀。对于承受交变应力的零件,还要引起腐蚀疲劳的现象。

    零件究竟发生哪种形式的失效,这与很多因素有关。通过分析可知,磨损、各种疲劳破坏和腐蚀是引起零件失效的主要原因。

    表1-1列出了几类典型零件的工作条件、失效形式及主要机械性能指标

    工 作 条 件

    零 件

    应力种类

    载荷性质

    受载状态

    常见的失效形式

    要求的主要机械性能

    紧固螺栓

    拉,剪应力

    静载

    -

    过量变形,断裂

    强度,塑性

    传动轴

    弯,扭应力

    循环,冲击

    轴颈摩擦,振动

    疲劳断裂,过量变形,轴颈摩损

    强度、韧性、

    局部表面耐磨性

    传动齿轮

    压,弯应力

    循环,冲击

    摩擦,振动

    齿折断,磨损,疲劳断裂,接触疲劳(麻点)

    心部强度、韧性、表面高强度及疲劳极限,耐磨性

    弹簧

    扭,弯应力

    交变,冲击

    振动

    弹性失稳,疲劳破坏,断裂

    弹性极限,屈强比,疲劳极限

    冷作模具

    复杂应力

    交变,冲击

    强烈摩擦

    磨损,脆断

    硬度,足够的强度,韧性

    3.1.3失效分析的一般过程

    必须对零件设计、选材、工艺、安装使用等各方面进行系统分析,才能找出失效原因。失效分析的一般过程如下:

    事故(失效)--收集失效的残骸--全面调查(失效现场的调查)部位,特点、环境:时间--综合分析(分放区、工作状态、裂纹和断口分析、结构、受力、应力状态、材质、性能组织分析)--或测试或模拟--找出失效原因--提出改进措施。

    3.2选材的方法与步骤

    3.2.1选材的方法

    选材的基本要求是以零件最主要的性能要求作为选材的主要依据,同时兼顾其它性能要求。

    1、以要求较高综合力学性能为主时的选材 在机械制造中有相当多的结构零件,如轴、杆、套类零件等,在工作时均不同程度地承受着静、动载荷的作用,其失效形式可能为变形失效和断裂失效,所以这类零件要求具有较高的强度和较好的塑性与韧性,即良好的综合力学性能。

    2、以疲劳强度为主时的选材 疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式,如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效,大多数是因疲劳破坏引起的。

    3、以抗磨损为主时的选材 可分为两种情况:一是磨损较大、受力较小的零件,其主要失效形式是磨损,故要求材料具有高的耐磨性。如钻套、各种量具、刀具、顶尖等,选用高碳钢或高碳合金钢,进行淬火和低温回火处理,获得高硬度的回火马氏体和碳化物组织,即能满足耐磨的要求。二是同时受磨损及交变应力作用的零件,基主要失效形式是磨损,过量的变形与疲劳断裂(如传动齿轮、凸轮等)。

    3.2.2选材的步骤

    1、分析零件的工作条件及其失效形式,根据具体情况或用户要求确定零件的性能要求(包括使用性能和工艺性能)和最关键的性能指标。一般主要考虑力学性能,必要时还应考虑物理、化学性能。

    2、对同类产品的用材情况进行调研

    3、查手册

    4、初步选择

    5、审核

    6、找关键性零件

    3.3选用材料的一般原则

    选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性。其中,使用性能是需要首先满足的。只有在满足使用性能要求下,才有可能保证零件的运转正常,经久耐用。但不能忽视工艺性能和经济性。工艺性能不好,有时也应考虑重新更换材料。

    判断材料选择是否正确,应当是在满足使用性能要求的条件下,是否最大限度发挥材料的潜力,而且便于加工,成本低。

    3.3.1使用性能

    使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。

    使用性能是多方面的,对于一般零件来说,使用性能中主要要求是材料的机械性能。设计零件的危险截面尺寸或校核零件的安全裕度,以及确定零件的许用应力等,需要根据材料的机械性能数据进行计算。所以,正确地选择材料的机械性能指标是保证零件经久耐用的先决条件。

    机械性能指标的选取应根据零件的工作条件和损坏形式来确定。适用于制作机械零件的材料种类非常之多,在设计机械零件时,如何从各种各样的材料中选择出合适的材料,是一项受多方面因素所制约的复杂的工作。设计者应根据零件的用途、工作条件和材料的物理、化学、机械和工艺性能以及经济因素等进行全面考虑。

    对于高强度钢的构件及大型容器、大型铸锻件来说,断裂韧性K是一个很重要的材料强度和塑性的符合抗力指标。由于K对组织结构的敏感性,因此,它能充分暴露材料的组织机构的不均匀性,以及微观区域内存在的各种缺陷。

    对于要求工件整体性能均一时,应考虑淬透性对机械性能的影响。因为随着淬火不完全度的增加,屈强比显著下降,弯曲疲劳强度也降低。

    对于要求表面强化,同时心部又要求有高强韧性的零件,选材时除应满足表面强化的要求外,还应使心部具有合适的碳及合金元素的含量,以保证表面与心部的性能配合达到最佳状态,从而使整体性能优良。从各方面我们可以看到,材料心部的性能对表面强化的整体性有重要影响。

    材料的物理性能如比重、热膨胀性、导热性和导电性,化学性能如耐蚀性等也是设计中要考虑的问题。

    3.3.2工艺性能

    材料的工艺性能是指材料能够适应加工工艺要求的能力。金属材料按工艺方法不同,可分为铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性和热处理工艺性?;盗慵话愣家捎谜庑┕ひ辗椒ㄖ械囊恢只蚣钢?。因此,在设计零件和

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