零部件的失效与选材PPT课件
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第七章机械零件的失效与选材
– 球墨铸铁：强韧性较好，代替部分铸钢齿轮的 趋势越来越大，常用牌号QT600-3、QT500-7。
SUST
机械工程材料
7.3.1 齿轮的选材
有色金属：
– 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮， 有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求时，可采用耐 磨性较好的有色金属材料制造，其中应用最多 的是铜合金，如黄铜H62、铝青铜QAl9-4、锡 青铜QSn6.5-0.1、硅青铜QSi3-1等。
工艺性能（铸、锻、焊、机加工、热处理）
– 直接影响加工成本和零件的使用性能。
经济性能
– 总成本、性价比
资源与环境
SUST
机械工程材料
7.3 典型工件的选材及工艺路线设计
齿轮的选材
轴类零件的选材
SUST
机械工程材料
7.3.1 齿轮的选材
齿轮的工作条件：
– 齿根承受很大的交变弯曲应力 – 齿面受较大的接触压应力和摩擦力 – 承受一定的冲击
➢零件的工作条件分析：载荷类型（静、动、冲击）、 应力状态（拉、压、弯曲、扭转、剪切等）、环境 （介质、温度等）
– 以断口特征为主线
失效分析脆的性一断裂般步骤： 韧性断裂
– 调查取证→分析研究→失效分析报告
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机械工程材料
7.2 选材的基本原则
使用性能—首要原则 量化为具体指标！
– 分析零件的工作条件、失效形式 ，选择满足力 学性能、物理性能、化学性能的材料。
7.3.1 齿轮的选材
机床齿轮
– 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等， 对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。
– 多采用40、45钢。经正火或调质处理后表面淬 火＋低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心 硬度为220～250HBS。
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机械工程材料
7.3.1 齿轮的选材
有色金属：
– 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮， 有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求时，可采用耐 磨性较好的有色金属材料制造，其中应用最多 的是铜合金，如黄铜H62、铝青铜QAl9-4、锡 青铜QSn6.5-0.1、硅青铜QSi3-1等。
工艺性能（铸、锻、焊、机加工、热处理）
– 直接影响加工成本和零件的使用性能。
经济性能
– 总成本、性价比
资源与环境
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机械工程材料
7.3 典型工件的选材及工艺路线设计
齿轮的选材
轴类零件的选材
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机械工程材料
7.3.1 齿轮的选材
齿轮的工作条件：
– 齿根承受很大的交变弯曲应力 – 齿面受较大的接触压应力和摩擦力 – 承受一定的冲击
➢零件的工作条件分析：载荷类型（静、动、冲击）、 应力状态（拉、压、弯曲、扭转、剪切等）、环境 （介质、温度等）
– 以断口特征为主线
失效分析脆的性一断裂般步骤： 韧性断裂
– 调查取证→分析研究→失效分析报告
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机械工程材料
7.2 选材的基本原则
使用性能—首要原则 量化为具体指标！
– 分析零件的工作条件、失效形式 ，选择满足力 学性能、物理性能、化学性能的材料。
7.3.1 齿轮的选材
机床齿轮
– 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等， 对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。
– 多采用40、45钢。经正火或调质处理后表面淬 火＋低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心 硬度为220～250HBS。
机械零件的失效与选材原则.pptx
韧性（塑性）断裂实物
韧性断裂断口（韧窝）
2. 脆性断裂
断裂前无塑性变形。 脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材 料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力， 所以又称为低应力脆断。 脆性断裂以零件内部存在的宏观裂纹(如肉 眼可见的0.1 mm～1 mm)作为源开始的。 中、低强度钢在10 ℃～15 ℃以下会由韧性 状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。
失效导致严重事故
失效因素
一、设计因素
为了保证产品质量，必须精心设计，精心施 工。
根据零件工作条件、可能发生的失效模式， 提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构 ，提出必要的技术文件。
如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用 或过早失效。
二、制造(工艺)因素
工艺缺陷是零件失效的重要因素。 ●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣； ●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹； ●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹； ●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合 适； ●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、 回火脆性； ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
脆性断裂 (1) 宏观特征 断(2口) 微一观般特与征正应力垂直，断口表面平齐， 断口脆边性缘断没裂有的剪微切观“判唇据口是”解(理或花很样小和)。沿晶断 口形态。
脆性断裂实物 脆性断裂断口(解理花样) 沿晶断口(冰糖花样)
解理断裂 因原子间结合键的破坏而造成 的穿晶断裂。
断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是 1030 m/s，在低温和三向应力状态时更快 ；
塑性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变失效断裂
二、断口的分析方法 断口分析是断裂失效分析的关键。
金属材料的室温拉伸或冲击
试样的断口宏观观察，可以看到
断口分为：
F - 纤维状区
工程材料-第七章-失效与选材
零件发生过大的塑性变形时可能产生塑性变形失效。塑性变形 是零件中的工作应力超过了材料的屈服强度的结果。 设计中进行强度计算时，许用应力[σ]一般应取小于材料屈服强 度的应力值，即[ σ]=σs/k式中，k为安全系数，数值大于1。
在给定外加载荷条件下，塑性变形失效的发生取决于零件截面的大小、 安全系数k的数值以及材料的屈服强度σs。在这种情况下，零件应选 用屈服强度高的材料
工程材料第7章
7.1 机械零件的失效与失效分析
表7.1 零件失效的模式及其失效机理
失效模式
弹性变形失效 畸变失效 塑性变形失效 翘曲畸变失效
失效机理
弹性变形 塑性变形 弹、塑性变形
韧性断裂失效 低应力脆性失效 断裂失效 疲劳断裂失效 蠕变断裂失效 介质加速断裂失效
磨损失效 表面损伤失效 表面疲劳失效 腐蚀失效
工程材料第7章
7.2 机械零件的选材原则
7.2.3 经济性原则
材料的经济性是选材的根本原则。 1.材料的价格 2. 零件的总成本
工程材料第7章
7.3 不同失效形式的选材分析
7.3.1 弹性失稳的选材分析
弹性失效是由过大的弹性变形引起的，在固定的外力作用下，弹性 应变的大小取决于两个因素： 一是物体的承载面积，即零件的几何尺寸， 另一是材料的弹性模量。
塑性畸变影响因素: 除弹性畸变中所论影响因素外, 还有材料缺陷、使用不 当、设计有误等，其中特别是热处理不良更为突出。
3. 翘曲畸变失效 翘曲畸变—是一种与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的 外形而导致失效。
工程材料第7章
7.1 机械零件的失效与失效分析
（二）断裂失效
1. 断裂分类 （1）按断裂性质分
工程材料
第七章 机械零件的失效与选材
在给定外加载荷条件下，塑性变形失效的发生取决于零件截面的大小、 安全系数k的数值以及材料的屈服强度σs。在这种情况下，零件应选 用屈服强度高的材料
工程材料第7章
7.1 机械零件的失效与失效分析
表7.1 零件失效的模式及其失效机理
失效模式
弹性变形失效 畸变失效 塑性变形失效 翘曲畸变失效
失效机理
弹性变形 塑性变形 弹、塑性变形
韧性断裂失效 低应力脆性失效 断裂失效 疲劳断裂失效 蠕变断裂失效 介质加速断裂失效
磨损失效 表面损伤失效 表面疲劳失效 腐蚀失效
工程材料第7章
7.2 机械零件的选材原则
7.2.3 经济性原则
材料的经济性是选材的根本原则。 1.材料的价格 2. 零件的总成本
工程材料第7章
7.3 不同失效形式的选材分析
7.3.1 弹性失稳的选材分析
弹性失效是由过大的弹性变形引起的，在固定的外力作用下，弹性 应变的大小取决于两个因素： 一是物体的承载面积，即零件的几何尺寸， 另一是材料的弹性模量。
塑性畸变影响因素: 除弹性畸变中所论影响因素外, 还有材料缺陷、使用不 当、设计有误等，其中特别是热处理不良更为突出。
3. 翘曲畸变失效 翘曲畸变—是一种与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的 外形而导致失效。
工程材料第7章
7.1 机械零件的失效与失效分析
（二）断裂失效
1. 断裂分类 （1）按断裂性质分
工程材料
第七章 机械零件的失效与选材
第一章机械零件的失效分析ppt课件
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
美国1983年统计：零件失效造成的经济损失每 年可达3400亿美元 德国：零件失效造成的损失每年可达700亿马克
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
弹性极限（ se ）： 衡量材料最大弹性 变形的抗力指标
se＝Pe / Fo 比例极限（sp）： 保证材料的弹性变 形能按正比关系变 化的最大抗力指标
sp＝PP / Fo
低碳钢拉伸时的应力应变曲线
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
二、过量变形失效
1.过量弹性变形失效及抗力指标
材料在弹性变形范围内，应力和应变遵守虎克定律
单向拉伸时的弹性模量：
Es P A
EA＝P/ε
EA：零件产生单位弹性变形所需的载荷大小
刚度：零件抵抗弹性变形的能力
➢经 营 者 提 供 商品或 者服务 有欺诈 行为的 ，应当 按照消 费者的 要求增 加赔偿 其受到 的损失 ，增加 赔偿的 金额为 消费者 购买商 品的价 款或接 受服务 的费用
屈服极限（sS ＝Ps / Fo）：材料抵抗起始塑性 变形的抗力指标 为避免零件发生塑性变形或发生过量塑性变形失 效，产品设计时应以屈服极限为依据
加工硬化：由塑性变形导致的材料强度 升高、塑性降低现象
(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)及材料老化失效(materials ageing failure)等。
1、变形失效⑴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。
⑵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：⑴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⑵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（<2~5%）的断裂称为脆性断裂。
零件失效分析2失效分析基础知识PPT课件
第23页/共120页
键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂
初始裂 纹源
裂纹扩 展区
最终瞬 断区
第24页/共120页
键槽
2.2 应力集中与零件失效 ➢ 应力集中与应力集中系数 ➢ 应力集中对零件失效的影响 ➢ 降低应力集中的措施
第25页/共120页
零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配， 也会造成应力集中。
第34页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素
力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；
第35页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素 零件几何形状：
断裂部位
第36页/共120页
零件应力状态： 举例：
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期 失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局 部脱碳。
含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况
第26页/共120页
变截面过渡圆角处的应力分布
理论应力集中系数
Kt
max 平均
第27页/共120页
应力集中系数手册
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值
第28页/共120页
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值
第55页/共120页
➢ 振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) ➢ 锤击、喷丸、滚压
第56页/共120页
振动等离子熔覆过程示意图
第57页/共120页
0Hz
50Hz
75Hz
100Hz
125Hz
第58页/共120页
150Hz
100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象
键槽应力集中导致齿轮轴疲劳断裂
初始裂 纹源
裂纹扩 展区
最终瞬 断区
第24页/共120页
键槽
2.2 应力集中与零件失效 ➢ 应力集中与应力集中系数 ➢ 应力集中对零件失效的影响 ➢ 降低应力集中的措施
第25页/共120页
零件的几何形状发生突变，会造成应力的重新分配， 也会造成应力集中。
第34页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素
力学性能：硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低， 应力集中作用越强烈，裂纹扩展速率越大；
第35页/共120页
➢ 影响应力集中与断裂失效的因素 零件几何形状：
断裂部位
第36页/共120页
零件应力状态： 举例：
上海汽车锻造总厂生产的汽车钢板弹簧产生早期 失效，综合分析发现：表面存在较多较深的弹坑及局 部脱碳。
含孔的矩形棒在拉应力作用下应力集中的情况
第26页/共120页
变截面过渡圆角处的应力分布
理论应力集中系数
Kt
max 平均
第27页/共120页
应力集中系数手册
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受单向静拉伸时的Kt值
第28页/共120页
典型结构的应力集中曲线
几何突变零件承受静弯曲载荷时的Kt值
第55页/共120页
➢ 振动时效 (Vibration Stress Relief, VSR) ➢ 锤击、喷丸、滚压
第56页/共120页
振动等离子熔覆过程示意图
第57页/共120页
0Hz
50Hz
75Hz
100Hz
125Hz
第58页/共120页
150Hz
100Hz时，熔覆层出现罕见的分层现象
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)及材料老化失效(materials ageing failure)等。
1、变形失效⑴ 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。
⑵ 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：⑴ 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⑵ 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（<2~5%）的断裂称为脆性断裂。
第二章汽车零部件的失效模式ppt-第二章汽车零部件的失效
质，如润滑油和水中等。
七、微动磨损及其失效机理
• 1·定义：两接触外表间没有微观相对运动， 但在外界变化负荷影响下，有小振幅的相对 振动〔普通小于100μm〕，此时接触外表间 发生少量的庞大氧化物磨损粉末，因此形成 的磨损称为微动磨损。
• 微动以三种方式对构件形成破坏；如在微动 磨损进程中，两个外表之间的化学反响起主 要作用时，那么称微动腐蚀磨损。假设微动 外表或次外表层中发生微裂纹，在重复应力 作用下开展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。
齿轮轮齿根部所承受的弯曲载荷及 表面承受的接触载荷等；
绝大多数汽车零件是在动态应力作 用下工作的。
工作环境；
汽车零件在不同的环境介质和不同
的工作温度作用下，可能引起腐蚀磨损、 磨料磨损以及热应力引起的热变形、热 膨胀、热疲劳等失效，还可能造成材料 的脆化，高分子材料的老化等。
三、零件失效的基本缘由 ⒉设计制造；⒊运用维修；
扩展的横向裂纹。
总之，磨料磨损机理是属 于磨料的机械作用，这种机械 作用在很大水平上与磨料的性 质、外形及尺寸大小、固定的 水平及载荷作用下磨料与被磨
外表的机械功用有关。
四、粘着磨损及其失效机理
• 定义：摩擦副相对 运动时，由于固相 焊协作用的结果， 形成接触面金属损 耗的现象称为粘着 磨损。
• 是缺油或油膜破坏 后发作干摩擦的结 果；是指一个零件 外表上的金属转移 到另一个零件外表 上，而发生的磨损。
三、疲劳断裂失效机理： 金属零件疲劳断裂实质上
是一个累计损伤进程。大体可划 分为滑移、裂纹成核、微观裂纹 扩展、微观裂纹扩展、最终断裂
几个进程。
第四节 汽车零部件腐蚀失效及其机理
• 零件受周围介质作用而惹 起的损坏称为零件的腐蚀。按 腐蚀机理可分为化学腐蚀和电 化学腐蚀，汽车上约20%的零 件因腐蚀而失效。
七、微动磨损及其失效机理
• 1·定义：两接触外表间没有微观相对运动， 但在外界变化负荷影响下，有小振幅的相对 振动〔普通小于100μm〕，此时接触外表间 发生少量的庞大氧化物磨损粉末，因此形成 的磨损称为微动磨损。
• 微动以三种方式对构件形成破坏；如在微动 磨损进程中，两个外表之间的化学反响起主 要作用时，那么称微动腐蚀磨损。假设微动 外表或次外表层中发生微裂纹，在重复应力 作用下开展成疲劳裂纹，称为微动疲劳磨损。
齿轮轮齿根部所承受的弯曲载荷及 表面承受的接触载荷等；
绝大多数汽车零件是在动态应力作 用下工作的。
工作环境；
汽车零件在不同的环境介质和不同
的工作温度作用下，可能引起腐蚀磨损、 磨料磨损以及热应力引起的热变形、热 膨胀、热疲劳等失效，还可能造成材料 的脆化，高分子材料的老化等。
三、零件失效的基本缘由 ⒉设计制造；⒊运用维修；
扩展的横向裂纹。
总之，磨料磨损机理是属 于磨料的机械作用，这种机械 作用在很大水平上与磨料的性 质、外形及尺寸大小、固定的 水平及载荷作用下磨料与被磨
外表的机械功用有关。
四、粘着磨损及其失效机理
• 定义：摩擦副相对 运动时，由于固相 焊协作用的结果， 形成接触面金属损 耗的现象称为粘着 磨损。
• 是缺油或油膜破坏 后发作干摩擦的结 果；是指一个零件 外表上的金属转移 到另一个零件外表 上，而发生的磨损。
三、疲劳断裂失效机理： 金属零件疲劳断裂实质上
是一个累计损伤进程。大体可划 分为滑移、裂纹成核、微观裂纹 扩展、微观裂纹扩展、最终断裂
几个进程。
第四节 汽车零部件腐蚀失效及其机理
• 零件受周围介质作用而惹 起的损坏称为零件的腐蚀。按 腐蚀机理可分为化学腐蚀和电 化学腐蚀，汽车上约20%的零 件因腐蚀而失效。
工程设计-制造与材料选择--零件失效与失效类型(ppt 47)
表7-5
7.3.2 钢铁普通热处理方案的选择
表7-6
7.3.3 钢铁表面热处理方案的选择 •高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量
生产。 •渗 碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬
化层要求时采用。 •碳氮共渗：在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且
耐磨性高于渗碳）。 •软 氮 化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场
•表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正
火）保证心部性能。
•渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋
须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。
•某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）
后，不再进行切削加工。
•高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理
或冷处理。 ⑵ 热处理在工艺路线中的位置
③ 过量蠕变失效： •特征：T＞0.3Tm（尽管σ＜σs）时发生，时间累积过 程。 •措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。
⑵断裂失效（fracture failure） ①韧断： •特征：σ＞σb ，先塑变后断裂；原因为强度不足。 •措施：σ＜[σ]；提高材料强度。 ②低应力脆断： •特征：σ＜σs时突然发生，无明显宏观塑性变形征 兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；低温、大 截面零件以及应力集中，最易发生。 •措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力 集中及消除内应力等。
•措施与综合结果： ①低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光
体量，HB↑，切削性↑。 ②高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒
状珠光体，切削性↑。 ③Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，
切削加工性甚好。 ④大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用
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力学性 化学成份冶炼工艺不当
能不合 金相组织冶炼、锻造
格
或热处理工艺不当
断口面与轴向成45角
扭转载荷过大
.
21
铁路钢轨的失效
钢轨的失效行为
失效形式
失效的原因
磨耗
钢轨与车轮接触面表层发生磨损。
压溃
轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。
剥离
交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层) 形成扩展至剥落。
疲劳裂纹或折断
零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在 条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类 型。
变形失效
弹
塑
性
性
变
变
形
形
失
失
效
效
零件失效
断裂失效
塑 低 疲蠕应
性 应 劳变力
断 力 断断腐
裂 脆 裂裂蚀
失 断 失失断
效 失 效效裂
效
失
效
.
表面损伤失效
磨表腐 损面蚀 失疲失 效劳效
齿轮的疲劳断裂（宏观）
.
18
齿轮的失效行为
失效形式
失效的原因
齿面接触 疲劳破坏
在交变称麻 点）。
疲劳断裂
从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力 所致，是齿轮最严重的失效形式。
齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，轮齿变薄。
过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。
失 效
4
二、零件失效的主要原因
引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为设计、材料、 加工和安装使用四个方面。 设计 工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。 材料 选材不当；材质低劣。 加工 毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。 安装使用 安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。
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1986年1月28日 助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损， 喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃 料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。
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第十三章 材料的选用及失效 分析
使用性能--使用过程中安全可靠； 工艺性能--零件便于加工制造；
经济性--零件的总成本最低; 环境与资源--环境友好。
三、失效分析的主要方法
失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用 宏观和微观的研究手段进行系统的分析。
服役条件 失效零件
失效分析 失效原因
失效类型
设计
材料
工艺
使用
改进设计 提高主要抗力指标
改进工艺
加强管理
提高零件失效抗力
实验室试验
工业试验
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以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图
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第一节 零件的失效分析
每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运 动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的 功能时，即零件已失效。
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。
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一、零件失效的基本形式
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无损检测
无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无 损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。
脆性断口
断口分析
韧性断口 疲劳断口
断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高 倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最 终断裂区，判断出断裂的性质和机理。
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金相分析
通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组 成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失 效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。
化学分析
检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。
力学分析
检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。
该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广 使用的有效方法之一。
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失效树分析
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失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结果和原因具有双重性，失 效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。 ➢“顺藤摸瓜”
以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点 结果。 ➢“顺藤找根”
以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态 的直接原因。 ➢“顺瓜摸藤”
从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。 ➢“顺根摸藤”
从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。
还有“顺瓜摸藤+顺藤找根”、“顺根摸藤+顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜+顺藤找根”等。
回火脆性断口
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应力腐蚀断口
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韧性断口
宏观：纤维状，色质灰暗, 有明显的塑性变形。 微观：大小不等的韧窝。
纤维状韧性宏观断口
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微观典型韧窝形貌
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疲劳断口
疲劳裂纹扩展区
疲劳源
“贝纹”状花样
瞬时断裂区
疲劳断口宏观形貌
疲劳断口示意图
疲劳条纹的微观图象
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四、零件失效分析实例
齿轮的失效
齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力的作 用；齿根部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。
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车轴疲劳断裂的失效分析
车轴 疲劳 断裂 分析
疲劳裂纹源发生在车轴内部─冶金缺陷（残余缩孔、 夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）
机加工缺陷机加工不当
轴表面 撞伤意外损伤 异常 腐蚀产物环境腐蚀
疲劳裂纹 源发生在 车轴表面
断口面基 本与轴向 垂直
磨损产物微动摩擦
断口特征异常 设计不当、严重缺 陷或过载
交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步 扩展至断裂。
擦伤
轮轨接触面发生热机械作用, 导致组织产生 相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。
锈蚀
腐蚀环境作用。
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铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂是其主要 失效形式。
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断口分析
T型法则
分叉法则
B裂纹产生在后 A裂纹产生在前
分析破坏的顺序
裂纹扩展方向
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失效源分析
根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。
源区
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源区
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脆性断口
宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。 微观：平坦的解理台阶与河流花样。
宏观形貌
微观解理花样
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脆性断裂沿晶断口
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机车车轴的失效
车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性， 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）。
疲劳源
疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生； 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。
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