1、9.1.19.1.1失效分析失效分析.1.1.失效的定义失效的定义：各种机械零件在运行中由于某种原因不各种机械零件在运行中由于某种原因不能正常工作。能正常工作。2 2、机械零件设计的中心问题：、机械零件设计的中心问题：如何保证零件在预期的寿命内不失效。零件不发生失如何保证零件在预期的寿命内不失效。零件不发生失效时的安全工作限度称为工作能力。效时的安全工作限度称为工作能力。3 3、失效形式、失效形式1）.断裂断裂：占总失效的：占总失效的5 零件在（拉、压、弯、扭）的载荷作用下，零件在（拉、压、弯、扭）的载荷作用下，B（材料的强度极限）就可能发生断裂。（材料的强度极限）就可能发生断裂。9.19.1
2、机械零件设计基础机械零件设计基础3 3、失效形式：、失效形式：1）断裂）断裂：占总失效的占总失效的52）过大的残余变形）过大的残余变形 在载荷的作用下在载荷的作用下S则产生残余变形。则产生残余变形。3）零件的表面破坏）零件的表面破坏：占占74 4）接触疲劳）接触疲劳 在接触变应力长期作用下在接触变应力长期作用下,产生点蚀产生点蚀5）腐蚀）腐蚀 在有害介质中，如在有害介质中，如 零件零件 生锈生锈 6）正常工作条件破坏引起的失效）正常工作条件破坏引起的失效 动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏动压滑动轴承：缺油、轴承油膜破坏 带传动：过载打滑带传动：过载打滑 9.1.29.1.2、载荷和应力：、载荷
3、和应力：1.载荷载荷a.静载荷：静载荷：不随时间变化或变化缓慢的载荷。不随时间变化或变化缓慢的载荷。b.动载荷：动载荷：随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。在设计计算中，常把载荷分为名义载荷和计算载荷。Fc=K*FTc=K*T2.应力应力静应力：静应力：不随时间而变的应力。不随时间而变的应力。变应力：变应力：不断随时间变化的应力。不断随时间变化的应力。大多数零件都是处于变应力状态下工作。大多数零件都是处于变应力状态下工作。3、交变应力的描述sm平均应力；sa应力幅值smax最大应力；smin最小应力r 应
4、力比 r=min/max 2minmaxmsss2minmaxasssmaxminssr描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。r=-1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力 4.4.变应力下的破坏形式：变应力下的破坏形式：疲劳破坏疲劳破坏A、疲劳断裂的特征：、疲劳断裂的特征：1）疲劳断裂的最大应力远比静应力下）疲劳断裂的最大应力远比静应力下的强度极限低，甚至比屈服极限低。的强度极限低，甚至比屈服极限低。2）其疲劳断口为）其疲劳断口为无明显塑性变形的脆性突称然断裂。无明显塑性变形的脆性突称然断裂。3）疲劳断裂是）疲劳断裂是损伤的积累。损伤的积累。形成过程：表面初始裂纹
5、形成过程：表面初始裂纹裂纹扩展裂纹扩展断裂。断裂。其断口有明显的其断口有明显的光滑区光滑区和和粗糙区。粗糙区。零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而零件在变应力作用下，其极限应力不仅与材料的性能有关，而且应力的循环特性且应力的循环特性r、应力循环次数、应力循环次数N、应力集中、零件的表面、应力集中、零件的表面状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。状态和零件的大小都对极限应力有很大的影响。表面光滑表面光滑表面粗糙表面粗糙9.1.3机械零件的设计准则一一.强度准则强度准则机械零件的强度分为体积强度和表面接触强度。机械零件的强度分为体积强度和表面接触强度。（1 1）体积强度）体积
6、强度maxsSlimss cacalimlim/S/S 其中：其中：caca-计算应力计算应力 limlim-极限应力极限应力 S-S-安全系数安全系数2 2、机械零件的接触强度机械零件的接触强度如齿轮、凸轮、滚动轴承等。如齿轮、凸轮、滚动轴承等。B 机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两机械零件中各零件之间的力的传递，总是通过两个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触个零件的接触形式来实现的。常见两机械零件的接触形式为点接触或线接触。形式为点接触或线接触。若两个零件在受载前是若两个零件在受载前是点点接触或接触或线线接触。受载后，由于变形其接触处为接触。受载后，由于变形其接触处为一一
7、小面积小面积，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为，通常此面积甚小而表层产生的局部应力却很大，这种应力称为接触应力。接触应力。这时零件强度称为这时零件强度称为接触强度接触强度。F F 2 O2 1 O1 2 2 O2 1 1 O1 F F 2 2b sH1 变形量B接触失效形式常表现为：接触失效形式常表现为：疲劳点蚀疲劳点蚀后果：后果：减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了承载能力、引起振动和噪音。低了承载能力、引起振动和噪音。初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹初始疲劳裂纹裂纹的扩展与断裂裂纹的扩展与断裂 油油金属剥落出现小坑金
8、属剥落出现小坑机械零件的接触应力通常是随时间作周期性变化的，在载荷重复作用下，首先在表层内约20m处产生初始疲劳裂纹，然后裂纹逐渐扩展(润滑油被挤迸裂纹中将产生高压，使裂纹加快扩展，终于使表层金属呈小片状剥落下来，而在零件表面形成一些小坑，这种现象称为渡劳点蚀。(2)机械零件的接触强度机械零件的接触强度b b由弹性力学可知，应力为：由弹性力学可知，应力为：222121211111EEbFnHs2121:令对于钢或铸铁取泊松比：对于钢或铸铁取泊松比：1=2=0.3,则有简化公式。则有简化公式。上述公式称为上述公式称为赫兹赫兹(HHertz)公式公式“+”用于外接触，用于外接触，“-”用于内接触。
9、用于内接触。H HH H21Fn1Fnb b2H HH Hb b-接触长度接触长度;F Fn n -作用在圆柱体上的载荷作用在圆柱体上的载荷;-综合曲率半径综合曲率半径;三、寿命准则三、寿命准则 影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，影响零件使用寿命的因素主要是腐蚀、磨损和疲劳，前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使前两者还没有成熟的计算方法，工程中通常是求出使用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。用寿命时的疲劳极限作为计算的依据。四、振动稳定性准则四、振动稳定性准则 保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频保证机器中受激振零件的固有频率与激振源的频率错开，率错开，即要求：即要求
10、：0.85 f fp或或 1.15 f fp二、刚度准则二、刚度准则 -是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用是指零件在力作用下的弹性变形量不得超过许用值。即：值。即：y yy 五、可靠性准则五、可靠性准则 可靠度的定义：可靠度的定义：对件数为对件数为N0的一批零件进行试的一批零件进行试验，经过时间验，经过时间t之后有之后有N件仍能正常工作，则该零件件仍能正常工作，则该零件在该试验环境条件下工作时间在该试验环境条件下工作时间t的可靠度定义为：的可靠度定义为：R=NR=N /N/N0 0若若t t R R N N-R R是时间的函数。是时间的函数。9.1.4机械零件的设计方法机械零件的设计方
11、法1.1.传统的设计方法传统的设计方法 1）理论设计）理论设计 依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。.设计计算设计计算，可以简化成简单力学模型。可以简化成简单力学模型。根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。拟订安全条件（拟订安全条件（或或y）计算零件危险剖面的尺寸。计算零件危险剖面的尺寸。根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计 AF/如：齿轮传动、螺栓联接如：齿轮传动、螺栓联接 9.1.4机械零件的设计方法机械零件的设计方法1.1.
12、传统的设计方法传统的设计方法 1）理论设计）理论设计 .校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件 先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局和有关尺寸。订零件的结构布局和有关尺寸。根据工作能力准则校核危险剖面尺寸根据工作能力准则校核危险剖面尺寸 9.1.4机械零件的设计方法机械零件的设计方法1.1.传统的设计方法传统的设计方法 1）理论设计）理论设计 依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。依据人们长期总结出的设计理论和实验数据进行的设计。.设计计算设计计算，可以简化成简单力学模型。可以简化成简单力学模
13、型。根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。根据零件的工作情况和工作能力准则确定计算公式。拟订安全条件（拟订安全条件（或或y）计算零件危险剖面的尺寸。计算零件危险剖面的尺寸。根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计根据结构工艺要求和尺寸协调原则进行结构设计 AF/如：齿轮传动、螺栓联接如：齿轮传动、螺栓联接 2）经验设计，类比设计）经验设计，类比设计 根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关根据已有的某类零件的设计和使用实践。归纳出经验关系式，或根据本人经验进行零件的结构设计。系式，或根据本人经验进行零件的结构设计。对关键部分进行校核对关键部分进行校核 如：箱体、机架、齿轮结构
14、、带轮机构如：箱体、机架、齿轮结构、带轮机构 3）模型实验设计）模型实验设计 做成小模型、小样机，经过各种检验和反复修改，使用做成小模型、小样机，经过各种检验和反复修改，使用于尺寸巨大，结构复杂的重型整体零件或特别重要的设计。于尺寸巨大，结构复杂的重型整体零件或特别重要的设计。9.1.49.1.4机械零件的设计方法机械零件的设计方法1.1.传统的设计方法传统的设计方法 .校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件校核计算：结构复杂应力分布复杂的零件 先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟先参考已有实物、图纸和经验数据，初步拟订零件的结构布局和有关尺寸。订零件的结构布局和有关尺寸。根据工作能力准则校核
15、危险剖面尺寸根据工作能力准则校核危险剖面尺寸 2.2.现代设计方法：现代设计方法：CAD计算机辅助设计、优化设计、有限元法等。计算机辅助设计、优化设计、有限元法等。9.1.5机械零件设计的一般步骤机械零件设计的一般步骤1.1.选取零件的类型和结构；选取零件的类型和结构；要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围要求设计人员对各种零件的类型、优缺点、特性、使用范围有透彻了解。有透彻了解。2.2.受力分析受力分析 根据机器运动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷根据机器运动简图、工作要求、计算作用于零件上的载荷3.3.选取材料选取材料 根据工作条件，对零件的特殊要求根据工作条件，对零件
16、的特殊要求4.4.失效分析，确定计算准则失效分析，确定计算准则 通过计算确定立功脑筋基本尺寸或主要参数通过计算确定立功脑筋基本尺寸或主要参数5.5.进行零件的结构设计进行零件的结构设计绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。绘出零件的工作图，标出必要的技术条件，说明书。本章目录本章目录9.2.19.2.1金属材料金属材料1.钢：钢：含碳量含碳量2%的铁碳合金的铁碳合金1）碳素结构钢：牌号为）碳素结构钢：牌号为Q215、Q235等等主要用于一般要求的机械零件，如连杆、拉杆、主要用于一般要求的机械零件，如连杆、拉杆、钢筋、地脚螺栓、钢板等钢筋、地脚螺栓、钢板等9.29.2机械制造常用材料及其
17、选择机械制造常用材料及其选择2）优质碳素钢：）优质碳素钢：牌号表示，用钢中含碳量的万分数表示，例牌号表示，用钢中含碳量的万分数表示，例45表示钢表示钢中含碳量为万分之中含碳量为万分之45。C0.25%为低碳钢：为低碳钢：强度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、强度低、塑性好、焊接性好，用于焊接件、冲压件等冲压件等C为为0.30.5%为中碳钢：为中碳钢：具有综合的机械性能，用作齿轮、轴具有综合的机械性能，用作齿轮、轴等零件等零件C为为0.550.7的钢：的钢：用作制造弹簧、钢丝绳等用作制造弹簧、钢丝绳等3 3）合金结构钢：）合金结构钢：在钢中加入镍、铬、锰、钼、钒等元素在钢中加入镍、铬、锰、钼、钒
18、等元素的钢。的钢。牌号表示牌号表示数字数字化学元素化学元素数字数字含含C量量元素元素名称名称元素的平均含量，元素的平均含量，以以1%为单位为单位例：例：60Si2Mn表示平均含表示平均含C量量0.6%，含，含Si量量2%，含含Mn量量1.5%用于用于:重要的零件或需要某种特殊性能的零件。重要的零件或需要某种特殊性能的零件。4）铸钢：）铸钢：用于形状复杂、尺寸较大的零件。用于形状复杂、尺寸较大的零件。2 2铸铁：铸铁：含碳量含碳量2%2%的铁碳合金。的铁碳合金。1）灰铸铁：）灰铸铁：C大部分以片状石墨形状存在其基体中大部分以片状石墨形状存在其基体中特点：强度低，塑性低，铸造性好，减磨性、消震性好
19、，切削性好特点：强度低，塑性低，铸造性好，减磨性、消震性好，切削性好用途：机床身，箱体，带轮等用途：机床身，箱体，带轮等2）球墨铸铁：）球墨铸铁：C以球状石墨存在基体中以球状石墨存在基体中特点：强度提高，塑性提高，比灰铁贵，比钢便宜。特点：强度提高，塑性提高，比灰铁贵，比钢便宜。用途：柴油机曲轴，汽缸套，活塞等用途：柴油机曲轴，汽缸套，活塞等9.2.2非全属材料 机械制造中的非金属材料有很多，主要有橡胶、塑料、机械制造中的非金属材料有很多，主要有橡胶、塑料、陶瓷、木材、复合材料等。陶瓷、木材、复合材料等。橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量，常用作联轴器橡胶富于弹性，能吸收较多的冲击能量，常用作
20、联轴器或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制或减震器的弹性元件、带传动的胶带等。硬橡胶可用于制造用水润滑的轴承衬。造用水润滑的轴承衬。塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种塑料的比重小，易于制成形状复杂的零件，而且各种不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、不同塑料具有不同的特点，如耐蚀性、绝热性、绝缘性、减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用减摩性、摩擦系数大等，所以近年来在机械制造中其应用日益广泛。以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂日益广泛。以木屑、石棉纤维等作填充物，用热固性树脂压结而成的塑料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手压结而成的塑
21、料称为结合塑料，可用来制作仪表支架、手柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等层状填充物柄等受力不大的零件。以布、石棉、薄木板等层状填充物为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可为基体，用热固性树脂压结而成的塑料称为层压塑料，可用来制作无声齿轮、轴承村和摩擦片等。用来制作无声齿轮、轴承村和摩擦片等。9.2.39.2.3机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则一）使用要求一）使用要求 1.根据零件承受载荷情况和工作条件选取：根据零件承受载荷情况和工作条件选取：a 一般情况下均选用碳素钢一般情况下均选用碳素钢45调质处理轴，齿轮调质处理轴，齿轮 b 承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧
22、凑时承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧凑时 采用低碳钢合金钢渗碳淬火，如采用低碳钢合金钢渗碳淬火，如18CrMnTi齿轮轴齿轮轴 c 载荷比较稳定时可选铸铁。载荷比较稳定时可选铸铁。如：如：HT250、机床，箱体，床身。、机床，箱体，床身。d 在高温下工作的零件选耐磨热材料在高温下工作的零件选耐磨热材料4Cr9Si2 e 在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金、轴承在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金、轴承一）使用要求一）使用要求 1.根据零件承受载荷情况和工作条件选取：根据零件承受载荷情况和工作条件选取：a 一般情况下均选用碳素钢一般情况下均选用碳素钢45调质处
23、理轴，齿轮调质处理轴，齿轮 b 承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧凑时承受冲击载荷，要求耐磨或结构要求紧凑时 采用低碳钢合金钢渗碳淬火，如采用低碳钢合金钢渗碳淬火，如18CrMnTi齿轮轴齿轮轴 c 载荷比较稳定时可选铸铁。载荷比较稳定时可选铸铁。如：如：HT250、机床，箱体，床身。、机床，箱体，床身。d 在高温下工作的零件选耐磨热材料在高温下工作的零件选耐磨热材料4Cr9Si2 e 在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金、轴承在腐蚀介质中工作的零件选耐腐蚀材料，不锈钢，铜铝合金、轴承 2.受尺寸重量限制时：受尺寸重量限制时：a 一般情况下采用碳素钢锻造毛坯一般情况下采用碳素钢
24、锻造毛坯 b 要求尺寸及重量及小时可采用高强度合金钢要求尺寸及重量及小时可采用高强度合金钢 c 零件尺寸重量较大时且结构复杂时采用铸造毛坯，可零件尺寸重量较大时且结构复杂时采用铸造毛坯，可选：铸铁选：铸铁(批量批量)、铸钢、铸钢(单件单件)或板材冲压后焊接或板材冲压后焊接9.2.39.2.3机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则 二）工艺要求：二）工艺要求：选材料时要考虑材料的工艺性选材料时要考虑材料的工艺性 铸铸 造：流动性好造：流动性好 锻锻 造：还原性、热脆性造：还原性、热脆性 机加工：易切削性机加工：易切削性 热处理：可淬性、淬火变形、淬造能力热处理：可淬性、淬火变形、淬造能力9.2.39.2.3机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则三）经济性要求：三）经济性要求：材料价格：铸铁材料价格：铸铁 1、钢、钢 2、合金、合金 810、普通钢、普通钢1、优质钢、优质钢1.5.8、合金钢、合金钢1.72.5、轴承钢、轴承钢3、工具钢、工具钢320、耐热、耐热钢钢5 材料加工费用：重量大，加工量大材料加工费用：重量大，加工量大 材料利用率材料利用率9.2.39.2.3机械零件材料的选用原则机械零件材料的选用原则本章结束本章结束
