零件的失效与选材
机械零件的失效与选材原则10969
弹性失稳， 疲劳破坏，
断裂
磨损 脆断
综合机械性能强度 、韧性、局部表面
耐磨性
心部强度、韧性表 面高强度
及疲劳极限 耐磨性
弹性极限， 屈强比， 疲劳极限
硬度，足够的 强度，韧性
8.3.2 工艺性能原则
材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。
一、高分子材料零件选材的工艺性能原则
两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时 ，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲 劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损 。
六、腐蚀磨损
腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周 围介质发生化学或电化学反应，产生表层金 属的损失或迁移现象。
老师提示 采用耐磨性高的材料，进行合理的
表面强化处理，改变材料的组织结构 ，适度提高硬度。
●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或 冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料 内部缺陷导致失效。
五、运转维修因素
●不正确的运转工况参数(载荷、速度等 )导致零件失效。
●忽视维修，未进行定期大、中、小检 修
●润滑条件未保证, 润滑剂和润滑方法不 合适
老师提示 在影响失效的基本因素中，特 别要强调人的因素，即注意人的素质条件 的影响。
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。
第七章机械零件的失效与选材
7.3.2 轴类零件的选材
机床主轴：
– 普通车床（轻载）主轴—45钢调质或正火，轴颈高频 表面淬火。
– 铣床（中载）主轴—40Cr等调质，轴颈高频表面淬火 。
– 组合机床（重载）主轴—20CrMnTi ，渗碳 + 淬火 + 低温回火处理。
– 精密镗床（高精度）主轴—38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效
经济性能
– 总成本、性价比
资源与环境
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
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
齿轮的失效方式：
– 轮齿折断 – 齿面损伤 – 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。
– 通常选用合金渗碳钢20Cr、20MnVB、20CrMnTi、 20CrMnMo制造，经渗碳淬火＋低温回火处理后，齿 面硬度可达58～62HRC，心部硬度30～45HRC。
– 对飞机、坦克等特别重要齿轮，多采用高淬透性渗碳 钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。
7.3.1 齿轮的选材
汽车、拖拉机齿轮
– 常用铸钢牌号有ZG270-500、ZG310-570、ZG40Cr等 。
– 加工后一般进行表面淬火＋低温回火处理，但对性能 要求不高、低速齿轮，也可在调质、正火状态下使用 。
7.3.1 齿轮的选材
铸铁：
– 灰铸铁：具有优良的减摩性、减振性，工艺性 能好且成本低，其主要缺点是强韧性低，多用 于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。 常用牌号有HT200、HT250、HT350等。
零件的失效分析与选材
零件的失效分析与选材一.零件失效1. 定义:零件失去正常工作应有的效能.也就是零件在工作时,由于承受各种载荷,或者由于运动表面间长时间地相互摩擦等原因,零件的尺寸、形状及表面质量会随着时间延长而改变.如果零件尺寸由于摩损超过了零件设计时的尺寸公差范围,表面由于磨损或外界介质的侵蚀等造成表面质量下降,这些都是零件失效.由此可见,零件失效≠零件坏了.2. 正常失效:零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效.3. 非正常失效:在低于设计预期寿命时发生的失效.4. 突发性: 例如:化肥厂爆炸、Titanic二.失效原因三.失效分析1.定义:对零件失效原因进行分析研究.2.方法①收集历史材料②失效部位取样,化验成分,检验冶金质量、组织分析探伤和测定③进行综合分析④最后写出失效分析报告四.零件失效的主要原因零件失效形式变形失效断裂表面损伤剥落麻点第二节零件选材原则一．使用性能原则---首要原则1. 分析零件的工作条件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 载荷的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。
受力状况：载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。
环境状况：温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。
特殊功能：导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
2. 进行失效分析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。
几种常用零件的工作条件和失效形式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。
零件的选材、失效—选材的原则、方法和步骤(航空材料)
选材的原则、 方法和步骤
选材的基本原则
首先保证使用性能要求，然后再考虑工艺性和经济性。
1. 保证使用性能要求 对于一般的工程构件和机械零件，则主要以其力学性
能作为选材依据；对于一些特殊条件下工作的零件，则根 据要求考虑到材料的物理、化学性能。
2. 考虑工艺性能要求 所选用的材料是否能保证顺利加工制造成零件。
(6)对于关键性零件，特别是一些安全可靠性要求很高的零件， 正式投产前应在实验室里对这些零件进行必要的实验或试验 以后，充分证实这些零件达到设计所要求的各项性能指标以 后，才能逐步批量生产。
3. 满足经济性要求 所选用材料能够制造
(1)要求综合性能的零件 (2)要求疲劳强度为主的零件 (3)要求耐磨性为主的零件
2. 选材的一般步骤
(1)分析零件工作条件和失效形式，根据实际的使用情况和 受力分析，确定零件所要具备的性能要求。
(2)对已经过实际使用的同类零件进行调查研究，从使用性能、 加工工艺性、经济性等方面综合分析比较，以此为参考。
(3)根据零件实际工作条件及相关资料，通过理论计算，必 要时进行试验或实验，确定应该具有的力学性能或其他性能 指标。
(4)初步选择出具体的材料牌号，并确定其热处理或其它强化 方法。
(5)审核所选的材料的经济性，综合考虑其成本（加工费， 运输费、材料费等）。
机械零件的失效与选材原则
8.3 典型零件的选材与工艺 8.3.1 提高疲劳强度与耐磨性的选材与工艺
•1
8.3.2 齿轮类与轴类零件的选材与工艺
1. 齿轮类零件的选材与工艺
① 性能要求 a. 传递扭矩和调节速度，齿根承受很大的交变弯曲应力。 b. 换挡、启动，齿部承受一定冲击载荷。 c. 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力和摩
2. 工艺性能原则 1. 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考
虑的问题。
3. 经济性原则 ① 尽量降低材料及其加工成本 1. 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关
资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%～70%。 ② 用非金属材料代替金属材料 ③ 零件的总成本 1. 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费
粘着磨损
1. 两个金属表面的微凸部分在高压下产生局部粘结、焊合， 使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在 两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。
粘着磨损磨痕
b. 表面疲劳 1. 两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接
触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料疲劳而 剥落的现象称为表面疲劳磨损。 c. 腐蚀失效 1. 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面 损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学 作用的结果。
1. 零件的失效形式 ① 变形失效与选材 a. 弹性变形失效：不恰当的弹性变形量导致失效。受拉、
压的杆类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承) 过载；受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成 轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常，甚至咬死，导致 传动失效；某些控制元件，如温控元件，过大的弹性畸 变量使精度无法保证。 • 防止弹性变形的主要措施：增加零件截面、采用弹性模 量高的材料，防止超载。
工程材料-第七章-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
第十三章 零部件的失效与选材
13.1.2
失效形式
13.1.2
失效形式
• ②低应力脆性断裂失效 • 在工作应力远低于材料的屈服极限的应力 作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导 致无明显塑性变形的突然断裂,称为“低应 力脆性断裂”。 • 对于含裂纹的构件的脆性断裂,要用抵抗裂 纹失稳扩展能力的力学性能指标－断裂韧 性(KIC)来衡量，以确保安全
13.1.3
失效原因
• 3. 加工工艺不当 • 零部件加工成形过程中造成各种质量缺陷 (刀纹过深、磨削裂纹等)，都能成为引发失 效的危险源。 • 热处理不当(如淬火温度不足、表面脱碳、 淬火变形和开裂等)，都是产生失效的重要 原因。
13.1.3
失效原因
• 4. 装配使用不当零部件装配成机器或装置 的过程中由于装配不当(如对中不好、间隙 不合适都会产生附加应力或振动)，造成零 部件过早失效。 • 不按工艺规程操作，使用维护不良，保养 不及时，也将导致零部件过早失效。
13.2.1
选材的基本原则
• 根据使用性能选材的步骤如下: • (1)分析零部件的工作条件,确定使用性能。 • 工作条件分析包括受力状态(拉、压、弯、 剪切)、载荷性质(静载、动载、交变载荷)、 载荷大小及分布、工作温度、(低温、室温、 高温、变温)环境介质、(润滑剂、海水、酸、 碱、盐)特殊性能(电、磁、热)等。 • 在对工作条件全面分析的基础上确定零部件 的使用性能。
13.1.2
失效形式
13.1.2
失效形式
13.1.2
失效形式
• 3. 表面损伤失效 • 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件 表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和 表面粗糙度造成的失效，称为“表面损伤 失效”。 • (1)磨损失效 • 由于摩檫造成零部件尺寸变化、精度降低 而不能继续工作，这种现象称为“磨损失 效”。
机械零件的失效与选材
机械零件的失效与选材1. 引言在机械工程中，机械零件的失效和选材问题一直备受关注。
机械零件的失效可能导致设备的故障和生产线的停工，造成重大经济损失。
因此，正确选择合适的材料是确保机械零件正常运行和延长寿命的关键因素。
本文将介绍机械零件失效的主要原因以及选材时需要考虑的因素，并提供一些常见的机械零件选材指南。
2. 机械零件失效的主要原因机械零件失效的主要原因可以归结为力学失效、热失效和化学失效等几个方面。
2.1 力学失效力学失效是指机械零件在受到外部载荷作用时发生的破坏。
常见的力学失效形式包括拉伸断裂、扭转断裂、疲劳断裂等。
拉伸断裂是指材料在受到拉伸载荷时发生的断裂。
这种失效通常发生在零件或材料的强度达到极限时。
拉伸断裂的原因可以是材料强度不足、缺陷存在、应力集中等。
2.1.2 扭转断裂扭转断裂是指材料在受到扭转载荷时发生的断裂。
与拉伸断裂类似，扭转断裂的原因也包括材料强度不足和缺陷存在等。
疲劳断裂是指材料在受到循环载荷作用下发生的断裂。
疲劳断裂是机械零件失效中常见的形式之一，它的发生与材料的强度、缺陷、外载荷频率等因素有关。
2.2 热失效热失效是指机械零件在高温环境下发生的失效。
高温环境会导致材料的力学性能下降、热膨胀等问题，从而影响机械零件的正常使用。
2.3 化学失效化学失效是指由于机械零件与介质（如酸、碱、氧化剂等）发生化学反应而导致的失效。
化学失效可能包括腐蚀、氧化、氢脆等问题，对机械零件的材料选择提出了更高的要求。
3. 机械零件选材的考虑因素在选择机械零件的材料时，需要综合考虑多种因素，包括机械性能、化学性能、热性能、加工性能等。
3.1 机械性能机械性能是选择机械零件材料的重要考虑因素。
常见的机械性能指标包括材料的强度、硬度、韧性、刚度等。
不同的机械零件所受到的力学载荷不同，因此在材料选型时需要根据实际应用场景的要求，选择具备合适机械性能的材料。
3.2 化学性能化学性能对机械零件的寿命和使用环境至关重要。
(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。
6失效及选材
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
蠕变断裂失效 蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。产生的断裂叫做蠕变断裂。
蠕变断裂
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的性能需要
综合考虑。如屈服强度、塑性、韧性、疲劳强度等。
防止断裂的措施： • 采用材质好、强度高、韧性好的材料。 • 防止超载。 • 注意环境的影响。
②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质
（有无腐蚀介质、润滑剂）； ③其它要求：如导热性、密度与磁性等。 在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能， 如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、 酸碱等腐蚀介质中工作要求耐蚀性等。
6.2 选材的一般原则——工艺性原则
金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影
2、断裂失效
脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。 宏观特征：无明显变形。
微观特征：解理断裂和沿晶界断裂
解理型断口
沿晶界断裂
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
脆性断裂失效
描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性ak、韧 脆转变温度Tk和断裂韧性KIC。
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
，抗磁性要求等。
6.3 典型零件选材分析
齿轮类零件选材
2．主要失效形式 ① 断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过 载导致的崩齿与开裂； ② 齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻 点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损； ③ 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。
粘着磨损示意图
6.1 零件的失效——失效形式
机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析与选材一、机械零件失效的原因1.腐蚀：机械零件在使用过程中遭受外界环境的腐蚀作用，如氧化、化学腐蚀等，导致零件表面产生锈蚀、腐蚀，从而影响零件的机械性能。
2.疲劳：机械零件在长期交替加载作用下，会出现疲劳现象，导致零件发生裂纹和断裂，失去原有的强度和稳定性。
3.磨损：机械零件在使用过程中与其他零件摩擦接触，长期摩擦会导致零件表面磨损，进而影响零件的功能和寿命。
4.劈裂：机械零件在使用过程中遭受冲击或受到异常载荷作用，会出现劈裂现象，造成零件失效。
5.热胀冷缩：机械零件在温度变化过程中，由于材料的热胀冷缩性能差异，会导致零件产生形变和应力集中，从而导致零件失效。
这些失效原因都会导致机械零件的性能下降甚至完全失效，因此，对机械零件的失效分析是非常重要的。
二、机械零件选材的考虑因素机械零件选材是指选择合适的材料用于制造机械零件，以满足设计要求和使用条件。
在进行机械零件选材时，需要考虑以下几个因素：1.强度和刚度：机械零件需要具备足够的强度和刚度，以承载和传递力量和扭矩，保证零件的正常工作。
2.耐磨性：机械零件在使用过程中经常摩擦接触，需要具备一定的耐磨性，以延长零件的使用寿命。
3.耐腐蚀性：机械零件在一些工作环境下可能会受到腐蚀作用，需要选择具有良好耐腐蚀性的材料，以防止零件损坏和失效。
4.热稳定性：机械零件在高温环境下工作时，需要选择具有良好的热稳定性的材料，以防止零件变形和失效。
5.成本和可加工性：机械零件的选材还需要考虑材料的成本和可加工性，避免材料成本过高或者难以加工造成生产成本的增加。
根据以上因素，可以选择各种合适的材料，如金属材料、塑料材料、复合材料等，以满足机械零件的设计和使用要求。
三、机械零件失效分析与选材的方法1.失效分析：对机械零件失效进行分析，可以通过观察零件的损坏情况、痕迹以及使用条件等来判断失效原因，从而采取相应的措施来避免类似失效的再次发生。
2.材料测试：在进行机械零件选材时，可以对不同材料进行物理力学性能测试，如强度、硬度、韧性等，以确定材料是否符合设计要求。
机械零件的失效与选材原则
机械零件的失效与选材原则引言在机械设计过程中，零件选材是至关重要的一步。
选用合适的材料可以保证零件的性能和可靠性，而错误的选材则可能导致零件失效。
本文将探讨机械零件常见的失效模式及其原因，并介绍一些选材原则，以帮助设计师在选择合适的材料时做出明智的决策。
机械零件失效模式1.疲劳失效：机械零件在长期循环加载中，由于应力集中、不均匀载荷等原因，会导致材料发生疲劳损伤，最终导致零件疲劳失效。
2.断裂失效：机械零件在过载、过应力等条件下，无法承受外部载荷或应力，导致零件发生断裂。
3.磨损失效：机械零件与其他零件或介质摩擦磨损，长期使用导致零件表面磨损严重，最终影响零件的性能和寿命。
4.腐蚀失效：机械零件在特定环境下，如高温、潮湿等条件下，会发生腐蚀失效，导致零件的材料结构发生损坏或氧化。
选材原则1.强度与刚度：根据零件的工作条件和要求，选择具有足够强度和刚度的材料，以确保零件能够承受外部载荷和应力而不发生失效。
2.耐磨损性：对于需要与其他零件或介质发生摩擦的零件，选择具有良好耐磨损性的材料，以延长零件的使用寿命。
3.耐腐蚀性：在特殊环境下工作的零件，如在潮湿、酸性或碱性环境中，选择具有良好耐腐蚀性的材料，以防止零件发生腐蚀失效。
4.可焊接性：对需要焊接的零件，选择具有良好可焊接性的材料，以确保焊接接头的质量和可靠性。
5.成本与可靠性：在选材过程中需要权衡成本与可靠性之间的关系，选择既能满足要求又能控制成本的材料。
6.环保性：在今天的可持续发展背景下，选择符合环保要求的材料，如可回收利用的材料等。
常用机械零件材料1.金属材料：常见的金属材料有钢、铝、铜、镁等。
钢材具有高强度、高硬度和耐磨损性，适用于承受大载荷和高温的零件；铝材具有轻巧、良好的导热性能和电导性能，适用于需要减轻重量和散热的零件；铜材具有良好的导电性能和可加工性，适用于电气连接零件；镁材具有轻巧、高比强度和可耐高温的特点，适用于需要减轻重量的零件。
零部件的失效及选材
11.2 零部件的选材
研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一 就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相应的 加工方法的最佳组合。
11.2.1 零部件选材的基本原则
➢ 使用性原则 ——
首要原则
➢ 工艺性原则 ➢ 经济性原则 ——
根本原则
11.2.1 零部件选材的基本原则
(1)使用性能原则 材料的使用性能是指机械零件在正常工作条件下应具
零部件常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面 损伤失效及材料老化失效等。 (1)变形失效 ① 弹性变形失效
零部件的刚度不足，应选用弹性模量大的材料。 ② 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。
11.1.1 失效的概念、形式和原因
(2)断裂失效 零件在工作过程中完全断裂而导致整个机械设备无法
11.1.1 失效的概念、形式和原因
③ 接触疲劳失效
相对运动的两零件为循环点或循环线接触时(如滚动轴 承)，在循环接触应力的长期作用下，使零件表面疲劳并 引起材料剥落的现象，称为接触疲劳失效(或点蚀)。
11.1.1 失效的概念、形式和原因
(4)材料老化失效 高分子材料在储存和使用过程中变脆、变硬或变软、
(3)表面损伤失效 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正
常工作所必需的形状、尺寸或表面粗糙度相互摩擦时表面 发生材料损耗的现象，称 为磨损。
11.1.1 失效的概念、形式和原因
② 腐蚀失效
零件在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的疲劳， 称为腐蚀疲劳。腐蚀能加速疲劳裂纹的形成和扩展，使 零件的疲劳寿命大大缩短。
在高温下长期工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时， 零件内部产生裂纹而很快断裂(有些材料在断裂前也会产生颈 缩现象)，称为蠕变断裂。 ⑥ 环境断裂失效
机械零件的失效分析与选材
蠕变断裂
机械零件的失效分析与选材
3、表面损失失效
由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所
必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失
效。常见的有三种形式：
⑴ 磨损失效
任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨
损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现
机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析与选材
力学性能指标的综合作用 一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下
降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易 产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选 材时一定要考虑力学性能指标的综合作用，充分考虑零件力学 性能的强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高 强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定， 其可靠性往往仍需按实际试验来验证。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈 服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金 属的疲劳断裂。
机械零件的失效分析与选材
（4）蠕变断裂
即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后 由于变形过大或断裂而导致的失效。 金属材料一般在高温下 才会产生明显的蠕变，而聚合物在常温下受载就会产生显著 的蠕变。如架空的聚录乙烯电线管在电线和自重的作用下发 生的缓慢的挠曲变形。
零件 螺栓
工作条件
应力 载荷 受载 种类 性质 状态
拉、剪 静载 --
传动轴
弯、扭
循环 冲击
轴颈 摩擦
传动齿轮 压、弯 弹簧 扭、弯
循环 冲击
交变 冲击
摩擦 振动
振动
常见失效形式
性能要求
机械零件的失效与选材
陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件 ；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。
废气排放少 材料回收及降解
重要金属的世界储量
可用年数 再生率(%)
Fe 128
31.7
Al
35
16.9
Cu 32
40.9
Байду номын сангаасZn 24
21.2
W
47
Ag 15
41.0
Mn 14
Ni
49
第二 节 典型零部件选材及工艺分析
一、工程材料的应用概况 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要
的四大类工程材料。 高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在
金属材料,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学 性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具 有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。 从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器 时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20 ％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿 车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。
2、断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。
（1）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞
的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2）脆性断裂失效
断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断 裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
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断裂的方式有：过量塑性变形后的韧性断裂、低应力作用下的 脆性断裂和交变应力作用下的疲劳断裂等。
断裂是最危险的一种失效形式，应认真考虑如何防止断裂事故 的发生。
提高构件疲劳寿命的措施:（见下页）
§11.1.3 失效原因
④ 相变强化
④ 相变强化 通过热处理使材料产生贝氏体相变、马氏体相变来强化。
2．提高材料韧化的途径
① 细化晶粒 细化晶粒，不仅提高强度，而且也能提高材料的韧性。
② 形变热处理 方法是将形变强化（锻、轧等）与热处理强化结合起来，提
高材料的综合力学性能。 ③ 低碳马氏体强韧化
§11.1.4 失效分析
1．提高材料强度的几个途径
① 固溶强化 当二种或二种以上元素形成合金时，溶质原子溶入溶剂的晶格
中，使晶格产生很大畸变，从而产生强度升高的现象。大多数材料 都不同程度地利用了固溶强化。
② 加工硬化 实质是金属塑性变形时的位错强化。典型的例子如弹簧钢丝的
冷拔、零件表面的喷丸处理等。
③ 细化组织强化
也称为晶界强化或细晶强化。金属晶粒越小，其强度越大， 韧性和塑性越好。是提高材料性能的最好手段之一。
选材的首要任务是准确判断零件所要求的使用性能，然后再确 定所选材料应具备的主要性能指标及具体数值并进行选材。
一）使用性能原则
1．分析零件的工作条件，确定使用性能
工作条件是指： ① 零件的受力情况，如载荷形式、载荷性质、摩擦状况等； ② 环境状况，如工作温度、介质等； ③ 特殊要求，如导热性、导电性、导磁性等。
相对价格
1
1.25 1.3～1.5
1.7 1.7～2.5
1.6 3～4 ～1.4 ～1.8 2～2.2 2.5～3 8～10
2．材料的加工费用
一般占零件成本的30%左右。各种热处理方法的相对加工费用 如下表所示。
常用热处理方法的相对加工费
热处理方法
相对加工费用
退火（电炉）
1
球化退火
1.8
正火（电炉）
如重要齿轮，应把疲劳强度、抗弯强度、接触疲劳抗力、硬度 作为主要性能指标。
2．进行失效分析，确定使用性能
即要找出产生失效的主导因素，为较准确地确定零件主要性能 提供实践的可靠依据。（失效分析过程图）
3．从零件使用性能要求提出对材料性能的要求
① 通过分析、计算，按数值从手册的材料性能数据大致使用性 能中进行选材；
用设计计算方法评估预选择材料的能力
结构尺寸合理性 在应力状态下变形和抗断裂能力 材料耐用性
三）经济性原则
在满足使用性能和工艺性能的前提下，选材时要注意价格便宜、 成本低廉，还要注意加工费用。
1．材料的价格 约占零件成本的30%～70%。我国常用金属材料的相对价格如
下表所示。
我国常用金属材料的相对价格
材料 普通碳素结构钢 普通低合金结构钢 优质碳素结构钢 易切削钢 合金结构钢（Cr-Ni除外） 碳素工具钢 低合金工具钢 灰铸铁件 球墨铸铁件 可锻铸铁件 碳素铸钢件 铸铝合金、铜合金
服役条件 查阅相关原始资料
现场调查
失效特征
失效部位取样分析
原始资料的正确性 制造过程的执行情况
材料成分
综合分析
冷热加工质量
正在使用和库存件的解决方案
解决方案 台架试验 使用考验
新生产件的解决方案
§11.2 机械零件选材的一般原则
§11.2.1 选材的一般原则
一般原则是首先保证使用性能，同时兼顾工艺性和经济性。
在实际使用中主要和次要的失效抗力指标,以此作为选材的依据。 ③审核所选材料的生产经济性（包括热处理工艺成本等）。
④试验、投产。 （可用程序图表示如下）
选材的程序图
工作条件分析
载荷条件及 周围介质特性
几何形状及 结构要求
使用要求（可靠性 耐用性等）
材料工艺性
材料主要抗力指标 技术条件制定
材料经济性
材料的预选择
③蠕变 材料在恒力作用下，产生塑性变形。
2.磨损失效
为过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等零件的表面损伤。
零件在磨擦过程中其表面损坏造成机器无法工作或失去精度的现 象称为表面损伤失效。表面磨损为主要形式。
表面磨损可分为:咬合磨损（粘着磨损）、磨粒磨损、腐蚀磨损、 疲劳磨损等。
3.断裂失效 包括在静载荷、交变载荷、冲击载荷作用下引起零件断裂、疲劳
1
渗碳淬火—回火
6
渗氮
～38
液体氮碳共渗
10
调质
2.5
四）环保性、资源优化原则
零件的失效与选材
§11.2.2 选材的程序（一般步骤）：
零件材料的合理选择按照以下步骤进行： ①在分析零件的服役条件、形状尺寸与应力状态后, 根据力学
计算提出抗力指标并确定技术条件。 ②通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件
设计
加工
计算错误 结构外形不合理
冷加工缺陷
铸锻造缺陷
工作条件估计错误
焊接缺陷
热处理缺陷 零
件
失
选材不当
过载使用维护不良 腐蚀
效
材质低劣
安装不良 高温蠕变
操作失误 低温脆性
材料
安装使用维护环境
二）提高材料性能的途径
机械设计和机器制造者所遇到的大多数问题是材料的强化和选 用问题。为防止零件过早效，应通过各种途径来提高材料的性能。
§11.1.2 失效的形式
1.变形失效
表现为过度的弹性或塑性变形（整体或局部的）、蠕变等。
①零件过量的弹性变形 有些零件若发生过量的弹性变形也会造 成机器实效。如机床主轴、镗床的镗杆、机床的导轨等。
②零件过量的塑性变形 由于偶然的过载和材料抵抗塑性变形的 能力不够，零件 会产生塑性变形。过量的塑性变形也会导致机器实 效。如精密机床丝杠，产生塑性变形后而使机床精度下降。
② 对高温和腐蚀介质中工作的零件，应要求有良好的抗氧化性 和耐蚀性；
③ 对有特殊性能要求的零件，应依据材料的物理性能和化学性 能选材。
二）工艺性原则 工艺性主要指： ① 铸造性能 包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等； ② 压力加工性能 包括冷加工性能和热加工性能； ③ 焊接性能 ④ 切削加工性能 ⑤ 热处理工艺性能
零件的失效与选材
§11 机械零件的选材与工艺分析
§11.1 机械零件的失效分析
§11.1.1 概述
机械零件由于种种原因丧失其规定功能的现象，称为失效。 在以下情况下都认为零件已经失效：
①零件可工作但不能完成指定的功能； ②零件有损伤而不能继续完全使用； ③零件完全不能工作。
达到预定寿命的失效称为。远低于预定寿命的不正常失效称为 早期失效。