第十一章 机械工程材料的选择及应用

第十一章机械工程材料的选择及应用掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。

许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。

当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。

这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。

所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。

掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。

在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。

一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。

而对机械零件起主导作用的机械性能指标，则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。

§11.1 零件的失效形式与提高材料性能的途径一、零件的失效与失效分析零件在工作过程中最终都要发生失效。

所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。

只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。

失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。

现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。

另外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。

这些都使得失效分析变得越来越重要。

失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以至使用，都有很大的指导意义。

1、零件失效的原因零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面，图11-1是导致零件失效的主要原因的示意图。

⑴设计与失效设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆角，等等。

另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件的承载能力不够。

发生这类失效的原因在于设计，但可通过选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时，就是如此来处理问题的。

现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。

⑵材料与失效选材不当是材料方面导致失效的主要原因。

问题出在材料上，但责任在设计者身上。

最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。

另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其它因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。

材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。

因此，对原材料加强检验是非常重要的步骤。

⑶加工与失效零件加工成型过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。

例如锻造不良可造成带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等；这些都可导致零件的失效。

加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。

零件的外形和结构设计不合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。

若零件热处理后残留有较大的内应力，甚至有难以检查出来的裂纹时，使用中必定会造成严重的损坏。

⑷安装使用与失效零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。

在制造厂里管理比较严格的情况下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。

对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。

2、零件失效的形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件的不同失效形式。

零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型。

如图11-2所示。

必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。

例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。

但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。

失效分析的目的实际上就是要找出主要的失效形式。

另外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳，蠕变疲劳，腐蚀磨损等等。

但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种方式是辅助的，因此在分析时往往被归入主导方式一类中，例如腐蚀疲劳，疲劳特征是主导因素，腐蚀是起辅助作用的，因此被归入疲劳一类进行分析。

3、失效分析的一般方法正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。

机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。

⑴尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。

⑵详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。

根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。

⑶对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。

⑷对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。

⑸断裂力学分析。

在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。

⑹综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。

失效分析中，有两项最重要的工作。

一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力学分析。

二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地的性质及失效方式。

这项工作最重要，因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示。

例如，沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。

4、失效分析与选材通过失效分析，可以了解材料的破坏方式，这就可以作为选材的重要依据。

从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。

⑴弹性变形失效与选材从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。

在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。

而各类材料的弹性模量差别相当大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些；高分子材料的弹性模量最低。

因此在要求零件有较高刚度，而不能发生过大弹性变形时，不能用高分子材料。

但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值，由于起比重低，在许多特殊的场合（如飞行器结构）有很大用途。

⑵塑性变形失效与选材决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度。

在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力的最重要指标，在很长一段时间内，获得高强度材料是材料学家和工程师的主要努力目标。

从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但因为它们极脆，做拉伸试验时，在远未达到屈服应力下即已脆断，因此根本不能通过拉伸试验来测定其屈服强度。

由于这种材料太脆，强度高的特点发挥不出来，因此不能作为高强结构材料。

高强合金钢的强度仅次于陶瓷，最广泛地用于各种高强结构之中。

一般来讲，塑料的强度很低，目前最高强度的塑料也超不过铝合金，因此在要求零件有高强度时，不能用塑料。

⑶脆性断裂失效与选材描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性、韧脆转变温度和断裂韧性。

从韧性的角度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次是合金低碳钢，铝合金韧性通常并不好，而铸铁的韧性通常很低，高碳工具钢和轴承钢韧性也不好，不能用来制造要求韧性较高的结构零件。

⑷疲劳断裂失效与选材疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿命两种。

一般对于具有高频率交变载荷的构件，应选用高周疲劳寿命比较高的材料，如弹簧等。

对于具有低频率交变载荷的构件，应选用低周疲劳寿命比较高的材料，如抗地震建筑材料。

⑸蠕变失效与选材蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料。

选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力，在较高应力和较低温度下，可选用各种耐热钢及高温合金。

在较低应力和较高温度下，应选用高熔点材料，如难熔金属和陶瓷材料；对金属材料还应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料，晶界也应平行于受力方向排列。

⑹表面损伤失效与选材对于在有摩擦应力存在的场合，应考虑表面损伤的影响。

对于粘着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不属同类，而且摩擦系数尽可能小，同时，材料的硬度要高，材料最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂（如有孔隙等）。

对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁耐磨粒磨损性能就较好。

二、工程材料的强度与强韧化1、工程材料的强度一般来说，工程材料的强度是材料失效抗力的综合表征，它与所有的机械性能指标，包括弹性、延伸率、硬度、冲击韧性等有关，也与材料在静、动载荷下对应力集中、尺寸效应、表面状态、温度、接触介质的敏感性有关。

在进行机械产品设计，选取工程材料强度指标时，应注意以下几个方面的问题：⑴材料强度与零件强度的关系机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素确定的，其中结构因素、加工工艺因素和材料因素三方面起主要作用。

使用因素对寿命也往往起很大作用。

结构因素是指零件在整机中的作用，零件的形状和尺寸，以及与其它连接件的配合关系等。

加工工艺因素是指全部加工工艺过程中对零件强度所产生的影响。

材料因素是指材料的成分、组织与性能。

这三个因素各自有独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面因素。

⑵材料强度指标数据的条件性在手册中给出的材料强度指标都是在一定的条件下所测得的数据。

在实际选用时，应注意其尺寸效应和条件性。

例如，对于45钢调质状态标准拉伸试样，所测得的屈服强度为450MPa，但对于同一材料，尺寸为φ80mm的试件来说，其调质状态下的屈服强度远远低于450MPa。