零件的失效与工程材料的选用
机械零件的选材
机械零件的选材在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。
机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，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。
1、工程材料的强化方式：固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。
2、工程材料的韧化途径：细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。
一、选材的基本原则＊满足机件的使用性能要求＊较好的加工工艺性＊较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。
（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。
②工作环境——温度、介质的性质等③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、外观等失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。
如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。
（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求→可测的实验室性能指标→初选一般根据设计手册的数据选材，应注意：﹡材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。
﹡材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。
﹡材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的手册一般给出：σs 、σb 、δ、ψ、ak目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。
2、材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。
习题十二典型零件的选材与加工
习题十一典型零件的选材料与加工1、什么是失效? 零件有哪几种不同程度的失效?2、零件的三种基本的失效方式是什么? 各表现出什么特点?3、什么是过量弹性变形失效? 什么是过量塑性变形失效? 怎么预防?4、零件在高温下的失效与疲劳载荷及室温静载作用下的失效有什么异同?5、选择下列具体的失效形式所属的失效类型：弹性失稳属于的失效，热疲劳属于的失效，接触疲劳属于的失效，应力腐蚀属于的失效，蠕变属于的失效。
(变形类型，断裂类型，表面损伤类型)6、简述引起零件失效的原因。
7、“某工厂某年发生一汽轮机叶片飞出的严重事故。
该汽轮机由多段转子组成。
检查发现，飞出叶片转子的槽发生了明显的变形，而未飞出叶片的转子的槽没有变形。
因此可以断定，失效转子的钢材用错了。
”，这一说法正确吗? 为什么?8、某化肥厂由国外进口30万t氨合成塔，在吊装时吊耳与塔体连接的12个螺栓全部突然断裂。
经化验，螺栓材料为与热轧20钢相近的碳钢，强度不高。
引起这一事故的原因可能是中的不当，失效形式属于。
(设汁，加工，选材，安装使用；塑性断裂，脆性断裂，疲劳断裂，蠕变断裂)9、下图为W18Cr4V钢制的螺母冲头，使用中从A处断裂。
经检查不存在材料和热处理方面的问题，请分析引起失效的原因，应作什么改进?10、一轴尺寸为30mm×200mm，要求摩擦部分表面硬度为50～55HRC。
现用30钢制作，采用高频感应加热表面淬火(水冷)和低温回火处理。
但在使用过程中发现摩擦部分严重磨损，试分析失效原因并提出解决问题的方法。
11、某工厂用T10钢制造钻头，给一批铸件打10mm的深孔，但打几个孔后钻头即很快磨损。
据检验，钻头的材质、热处理、金相组织和硬度都合格。
问失效原因和解决问题的方案。
12、进行失效分析时常用的试验方法有哪些? 其主要目的是什么?13、设计人员在选材时应考虑什么原则? 如何才能做到合理选材?14、写出下列符号所代表的力学性能指标的名称：σb σsδψαK HB KICσ1E 。
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。
中职工程材料与热加工基础(主编王会强郝建军 北理工版)课件：第8章 机械零件的失效选材及工程材料的应用(1)
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8.3典型零件的选材
• 另一种是由于外来硬质点进入相互啮合的齿面间，使 齿面产生机械 磨损，称为磨粒磨损。 • (3)对材料性能的要求。根据齿轮工作条件、失效形式，要求齿轮材 料必须具备以下主要性能：高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度， 特别是齿根处要有足够的强 度；有足够的塑韧性。 • 2.齿轮的选材 • (1)机床齿轮。机床齿轮的工作条件较好，载荷不大，转速中等，工 作平稳，稍 有强烈的冲击。除了要有高的接触疲劳强度、弯曲强度 、表面硬度与耐磨性等要求外，还应能保证高的传动精度和小的工作 噪声。一般情况下，可以选用45钢或40Cr、 40MnB中碳合金钢 制造，后者的淬透性更好。 • 机床齿轮的工艺路线一般为： • 下料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械精加工→高频淬火+
8.3典型零件的选材
• 8.3.1齿轮类零件的选材
• 1.齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求 • (1)齿轮的工作条件。机器中齿轮尽管很多，但其工作过程基本相同 ，只是受力 程度有所不同。齿轮工作时，通过齿面的接触传递动力 ，在啮合齿表面既有滚动又有 滑动，有高的接触载荷与强烈的摩擦 ；传递动力时，其轮齿似一受力的悬臂梁，接触 作用力在齿根处产 生很大的力矩，使齿根部承受较高的弯曲应力；换挡、启动和啮合 不均勻时，将承受较大冲击载荷。 • (2)齿轮的主要失效形式。在通常情况下齿轮的主要失效形式为断齿 、齿面损伤 (麻点剥落和磨损等)。 • ①断齿。除因超载而产生脆性折断外’大多数情况下，断齿是由弯曲 疲劳造成的。 当零件(或材料)所承受的重复应力较高(接近，甚至可 能超过材料的屈服强度)、 而频率较低(低于10/min次)时，其断 裂前
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机械工程材料的选用
机械工程材料的选用机械制造与自动化专业一班姓名边嘉琦学号33021701004摘要：机械行业的发展为社会经济起着保障性的作用。
机械工程中材料的合理选用有着相当重要的作用。
文章从选材的意义、原则、步骤、方法等方面，结合实际，步步深入地进行了探讨。
希望能够对相关工作起到一定的借鉴意义。
关键词：机械设计、材料、性能、选材1选材的意义现代化的工业进程对机械设计行业提出了新的要求。
机械设计中,材料的选择是非常重要的。
合理选用机械工程材料对充分发挥工程材料本身的性能潜力，保证材料具有良好的加工工艺性能，获得理想的使用性能，提高产品零件的质量，节省工程材料，降低生产成本等方面起着重大影响。
实际工作中，往往由于选材不当，使机械零件的使用性能达不到规定的技术要求．从而导致机械零件在使用过程中发生早期损坏如产生变形、断裂或磨损等等，给生产生活造成了损失。
可见材料的选择是机械设计中的重点问题，材料选择合理与否直接影响到机械设计的质量和功能。
因此，必须加强机械设计中材料选择的工作力度。
下面就如何合理选用机械工程材料的问题谈谈我个人的看法，提出来与各位同仁商讨。
2选材的原则我们知道，选材的一般原则是：由工作条件确定使用性能的要求，这是材料选用的基本出发点。
其次是要考虑材料的加工工艺性。
第三是要考虑材料的经济性。
力争使各项花费的总和达到最低值。
最终做到：“材料的使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性应合理”[1]。
2.1选材的一般使用原则材料的使用原则在于用所选材料制造出的机械零件能否保证其使用性能。
材料的使用性能是指机械零件在正常工作情况下材料应具备的性能。
包括力学性能和物理、化学性能等。
零件的使用性能是保证其工作安全可靠、经久耐用的必要条件。
是选材时考虑的最主要的依据。
不同零件所要求材料的使用性能是不一样的，有的要求强度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的无严格的性能要求，只需保证一定形式的外表即可。
在大多数情况下应首先考虑零件的使用性能，对一般机械零件来说，则要考虑其力学性能[2]。
机械零件的失效分析
u : 弹性能
u
1
2
e e
1
2 e
2E
4. 塑性 是指材料断裂前发生塑性变形的能力。常用
断后伸长率和断面收缩率来衡量材料的塑性。
断后伸长率 LL0 100%
L0
断面收缩率 A0 A100%
A0
显然，断后伸长率和断面收缩率越大，材料的 塑性越好。
5. 硬度 表征材料软硬程度的性能，具体来说是指材
其他材料的应力－应变曲线 1–纯金属, 2–脆性材料, 3–高弹性材料
二、静载性能指标
1. 刚度 —零（构）件受力时抵抗弹性变形的能力，它
等于材料弹性模量与零（构）件横截面积的乘积。
单向拉伸(或压缩):
E F A EA F
纯剪切:
G F A G A F
第一章机械零件的失效分析
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
2. 零件失效的原因：为了预防零件失效，必须做到设 计正确，选材恰当和工艺合理。为此，我们不仅要 熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力和运动规律， 还要把它们和材料的性能结合起来，即从零件的工 作条件中找出其对材料的性能要求，然后才能做到 正确选择材料和合理制定冷、热加工的技术条件及 工艺路线。 而研究零件各种形式的失效是深刻了解零件工作 条件的基础。
FAILURE ANALYSIS OF MACHINE ELEMENTS
3. 常见的失效方式
过量变形 Excessive deformation 断裂 Fracture 疲劳 Fatigue 磨损 Wear 高温蠕变 High temperature creep 腐蚀 Corr形
螺母凸焊失效分析报告
螺母凸焊失效分析报告开始写内容：本次螺母凸焊失效分析报告旨在分析螺母凸焊失效的原因，以及提出相应的解决方案。
以下将对失效案例进行详细描述，并进行分析。
失效案例描述：在某工程项目的装配过程中，发现一批已焊接螺母的零件出现了失效现象。
具体表现为，螺母与基板的凸焊处出现脱落和松动，导致装配中的结构不稳定。
这一失效现象严重影响了产品的使用寿命和性能。
失效分析：经过对失效零件的分析和试验，发现失效的主要原因是焊接工艺不当导致的焊点强度不足。
具体分析如下：1. 材料选择问题：初步分析表明，焊接螺母和基板所选用的材料并不匹配。
材料强度差异较大，导致焊点处的应力不均匀分布，易导致焊点脱落。
2. 焊接参数不合理：焊接过程中，焊接参数设置不合理，导致焊接温度过高或过低，影响焊点的强度和密封性。
此外，焊接时间过短也会导致焊点质量下降。
3. 焊接工艺不规范：焊接工艺操作不规范，如焊接机器的摆放不正确、焊接过程中的振动或冲击等，都可能导致焊点结构松动。
解决方案：为解决螺母凸焊失效问题，我们提出以下解决方案：1. 材料选择优化：重新评估螺母和基板的材料匹配性，选择相匹配的材料，以提高焊点的强度和耐久性。
2. 焊接参数优化：根据材料特性和焊接要求，调整焊接参数，确保适当的焊接温度、时间和压力，提高焊接质量。
3. 焊接工艺规范化：制定严格的焊接工艺规范，明确操作要求和流程。
同时，加强对焊接工艺的培训和监控，确保操作人员掌握正确的焊接技术。
结论：通过对螺母凸焊失效案例的分析，我们发现焊接工艺不当是导致螺母凸焊失效的主要原因。
为了提高产品的质量和性能，我们将采取上述解决方案，优化材料选择、焊接参数和焊接工艺，以确保焊点的强度和稳定性。
这将有助于预防类似失效事件的再次发生，提高产品的可靠性和安全性。
《机械工程材料》教学大纲
《机械工程材料》教学大纲课程名称：机械工程材料适用班级：2018级机械设计制造及其自动化、2018级车辆工程教材：于永泗，齐民. 机械工程材料(第十版) [M]. 大连：大连理工大学出版社.二、课程目标《机械工程材料》是机械设计制造及其自动化专业的一门学科基础课，在培养学生合理运用机械工程材料基本知识及原理的能力方面占有重要地位。
本课程的任务是通过课堂教学，使学生能获得机械工程材料有关的基本知识和原理，培养学生初步具有能合理选用机械工程材料、制定热处理工艺路线的能力，支撑专业学习成果中相应指标点的达成。
课程目标对学生能力要求如下：课程目标1. 深刻理解金属和合金组织结构、结晶过程以及二元合金相图，掌握铁碳合金相图的基本理论，掌握常用钢铁材料的成分、组织、性能和用途基本知识，培养学生产品制造时应用工程材料基本知识和原理的能力。
课程目标2. 掌握钢铁材料热处理的基本原理、工艺方法和应用范围，初步具有合理选用材料和热处理方法，确定零件热处理工序位置的能力。
三、教学内容与课程目标的关系课程教学内容与课程目标的关系以分析题与计算题为主，针对课程内容适时进行讨论。
五、教学方式与考核方式教学方式：面授辅导、平时作业考核方式：考勤、作业和考试主要参考书：1. 鞠鲁粤. 工程材料与成形技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2010.2. 周凤云. 工程材料及应用[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2014.3. 陈积伟. 工程材料[M]. 北京：机械工业出版社，2006.4. 丁仁亮. 工程材料[M]. 北京：机械工业出版社，2006.练习题1. 灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁在组织上的根本区别2. T10钢和10钢的含碳量区别3. 晶粒大小对金属的性能有什么影响？细化晶粒的方法有哪几种？4. 按回火温度高低，回火可分为哪几类？主要的温度区间、回火后的得到的组织、性能和用途是什么？5. 再结晶的含义6. 实际晶体中的点缺陷，线缺陷和面缺陷对金属性能有何影响？7. 固溶体和金属间化合物在结构和性能上有什么主要差别？8. 普通灰口铸铁与球墨铸铁在石墨形态、机械性能和应用方面的主要区别。
机械制造基础第十四章机械零件材料的选用与加工工艺分析习题解答
第十四章零件选材与加工工艺分析习题解答14-1 选择材料的一般原则有哪些? 简述它们之间联系。
答：选择材料的一般原则有①材料的使用性能应满足零件的使用要求；②) 材料的工艺性应满足加工要求；③选材时，还应充分考虑经济性。
在选用材料时，必须了解我国的资源和生产情况，从实际情况出发，全面考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性等方面的因素，以保证产品性能优良、成本低廉、经济效益最佳。
14-2 什么是零件的失效? 一般机械零件的失效方式有哪几种?答：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。
一般零件的失效方式有：断裂、表面损伤、磨损、疲劳破坏、过量变形等。
14-3 生产批量对毛坯加工方法的选择有何影响?答：毛坯选择要考虑加工成本，成本与生产批量有关系：①在单件小批量生产的条件下，应选用常用材料、通用设备和工具、低精度、低生产率的毛坯生产方法。
②在大批量生产的条件下，应选用专用材料、专用设备和工具以及高精度高生产率的毛坯生产方法。
这样，毛坯的生产率高、精度高。
虽然专用材料、专用工艺装备增加了费用，但材料的总消耗量和切削加工工时会大幅度降低，总的成本也较低。
③单件、小批生产时，对于铸件应优先选用灰铸铁和手工砂型铸造方法；对于锻件应优先选用碳素结构钢和自由锻方法；在生产急需时，应优先选用低碳钢和手工电弧焊方法制造焊接结构毛坯。
④在大批量生产中，对于铸件应采用机器造型的铸造方法，锻件应优先选用模型锻造方法，焊接件应优先选用低合金高强度结构钢材料和自动、半自动的埋弧焊、气体保护焊等方法制造毛坯。
14-4 毛坯的选择原则是什么? 它们之间的相互关系如何?答：毛坯的选择原则是：保证零件的使用要求；降低制造成本，满足经济性；考虑实际生产条件。
三条原则是相互联系的，考虑时应在保证使用要求的前提下，力求做到质量好、成本低和制造周期短。
14-5 热处理的技术条件包括哪些内容? 如何在零件图上标注?答：热处理技术条件的内容包括：零件最终的热处理方法、热处理后应达到的力学性能指标等。
机械工程材料的选用原则
机械工程材料的选用原则材料的选用教学目的及要求通过本章学习，使学生了解零件的失效形式与提高材料性能的途径，掌握零件选材的一般原则和方法。
主要内容1．零件的失效形式与提高材料性能的途径2．零件选材的一般原则和方法3．典型零件的选材及应用实例学时安排2学时教学重点1．零件的失效形式与提高材料性能的途径2．零件选材的一般原则和方法教学难点零件的失效形式与提高材料性能的途径教学过程第一节选材的一般原则一.材料的使用性能――选材的最主要依据指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。
对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表征机械性能的参数主要有强度极限σb、弹性极限σe、屈服强度σs 或σ0.2、伸长率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。
这些参数中强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。
在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。
附表：几类典型零件的工作条件失效形式及主要机械性能指标可以看出，在设计机械零件和选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式，找出对材料机械性能的要求，这是材料选择的基本出发点。
二.材料的工艺性能材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。
其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。
所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。
1典型零件工作条件失效形式过量塑性变形或由疲劳而造成破断齿面过度磨损、疲劳麻点、齿的折断颈部摩擦、过度磨损、疲劳破断而失效弹性丧失或疲劳破断重要螺栓承受交变拉应力重要传动齿轮承受交变弯曲应力、交变接触压应力、齿面受滚动摩擦冲击载荷曲轴轴类承受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷弹簧交变应力、振动滚动轴承点线接触下的交变压应力、滚动摩擦过度磨损、疲劳破断而失效主要力学性能指标σ0.2、HBSσ-1p σ-1、σbb、HRC、接触疲劳强度σ0.2、σ-1、HRC σs／σb、σe、σ-1p σbc、σ-1、HRC 注：σσ-1p为抗压或对称拉伸时的疲劳强度；σ-1光滑试样对称弯曲应力时的疲劳强度；σbb抗弯强度；bc抗压强度。
210978621_机械设计过程中机械材料的选择和应用探析
M achining and Application机械加工与应用机械设计过程中机械材料的选择和应用探析侍学婷，任 鹏摘要：随着社会经济的发展，包括重工业和轻工业在内的各个行业，得到快速发展。
随着工业的发展，人们对机械的需求量也在不断增加，这也促进了整个机械制造业的发展。
在机械设备的设计中，选用合适的材料是机械设备的重要环节。
文章首先对机械设计中的选材和使用进行分析，然后对机械设计中所使用的主要材料进行探讨，并对其在机械设计中的选用和使用策略进行界定，旨在为今后的机械设计提供依据。
关键词：机械设计；机械材料；选择；应用二十一世纪，随着工业化的加速，我国的机械制造业也随之蓬勃发展。
机械的生产工艺涉及到许多方面，机械设计的重要性不言而喻，机械的外观、结构、应用范围包括机械选用和应用。
所以，在进行机械结构设计时，首先要注意选择合适的材料，以保证机械的使用寿命。
本文主要分析机械设计过程中机械材料的选择与应用。
1 机械设计中，机械材料选择和应用的意义机械工业是国家经济发展的重要支柱产业。
在机械设计领域，机械材料的选用和使用是非常重要的，特别是在科学的发展趋势下，机械设计的选用和使用越来越多。
工业化是一个不断发展的过程，不能一味地强调机械设计的发展，更要重视经济和环保的可持续发展。
随着我国的工业化进程的加快，对机械设计的材料的需求越来越大，而在机械设计中，能用到的原料还很少。
从全球视角来看，社会发展和资源短缺之间存在着矛盾，为适应消费者的物质和文化需要，提高消费者的消费能力，机械设计企业正在寻求一种新的材料选材方法，它既可以有效地兼顾经济和应用，同时也可以实现可持续发展的机械设计。
通过对新方法的改造，可以使有限的资源得到充分利用，要使机械设计得到进一步发展，就需要合理地选用和使用机械设计的材料，才能为机械工业的发展作出更大的贡献。
2 常见机械工程材料的分类及特性机械设计中应用最广泛的材料有：金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。
机械工程材料合理选用的基本原则
3. 将零件使用性能转化为材料的使用性能指标
（1）根据力学性能选材应充分考虑的几点
•④硬度值在设计中的作用 由于硬度值的测定方法既简便又不破坏零件，并且在 确定条件下与某些力学性能有大致的固定关系，所以在设计和实际生产过程中，往 往用硬度值作为控制材料性能和质量检验标准。但应明确，它也有很大的局限性。 例如，硬度对材料的组织不够敏感，经不同处理的材料可获得相同的硬度值，而其 它力学性能却相差很大，因而不能确保零件的使用安全。所以，设计中在给出硬度 值的同时，还必须对处理工艺(主要是热处理工艺)作出明确的规定。
7.1.2 必须兼顾材料的工艺性能原则
( Technological properties fundamentals must be taken care of the needs )
•所谓材料的工艺性能，即指材料加工成零件的难易程度，它也应是选材时 必须考虑的重要问题。选用工艺性能良好的材料，是确保产品质量、提高 加工效率、降低工艺成本的重要条件之一。它包括材料(零件)的加工工艺 路线和材料的工艺性能两个方面。
• 7Байду номын сангаас1.2 必须兼顾材料的工艺性能原则 ( Technological
properties fundamentals must be taken care of the needs )
• 7.1.3 注重选材的经济性原则 ( Considering economic
fundamentals of materials selection to be important )
第7章 机械工程材料的合 • 单击此处编辑母版文本样式 理选用 • 第二级
Rational Selection and Application of • 第三级 Mechanical Engineering Materials • 第四级 • 第五级
机械零件材料及毛坯的选择
〖任务描述〗机械零件材料及毛坯的选择车床主轴是指机床上带开工件或刀具旋转的轴，它是打算机床的加工质量和切削效率的重要部件。
下面以图 6-1 所示的C616 型车床主轴为例来分析其选材及热处理方法。
明确任务，在任务的驱动下学习。
图 6-1 C616 型车床主轴〖任务分析〗该车床主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷不大，转速中等，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。
但大的内锥孔、外锥体与卡盘、顶尖之间有摩擦，花键处与齿轮有相对滑动。
为防止划伤和磨损，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。
轴颈与滚动轴承协作硬度要求不高。
C616 型车床主轴选用 45 钢。
热处理技术条件为整体硬度 220～250 HBW；内锥孔和外锥体 45～50 HRC；花键局部 48～53 HRC。
其加工工艺路线为锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—淬火、低温回火—粗磨(外圆、锥孔、外锥体)—铣花键—花键淬火、回火—精磨。
〖相关学问〗学习情境一零部件的失效一、零部件失效的概念及形式一般机器零件常见的失效形式有过量变形、断裂和外表损伤三种。
1.过量变形把握零部件失效（1）过量弹性变形。
机械零件在使用过程中只要受力必定会发生弹性变形，但是弹性变的概念。
形量过大会使零件失效。
引起弹性变形失效的缘由主要是零部件的刚度缺乏。
要预防过量弹性变形，则应选用弹性模量大的材料。
（2）过量塑性变形。
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。
过量塑性变形是机械零件失效的重要形式，轻则使机器工作状况变坏，重则使机器无法连续运行，甚至破坏。
（3）蠕变。
在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不行避开的，通常是以金属在肯定温度和应力下经过肯定时间所引起的变形量来衡量。
2.断裂1）韧性断裂韧性断裂时，零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸发生明显的变化。
一般断面缩小，且断口呈纤维状。
零件的韧性断裂往往是由于受到很大的载荷或过载引起的。
选用工程材料的一般原则
机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（高分子材料 ）
高分子材料的加工工艺主要为成型加工，且工艺 性能良好，所用工具为成型模（其中主要为塑料 模），具体的成型方法很多，如注射成型、吹塑成 型、挤压成型等；也易于进行切削加工，但因其导 热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升 高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑 料）现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接 与热处理，其工艺简单易行。
2020/10/27
机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
2.压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，
产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说， 铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能 有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高， 其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一 般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高 铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热 压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金， 像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。
2020/10/27
机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§3 典型零件选材与工艺分析
二、齿轮类零件选材（性能要求）
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；
2020/10/27
机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§3 典型零件选材与工艺分析
8章机械系工程材料教学课件
结论：主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱 碳层，在高的扭转疲劳剪应力作用于形成裂纹源；40Cr钢 中含有较多的大尺寸非金属夹杂物；此外，热处理工艺不当， 中频感应淬火温度偏高且回火不足，使材料的综合力学性能 变差，使表面萌生的裂纹在应力作用下迅速扩展，导致半轴 发生早期疲劳断裂。
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能谱分析：因夹杂物数量多、尺寸大，用能谱仪对夹杂物成 分进行分析后发现球形夹杂物为复合氧化物，其成分与冶炼 炉渣相近。 原因：由于采用上铸法浇注时炉渣容易混于钢液中而条 状硫化物夹杂主要为硫化铁和硫化锰，是由于钢材在轧制时 发生变形所致。
力回火→粗磨→氮化→精加工→检验
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6.典型轴类零件的选材示例 例1：机床主轴的选材与工艺路线
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➢ 车床主轴，工作时承受应力不大。主轴大端内锥孔和锥度外 圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；花键部分与齿轮有相对 滑动，轴颈处易磨损；锥孔与外圆锥面，易拉毛，故这些部 位要求有较高的硬度和耐磨性。
➢ 选用45钢制作。
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4.齿轮类零件的常用材料 一般选用45、40Cr、40 CrNi、40MnB、35CrMo等中 碳钢或中碳合金钢锻件为毛坯。 单件或小批量生产，直径100mm以下的小齿轮可用圆钢下 料毛坯。 直径500mm以上的大型齿轮锻造比较困难，常采用铸钢件 或球墨铸铁。
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铸造齿轮一般以辐条结构代 替锻造齿轮的辐板结构，有 时也以焊接方式生产大型齿 轮毛坯，特殊情况下选用工 程塑料，如受力不大或在无 润滑条件下工作的齿轮，可 选用尼龙、聚碳酸脂等高分 子材料来制造
8.2 零件设计中的材料选择
选材的基本原则
选材的一般步骤及注意事项
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。
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滚珠轴承钢
3
球墨铸铁 可锻铸铁 铸造铝合金、铜合金
碳素工具钢
1.6 普通黄铜
低合金工具钢
3~4 锡青铜、铝青铜
高速钢
16~20 钛合金
硬质合金
150~200 （工程塑料）
相对价格 5 15
~1.4 ~1.8
2~2.2
8~10 13~17
19 50~80 5~15
第37讲 零件的失效与工程材料的选用 1、工程材料的选用原 则
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
小结
-一、零件的失效 - 二、工程材料的选用
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
思考题
1、 零件失效的形式由哪些？ 2、 选材的一般原则有哪些？
谢谢大家!
• (1)、满足使用性能……首要原则
•是选材时考虑的最主要根据。
•对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基 础上
提出的。
零件名祢 重要螺柱
重要传动齿轮 曲轴、轴类 弾簧 滚动轴承
工作条件 変变拉应力
主要失效方式
主要机械性能指标
过量塑性变形或由疲劳 而 屈服强度，疲劳强度， HB
造成破断
変变弯曲应力'愛变接触 压
应方，齿表面受带滑动 滚动摩擦和冲击载荷
的
齿的折断,过度磨损或出 疲劳麻点
现 抗弯强度，疲劳强度，接
触疲劳强度，HRC
変变弯曲应方J扭转应 力’
冲击魚荷’磨损
疲劳破断，过度磨损
屈服强度，疲劳强度，
HRC
变变应力J振动
弾力丧失或疲劳破断
弹性极限，屈强比，疲劳 强度
点或统接触下的更变压 应 过度磨损破坏，疲劳破断 抗压强度’疲劳强度，
（4）、环境与资源原则
1）能源和资源要消耗少。 2）环境污染要小。
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第37讲 零件的失效与工程材料的选用 2、选材的基I三I本步骤:
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第37讲 零件的失效与工程材料的选用
3、轴类零件的选材
轴类零件是机械设备中最主要零件之一，其作用是支承 回 转零件，并传递运动和转矩。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
1、工程材料的选用原则
（3）、充分考虑经济性一一根本原则
使零件生产的总成本最低。
我国常用金属材料的相对价格表
材料 普通碳素结构钢
相对价格
材料
1
铬不锈钢
普通低合金结构钢
1.25 铬镍不锈钢
优质碳素结构钢
1.3~1.5 灰口铸铁
合金结构钢（Cr-Ni钢除外） 1.7~2.5
铬镍合金结构钢（中合金 钢）
5
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
4)承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴 如：汽车、拖拉机的变速箱轴、磨床主轴等可选用合金渗碳钢(20CrMnTi 、 18Cr2Ni4W等)，先经渗碳，再进行淬火和低温回火。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
5）其它材料的轴
如：高强度铸铁或球墨铸铁曲轴，等具有价廉，对于应力集中敏感性 较 低的特点，还具有良好的吸震性和耐磨性，可以用来制造复杂形状 的轴 类零件。
力 > 滾动摩擦
HRC
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
1、工程材料的选用原则
•（2）、兼顾材料的工艺性能
零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求。
与使用性能的要求相比，工艺 性能处于次要地位。但在大批 量生产时，工艺周期的长短和 加工费用的高低，常常是生产 的关键。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
（4）、轴类零件选材
对轴进行选材时，必须将轴的受力情况作进一步分析：
1）承受载荷不大、转速不高的轴。
如要求不高的泥浆搅拌器搅拌轴等，可采用碳素结构钢如低碳的
Q235A,Q275或中碳35、45钢，经正火后使用。
Q235A 钢
低速泥浆搅拌器示意图
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
3、轴类零件的选材
轴是影响设备运行精度和寿命的关键件。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
⑴轴类零件的工作条件
① 传递一定的扭矩，承受一定的交变应力和弯曲应力; ② 轴颈承受较大的摩擦，尤其是与滑动轴承配合时。 ③ 承受一定的冲击载荷。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
⑵主要失效形式
① 疲劳断裂。交变载荷长期作用下造成的。它是最主要的失效形式 ② 断裂失效由于大载荷或冲击载荷的作用，轴发生折断或扭断。 ③ 磨损失效。在轴颈处受强烈磨损所致。 ④ 过量变形失效 ⑤ 腐蚀等
如锻锤锤杆、船舶推进器曲轴、精密磨床主轴等。
可选38CrMoAIA、40MnVB、40CrNiMo等。
一般先经调质，然后在轴颈处进行表面淬火加低温回火或者氮化处理。 工
艺路线为：合金结构钢下料3锻造3退火（或正火）3粗加工3调质3精 车3表 面淬火+低温回火3精磨3检验
锻锤锤杆
船舶推进器曲轴
精密磨床主轴
转轴弯曲疲劳断口形貌示意图
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
(3)性能要求
① 具有良好的综合力学性能，即要求有高的强度和韧性，以防变形和断裂 ② 具有高的疲劳强度，以防疲劳断裂。 ③ 具有良好的耐磨性。特别是轴颈部分，应具有较高的硬度、耐磨性。 ④ 特殊性能，如：耐腐蚀，抗蠕变等
强度
刚度
耐磨性
耐腐蚀
高温下的塑性变形
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
（3）断裂失效 零件因断裂而无法正常工作的失效
塑性断裂，脆性断裂，蠕变断裂，疲劳断裂
①钢的塑性断裂断口
②陶瓷脆性断裂断口
③低应力脆性断裂
④蠕变形成的晶界空洞
⑤钢的疲劳断口
第37讲 零件的失效与工程材料的选用 -3、零件失效的原因
工
结
况
构
计
估
外
算
计
形
错
错
不
Hale Waihona Puke 误误合选 材 不 当
材 质 低 劣
毛
冷
热
坯
加
加
缺
工
工
陷
缺
缺
陷
陷
安
维
过
操
装
护
载
作
不
不
使
不
良
善
用
当
理
》找出失效原因，提出防止或推迟失效的措施，防止类似事件
再次发生，提咼产品质量。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
二、工程材料的选用
• 1、工程材料的选用原则
-选材时一般应遵循使用性、工艺性、经济性、环境保护等原则。
《第12章工程材料的选用及机械零件毛坯的选择》
第37讲 零件的失效与工程材料的选
用
注：本讲部分图片来自网络
《第37讲 零件的失效与工程材料的选用》
-一、零件的失效 - 二、工程材料的选用
内容导入
__ 思考:
失效的形式? 如何预防？
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
一、零件的失效
• 1、失效的概念：
2）承受中等载荷，中等转速，一般精度的轴 如：C620等车床主轴。
承受一定的冲击载荷作用，精度要求不高。
常选用45、40Cr等，先经调质处理，后在轴颈处进行高、中频感应加热 表
面淬火及低温回火。
C620等车床主轴
45钢
45钢轴热处理示意图
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
3）对于重载、高精度、高速的轴
•零件在使用过程中丧失规定功能的现象。
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
• 2、零件的主要失效形式
•零件的失效形式有三大类型:
• (1)表面损伤
•①磨损失效
②接触疲劳失效
③腐蚀失效
第37讲 零件的失效与工程材料的选用
-（2）过量变形
-①过量弹性变形。②过量塑性变形③过量蠕变变形
梯子弹性失稳
轮子塑性变形