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13
33,000
Kg/t 30~56
50 700 8700
排碳量
Kg/m3 15~28
120 5320 22,000
一定性能水平下的材料能耗
木材
混凝土
Eρ/b
24
145
E──生产每公斤材料的能耗
2020/11/18
钢 100~500
塑料 475-1002
铝、镁及钛合金 710-1029
ρ──材料密度 b──抗拉强度
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3.焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合 金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁 易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳 钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的 焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊 接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。
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4、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。
5、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。
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三、失效原因 四个主要方面：设计、材料、加工与使用
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§2 选材的一般原则
材料选用原则
(一) 使用性能原则—— 首要原则
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。
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–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则要求耐蚀性等。
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二、工艺性能选材原则
• 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种 加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力， 因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质 量以及生产成本和生产效率等。
36
Ag
0.2
14
41.0
Cr
775
112
Ti
147
51
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2. 环境污染小
生产各种材料消耗的能量及碳的排放量
材料
木材 混凝土 钢材 一次铝 再生铝
矿物燃料能耗
MJ/Kg
MJ/m3
1.5~2.8
750~1390
2.0
4800
35
266,000
435
1,100,000
• 选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证 材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。
• 掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加 工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员（广义 地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的 基本要求。
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§1 机械零件的失效分析
二、失效形式
四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级。 对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其 中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易 受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂 失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级 是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损 等问题。
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概
述
• 材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基
础环节，自始至终地影响整个设计过程。
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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。
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二、齿轮类零件选材
应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递 扭矩（力或能），改变运动速度或方向。
不同的齿轮， 其工作条件、失 效形式和性能要 求各有不同。
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齿轮类零件的性能要求
1．工作条件 ① 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应
天然气 138万亿m3
64年 独联体、中东70%
世界能源储藏量
煤
铀
1，039，272吨
200万吨
219年
74年
美、苏、中、澳 > 70%
储量（106t） 可用年数 再生率(%)
Fe
1×106
109
31.7 重要金属的世界储量
Al
1170
35
16.9
Cu
308
24
40.9
Zn
123
18
21.2
Mo
5.4
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复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足， 综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强 度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特 点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看， 可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格 昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工 业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业 上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生 产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。
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5.热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强
化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单 相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化； 对可热处理强化的材料而言，热处理 工艺性能相当的重要。
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三、经济性能选材原则
质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞 争力的重要条件；在选择材料和制定相应的 加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。
4.机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工 性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的 硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、 刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢 铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于 180～230HBS范围的钢具有较好的切削加工性 能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、 高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、 镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。
所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格 最便宜的材料、或是生产成本最低的产品， 而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料 对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的 技术经济效益。
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经济性能选材原则举例
价值工程原理：价值=功能/成本
Q235
A-不锈钢
F-不锈钢
价格/使用年限 5000元/年 40000元/10年 15000元/6年
（二）工艺性能原则
（三）经济性原则—— （四）环境与资源原则
根本原则
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、使用性能选材原则
• 分析零件的工作条件，确定其使用性能：
–①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载 荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布 （均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；
–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）；
年成本/材料损耗 5000
4000
2500
3000元/停产损失 8000
4300
3000
30000元/停产损失 35000
7000
7500
？？？
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四环境与资源原则
1. 能源和资源消耗少
可开采储量 可开采年限 主要产地及储量比例
石油 9970亿桶
45.5年 中东66.4%
一、基本概念 在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和
内部组织结构发生变化而失去原有的设计
功能，使其低效工作或无法工作或提前退
役的现象即称为失效。
失效分析的目的就是要分析零件的失效原
因并提出相应的防止和改进措施，其结论
对零件的设计、选材、加工与使用都有重
大的指导意义。
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力； ② 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较
大的交变接触应力及强烈的摩擦； ③ 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的
冲击力； ④ 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温
要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。
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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
脆性断口
2、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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3、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。
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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。 陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐
热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具 与模具、石油化工容器等。 由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在 高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21 世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材 料，目前尚处开发应用阶段。
• 材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺 性能也是选材时应考虑的因素。
• 理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能， 即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料 利用率高，保证甚至提高产品的质量。
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二、工艺性能选材原则（金属材料） 1.铸造性能 凡相图上液-固相线间距越小、 越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造 性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合 金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁 材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢 的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高 碳钢，故高碳钢较少用做铸件。
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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失效分析的主要方法
1、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。
零件失效
变形失效
断裂失效
表面损伤失效
弹
塑
塑低疲蠕应
磨表腐
性
性
性应劳变力
损面蚀
变
变
断力断断腐
失疲失
形
形
裂脆裂裂蚀
效劳效
失
失
失断失失断
失
效
效
效失效效裂
效
效
失
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效 机电工程学院(1)
（二）、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。
2020/11/18
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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。
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§3 典型零件选材与工艺分析
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，在工程上一般不用于受力较大的、 重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗 较低（为钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性 较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普 通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动 齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。
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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
2020/11/18
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（一）、零件失效的基本形式
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。