第八章机械零件失效与选材mme
金属材料及工艺课件：机械零件的失效与选材原则-
② 軸類零件的用材特點 • 承受交變拉應力的軸類零件 • 主要承受彎曲和扭轉應力的軸類零件 • 磨損嚴重且受較大衝擊的軸類零件 • 高精度高速轉動的軸類零件
2. 零件失效的原因 ① 設計因素：如設計有誤, 則機械設備或零件將不能使用
或過早失效。 ② 材質因素：材質除選材不當外，材質內部缺陷、毛坯加
工(鑄鍛焊)工藝或冷熱加工(特別是熱處理)工藝過程產 生的缺陷是導致失效的重要因素。 ③ 製造(工藝)因素：工藝製造條件往往是達不到設計要求 而導致零件失效的一個重要因素。如零件在鍛造過程中 產生的夾層、冷熱裂紋，焊接過程的未焊透、偏析、冷 熱裂紋，鑄造過程的疏鬆、夾渣，機加工過程的尺寸公 差和表面粗糙度不合適等。
b. 脆性斷裂：斷裂前無塑性變形；脆斷時承受的工作應力 較低，通常不超過材料的屈服強度，甚至不超過常規的 許用應力，所以又稱為低應力脆斷；脆性斷裂以零件內 部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的0.1 mm～1 mm)作為源 開始的；中、低強度鋼在10 ℃～15 ℃以下會由韌性狀 態轉變為脆性狀態（韌-脆轉變）。
擦力。 d. 齒輪的失效形式：疲勞斷裂、齒面磨損、齒面接觸疲勞
破壞、超載斷裂
② 齒輪用材的特點 a. 調質鋼齒輪： • 耐磨性要求較高，衝擊韌度要求一般的硬齒面齒輪。 • 對硬度要求不高的軟齒面齒輪 b. 滲碳鋼齒輪： • 用於製造速度高、重載荷、衝擊大的硬齒面齒輪，如汽
車拖拉機變速齒輪
2. 軸類零件的選材 ① 工作條件和性能要求：軸主要是受交變彎曲、扭轉的複合
ch8 机械零件的失效与选材原则解析
表面高强度及 疲劳极限，心 部强度、韧性 弹性极限，屈 强比，疲劳极 限 硬度，足够的 强度，韧性
扭，弯
冷作 模具
复杂
交 变 ， 冲击
强烈摩擦
磨损，脆断
8.2.2 工艺性能原则
满足生产工艺的要求
图8-4
高分子材料的加工工艺路线
图8-5
陶瓷材料的加工工艺路线
金属材料零件选材的工艺性能原则
图8-6
废物排放少
材料回收及降解
8.3 典型零件的加工工艺
8.3.1 齿轮选材
齿轮的失效形式：
(1) 疲劳断裂
(2) 齿面磨损
(3) 齿面接触疲劳破坏 (4) 过载断裂
一、齿轮材料的性能要求
(1) 高的弯曲疲劳强度。 (2) 高的接触疲劳强度和耐磨性。 (3) 较高的强度和冲击韧性。 (4) 较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变 形有一定规律等。
金属材料的加工工艺路线
1. 一般金属零件的工艺路线
毛坯正火或退火切削加工零件。
2. 性能要求较高的金属零件的工艺路线
毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火 、回火，固溶时效或渗碳等)精加工零件。
3. 精密金属零件的工艺路线
毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、 低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理或氮化 精加工稳定化处理零件。
8.2.3 经济性原则
一、材料的价格
应该尽量低。占30%～70% 二、零件的总成本 生产和使用的总成本最低。 与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用 和材料价格有关。 三、国家的资源 来源丰富并顾及我国资源状况。
8.2.4 环境与资源原则
—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程 １. ２. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。 环境污染小
机械零件的失效与选材讲义课件
机械零件的失效与选材讲义课件1. 引言对于机械工程师来说，了解机械零件的失效原因以及合适的选材非常重要。
机械零件的失效不仅会导致设备损坏，还会带来安全隐患和生产中断。
因此，在设计和制造机械零件时，必须从材料的选择及使用环境等方面综合考虑，以确保机械零件能够正常工作并具有足够的寿命。
本讲义将介绍机械零件失效的常见原因，并详细讲解选材的重要性和一些常用的选材方法。
希望通过这次讲义，能够提高大家对机械零件失效与选材的认识，并能够在实际工作中应用相关的知识。
2. 机械零件的失效原因机械零件的失效可以归纳为以下几个方面：2.1 疲劳失效疲劳失效是指材料在经过多次加载和卸载的作用下，发生裂纹并最终断裂的现象。
疲劳失效是机械零件最常见的失效形式之一。
其主要原因有材料的疲劳强度不足、应力集中、工作条件不当等。
2.2 磨损失效磨损失效是指材料表面与其他物体之间的接触摩擦引起的更替、切割和磨损等现象。
磨损失效会导致机械零件尺寸偏差、表面粗糙度增加、机械性能下降和能耗增加。
减少磨损失效的关键在于选择合适的摩擦材料、润滑方式和工作条件。
2.3 腐蚀失效腐蚀失效是指材料在特定环境条件下受到氧化、酸碱腐蚀等作用而发生损坏的现象。
腐蚀失效不仅会导致机械零件表面损坏，还会影响机械属性和功能。
在设计机械零件时，需要选择能够抵抗腐蚀的材料，并采取防腐措施。
2.4 强度失效强度失效是指材料在受到超过其承载能力的载荷作用下发生破坏的现象。
强度失效可能是由于设计不当、材料强度不足、载荷突然增大等原因引起的。
在选材时，需要合理考虑机械零件的受力情况，并选择强度合适的材料。
3. 机械零件的选材方法机械零件的选材过程需要综合考虑以下几个要素：3.1 功能要求机械零件的功能要求是选材的首要考虑因素之一。
不同的机械零件需要具备不同的功能，例如强度要求、耐磨性要求、耐蚀性要求等。
选材时需要根据机械零件的实际工作条件，选择具备相应功能的材料。
3.2 工作条件机械零件的工作条件包括温度、湿度、压力、腐蚀介质等因素。
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。
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。
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。
机械工程材料课件Material
8-1 零件的失效分析
3、加工工艺不当：零件在加工和成型过程中，由于采用的工
艺不正确，可能造成种种缺陷。 ① 冷加工常出现的缺陷是：表面光洁度太低，存在较深的刀
痕，磨削裂纹等； ② 热变形中最容易产生的缺陷是过烧、过热和带状组织等； ③ 热处理中，工序的遗漏，淬火冷却速度不够，表面脱碳，
淬火变形，开裂等，都是造成零件失效的重要原因。尤其当零件 厚度不均匀，截面变化急剧，结构不对称时，热处理工艺对零件失 效的影响，更应特别注意。
性有关。强韧性愈好，耐磨性也愈好。表面硬化处理可以有效的减小
c、粘着磨损：
粘着磨损。渗硫并不提高硬度，但表面形成的硫化铁，摩擦系数小， 可防止粘着。降低表面粗糙度和选用热稳定性高的合金钢等，均可减
轻粘着磨损。
② 表面疲劳失效：
零件表面在交变接触应力的作用下，产生的一种表面疲劳损坏现象称为疲劳 磨损，又称为接触磨损，常发生在齿轮和滚动轴承等零件的接触表面上。受 材料的冶金质量，零件表面光洁度，表面硬度和表面强硬化处理等因素的影 响。
第8章 机械零件的失效与选材
第一节 零件的失效分析 第二节 零件的选材
8-1 零件的失效分析
一 零件的失效：
1、零件失效： 零件由于某种原因（由于承受载荷、运动表 面间的互相摩擦以及各种介质的作用，丧失了预定的功能时，即它 发生了失效。指：
① 零件完全破坏，不能继续工作； ② 严重损伤，继续工作不安全； ③ 虽能安全工作，但不能满意的起到预期作用。
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。
机械零件的失效与选用
2 齿轮的失效形式
(1)疲劳断裂
(2)齿面磨损
(3)齿面接触疲劳破坏
(4)过载断裂
3 齿轮材料的性能要求
(1)高的弯曲疲劳强度； (2)高的接触疲劳强度和耐磨性； (3)较高的强度和冲击韧性。 (4)较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小等。
4 齿轮类零件的选材
性能要求主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接 触疲劳强度。外表硬度越高，疲劳强度也越高。
轴瓦磨损
齿面接触疲劳
失效统计：
断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%
7.1.2 失效分析的根本方法
任务：找出失效的主要原因，制订改进措施。
导致零件失效的主要原因的示意图
失效分析程序：
1.事故调查 失效现场；背景材料。 2.资料搜集 3.实验分析 失效机械的构造分析 宏观和微观断口分析 失效件材料的成分分析 金相分析 失效件材料的组成相分析 失效件材料的力学性能检测、应力分析、测定 4、分析结果提交：提出失效性质、失效原因，预防措施
7.2.3 经济性与环境友好性原那么
一、材料的价格 应该尽量低。占30%～70%
二、零件的总本钱 生产和使用的总本钱最低。 与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用
和材料价格有关。 三、国家的资源
来源丰富并顾及我国资源状况。 四、材料的环境友好与循环使用 提倡绿色制造，使用材料与环境友好，不污染环境，可循 环使用。使用可降解性塑料。
或建议，提交失效分析报告。
7.2 机械零件选材原那么
7.2.1 使用性能原那么〔首要原那么〕
使用性能是零件在使用状态下材料应该具有的机 械性能、物理性能和化学性能。
特殊条件下 工作的零件
大量机器零件 和工程构件
工程材料 机械零件的失效与选材原则
b.韧窝 韧窝形成原因：是材料在微观范围内塑性变 形产生显微空洞的生核、长大、聚集，最后相互连 接而导致断裂后在断口上留下痕迹。 韧窝大小相当于显微空洞裂纹的一半。
微观
8.1.2 失效的基本原因
1.设计因素 2.制造(工艺)因素 3.装配调试因素 4.材质因素 5.运转维修因素
1.设计因素艺)因素
工艺制造条件达不到设计要求。
3.装配调试因素
在安装过程中未达到所要求的质量指标。 4.材质因素
选材不当，所选用的材料的性能不能满足工作条 件的要求。
反，塑性变形后，齿面沿节线
处形成凸棱 。
凹沟
凸棱
主动轮塑性变形
从动轮塑性变形
影响塑性畸变的因素：
除弹性畸变失效的原因外，还有以下原因： (1)材质缺陷
包括材质本身的冶金缺陷和热加工缺陷，其 中较为常见的是热处理不良造成的缺陷。如淬火 时，加热温度或冷却速度不合适，导致较软的组 织的形成，从而未到道所需的硬度和屈服极限。
例：
车间用的大型吊车，横梁产
生的挠度超过许用挠度，两边车 轮由于梁的弯曲变形以及相应梁 的两端过大的转角变形导致车轮 挤住了轨道，造成畸变失效。
1.弹性畸变失效 弹性畸变的变形量是弹性范围内的变化，其 不恰当的变形量与零件的强度无关。 例1：拉压变形的杆、柱件 例2：弯、扭变形的轴类零件
影响弹性畸变的因素：
(1)零件的形状、尺寸 (2)材料的弹性模量 (3)零件工作的温度和载荷的大小
2.塑性畸变失效
塑性畸变的是外加应力超过材料的屈服极限 时发生明显的塑性变形(永久变形)。
例：齿面的塑性变形
主动轮齿上所受摩擦力是
背离节线分别朝向齿顶及齿根
作用的，故产生塑性变形后，
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
Get格雅机械工程材料 第8章 第八章 失效分析、材料选择及热处理工艺
非正常失效：在低于设计预期寿命时发生的失效。
突发性失效：例如:桥梁倒塌、油轮断裂等
5
失效的形式
零件常见的失效形式一般可分为断裂失效、过量变形失效和 外表损伤失效三大类。 〔1〕断裂失效 零件失效的主要形式，也是最严重的失效形式，它是因零件 承载过大或因疲劳损伤等发生破断。 〔2〕过量变形失效 指零件变形量超过允许范围而造成的失效，主要有过量弹性 变形失效和过量塑性变形失效。
机械工程材料 第8章 第八章 失 效分析、材料选择及热处理工
艺
第八章 失效分析、材料选择及热处理工艺
8.1 零件的失效分析 8.2 零件设计中的材料选择 8.3 典型零件、工具的材料选择与热处理工艺
2
失效的概念
零件丧失使用功能，称为失效。
正常失效：零件在到达或超过设计的预期 寿命后
发生的失效。
45
例2 汽车、拖拉机齿轮的选材与工艺路线 在变速箱中的齿轮用于传递转矩，改变发动机、曲轴 和主轴齿轮的传动速度比。在差速器中齿轮用来增加 扭转力矩并调节两车轮的转速，将动力传递到主动轮， 推动汽车、拖拉机运行。工作条件远比机床齿轮恶劣， 受力较大，超载荷和受冲击频繁。因此，在耐磨性、 疲劳强度、抗冲击能力等方面的要求比机床齿轮高。 这类齿轮通常选用合金渗碳钢制造。 如20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等。
35
工艺路线： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工〔除花键外〕 →局部外表淬火〔锥孔与外圆锥面〕→回火→粗磨〔外圆、 锥孔与外圆锥面〕→铣花键→花键高频感应淬火→回火→精 磨〔外圆、锥孔与外圆锥面〕→检验。
36
例2 曲轴的选材与工艺路线 在内燃机中，曲轴承受冲击和扭转，因此曲轴承受很大 的弯曲应力和扭转应力。主要失效形式是轴颈磨损和疲 劳断裂。 一般都选用合金调质钢，如35CrMo、42CrMo等；中、小 型的内燃机曲轴、常选用45钢或球墨铸铁。
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8.1.2 失效的基本因素
• 一、设计因素 ---为了保证产品质量，必须
精心设计，精心施工。根据零件在特定工况、 结构和环境等条件下可能发生的失效模式，建 立给定条件下正常工作的准则，确定合适的材 质、尺寸、结构，提出必要的技术文件。技术 文件 设备图纸和设计计算说明书。如设计有 误, 则机械设备或零件将不能使用或过早失效 。
回火脆性；
• ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
第八章机械零件失效与选 材mme
三、安装调试因素
• 安装过程达不到所要求的质量指标，导致零 件失效。
• ●啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过 松或过紧，接触状态未调整好)；
• ●连接零件必要的“防松”不可靠；
• ●铆焊结构的必要探伤检验不良；
• ●润滑与密封装置不良等；
• 翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面 、材料组成等不均匀性引起。其中以温度变化 ，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。
●受力钢架翘曲变形； ●壳体在高温下形状翘曲。
第八章机械零件失效与选 材mme
8.2.2 断裂失效
机械零件因断裂而产生的失效称为断裂失效。
• 一、断裂失效的分类 • 塑性断裂 、脆性断裂 、疲劳断裂 、蠕变
第八章 机械零件的失效与选材
8.1 机械零件的失效及失效分析 8.2 零件失效形式 8.3 机械零件的选材原则 8.4 不同失效形式的选材分析
第八章机械零件失效与选 材mme
8.1 机械零件的失效及失效分析
• 失效 零件由于某种原因，导致其尺寸 、形状、或材料的组织与性能发生变化 而不能完满地完成指定的功能。
影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材 料的弹性模量、零第八件章工机械作零的件失温效与度选、载荷的大小。
材mme
二、塑性畸变失效
• 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显 的塑性变形 (永久变形)。
●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲，导致倒塌；
●齿轮严重过载下运行，齿面出现鳞皱、起脊等塑 性畸变，导致齿轮失效；
第八章机械零件失效与选 材mme
• 二、制造(工艺)因素----工艺缺陷
• ●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、
• ●初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。
第八章机械零件失效与选 材mme
四、材质因素
• ●选材不当使零件达不到设计要求而导致失效。 • ●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
●不正确的运转参数、忽视维修，导致零件失效。
●拉、压变形的杆、柱类零件，过大的弹性畸变量 导致支承件(如轴承)过载，机械因丧失尺寸精度造
成动作失误。
●弯、扭变形的轴类零件，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。如轴承的
严重偏载，甚至咬死，导致传动失效；
●某些控制元件，如温控元件，予定的弹性变形(挠 度)是温控装置的精度的保证。
失效断裂
二、断口的分析方法
断口分析是断裂失效分析的关键，是断裂失效分析 的向导，指引断裂失效分析少走弯路。
例：金属材料的室温拉伸或冲 击试样的断口宏观观察，可以
看到断口分为：
第八章机械零件失效与选 材mme
三、断裂形式的特征
• 1. 韧（塑）性断裂的特征 (1) 宏观特征 ---宏观变形方式为颈缩，典型断口为 杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉
伸轴大致成45角。 (2) 微观特征 ---蛇形滑移和延伸，间距不等、短而 且平行、不连续的条纹韧窝，大小相当于显微空洞
裂纹的一半。
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2. 脆性断裂的特征
• 脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的 屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又 称为低应力脆断。脆性断裂以零件内部存在的宏 观裂纹(如肉眼可见的0.1 mm～ 1 mm)作为源 开始的。宏观裂纹可以是在生产工艺过程中产生 ，还可能是由于疲劳或应力腐蚀而产生。中、低 强度钢在10 ℃～15 ℃以下会由韧性状态转变为 脆性状态（韧-脆转变）。
畸变有两种基本类型：尺寸畸变或体积畸变(长大或 缩小)、形状畸变(如弯曲或翘曲)。
●受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形
●轴的弯曲
●壳体的翘曲变形 ---发生畸变失效的零件不 能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，
与其他零件的运转发生干扰。
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一、弹性畸变失效
• 弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，不恰 当的变形量导致失效。
●运转工况参数(载荷、速度等)的监控是否准确；
●定期大、中、小检修的制度是否合理、执行；
●润滑条件是否保证, 润滑剂和润滑方法是否选得合 适，润滑装置冷却、加热和过滤系统功能是否正常。
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8.2 零件失效形式
• 8.2.1 畸变失效 --畸变 指在某种程度上减
弱了零件规定功能的变形。
8.1.1 失效的分类
通常按失效模式和其相应的失效机理分类。
●
失效模式
失效的外在宏观表现和规律。
●失效机理 引起失效的微观物理、化学变化过程
。失效模式和失效机理相结合，宏观和微观相结合
、由表及里地揭示失效的物理本质。
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机械零件最常见的失效模式及其失效 机理见下表。
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(1) 宏观特征---在断裂前没有可以观察到的塑性变 形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口
边缘没有剪切“唇口”(或很小)。
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(2) 微观特征
• 脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态。
因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂叫解理 断裂。断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是 1030 m/s，在低温和三向应力状态时更快；沿 着特定的晶面(称为解理面)发生，这些晶面一般
●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。
引起零件塑性畸变的因素，除在弹性畸变中所述有关 影响因素外，常见的还有材质缺陷、使用不当、设计 有误等，特别是热处理不良更为突出，实际上往往是
多种因素的综合结果。
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三、翘曲畸变失效
• 尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲，导致 失效。