机械工程材料ch7机械零件的失效和选材
机械工程材料-ch7机械零件的失效和选材PPT26页
Hale Waihona Puke 1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
机械工程材料-ch7机械零件的失效和选材 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
机械零件的失效分析与选材概述(ppt 16页)
表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和 少量回火马氏体。 3.花键部分硬度HRC48～50,金相组织同上。
三) 选材: 45钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火
粗加工 调质
半精加工 钻中心孔 精车加工
铣键槽 局部淬火(锥孔及外锥体)
结构或形状设计不合理。
2.原因
材料的选择不合理。 加工工艺不合理。
安装与使用不合理。
3.形式
过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效
过量弹性变形
过量塑性变形
韧性断裂 脆性断裂 低应力断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 应力腐蚀断裂
磨损 接触疲劳 腐蚀
第二节 材料选用的一般原则
1.材料的力学性能: 根据零件的工作条 件、损坏(或失效)形式 , 选择满足力 学性能的材料。
工程材料 机械制造基础
第10章 机械零件的失效分析与选材
第10章 机械零件的失效分析与选材
机械零件的失效分析 选材分析
➢选择材料的基本过程 ➢零件的失效分析
一.选择材料的基本过程
二.零件的失效分析
1.定义: 零件不能正常和安全的工作, 即零件失效。
回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。
三) 选材: 20 CrMnTi 钢。 四) 加工工艺路线: 下料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 磨齿
1、只要有坚强的意志力，就自然而然地会有能耐、机灵和知识。2、你们应该培养对自己，对自己的力量的信心，百这种信心是靠克服障碍，培养意志和锻炼意志而获得的。 3、坚强的信念能赢得强者的心，并使他们变得更坚强。4、天行健，君子以自强不息。5、有百折不挠的信念的所支持的人的意志，比那些似乎是无敌的物质力量有更强大 的威力。6、永远没有人力可以击退一个坚决强毅的希望。7、意大利有一句谚语：对一个歌手的要求，首先是嗓子、嗓子和嗓子……我现在按照这一公式拙劣地摹仿为：对 一个要成为不负于高尔基所声称的那种“人”的要求，首先是意志、意志和意志。8、执着追求并从中得到最大快乐的人，才是成功者。9、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 10、发现者，尤其是一个初出茅庐的年轻发现者，需要勇气才能无视他人的冷漠和怀疑，才能坚持自己发现的意志，并把研究继续下去。11、我的本质不是我的意志的结果， 相反，我的意志是我的本质的结果，因为我先有存在，后有意志，存在可以没有意志，但是没有存在就没有意志。12、公共的利益，人类的福利，可以使可憎的工作变为可 贵，只有开明人士才能知道克服困难所需要的热忱。13、立志用功如种树然，方其根芽，犹未有干；及其有干，尚未有枝；枝而后叶，叶而后花。14、意志的出现不是对愿 望的否定，而是把愿望合并和提升到一个更高的意识水平上。15、无论是美女的歌声，还是鬓狗的狂吠，无论是鳄鱼的眼泪，还是恶狼的嚎叫，都不会使我动摇。16、即使 遇到了不幸的灾难，已经开始了的事情决不放弃。17、最可怕的敌人，就是没有坚强的信念。18、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下 去。19、意志若是屈从，不论程度如何，它都帮助了暴力。20、有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。21、意志坚强，就会战胜恶运。22、只有刚强的人，才有神 圣的意志，凡是战斗的人，才能取得胜利。23、卓越的人的一大优点是：在不利和艰难的遭遇里百折不挠。24、疼痛的强度，同自然赋于人类的意志和刚度成正比。25、能 够岿然不动，坚持正见，度过难关的人是不多的。26、钢是在烈火和急剧冷却里锻炼出来的，所以才能坚硬和什么也不怕。我们的一代也是这样的在斗争中和可怕的考验中 锻炼出来的，学习了不在生活面前屈服。27、只要持续地努力，不懈地奋斗，就没有征服不了的东西。28、立志不坚，终不济事。29、功崇惟志，业广惟勤。30、一个崇高 的目标，只要不渝地追求，就会居为壮举；在它纯洁的目光里，一切美德必将胜利。31、书不记，熟读可记；义不精，细思可精；惟有志不立，直是无着力处。32、您得相 信，有志者事竟成。古人告诫说：“天国是努力进入的”。只有当勉为其难地一步步向它走去的时候，才必须勉为其难地一步步走下去，才必须勉为其难地去达到它。33、 告诉你使我达到目标的奥秘吧，我唯一的力量就是我的坚持精神。34、成大事不在于力量的大小，而在于能坚持多久。35、一个人所能做的就是做出好榜样，要有勇气在风 言风语的社会中坚定地高举伦理的信念。36、即使在把眼睛盯着大地的时候，那超群的目光仍然保持着凝视太阳的能力。37、你既然期望辉煌伟大的一生，那么就应该从今 天起，以毫不动摇的决心和坚定不移的信念，凭自己的智慧和毅力，去创造你和人类的快乐。38、一个有决心的人，将会找到他的道路。39、在希望与失望的决斗中，如果 你用勇气与坚决的双手紧握着，胜利必属于希望。40、富贵不能淫，贫贱不能移，威武不能屈。41、生活的道路一旦选定，就要勇敢地走到底，决不回头。42、生命里最重 要的事情是要有个远大的目标，并借助才能与坚持来完成它。43、事业常成于坚忍，毁于急躁。我在沙漠中曾亲眼看见，匆忙的旅人落在从容的后边；疾驰的骏马落在后头， 缓步的骆驼继续向前。44、有志者事竟成。45、穷且益坚，不坠青云之志。46、意志目标不在自然中存在，而在生命中蕴藏。47、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。 48、思想的形成，首先是意志的形成。49、谁有历经千辛万苦的意志，谁就能达到任何目的。50、不作什么决定的意志不是现实的意志；无性格的人从来不做出决定。我终 生的等待，换不来你刹那的凝眸。最美的不是下雨天，是曾与你躲过雨的屋檐。征服畏惧、建立自信的最快最确实的方法，就是去做你害怕的事，直到你获得成功的经验。 真正的爱，应该超越生命的长度、心灵的宽度、灵魂的深度。生活真象这杯浓酒，不经三番五次的提炼呵，就不会这样可口！人格的完善是本，财富的确立是末能力可以慢 慢锻炼，经验可以慢慢积累，热情不可以没有。不管什么东西，总是觉得，别人的比自己的好！只有经历过地狱般的折磨，才有征服天堂的力量。只有流过血的手指才能弹 出世间的绝唱。对时间的价值没有没有深切认识的人，决不会坚韧勤勉。第一个青春是上帝给的；第二个的青春是靠自己努力的。不要因为寂寞而恋爱，孤独是为了幸福而 等待。每天清晨，当我睁开眼睛，我告诉自己：我今天快乐或是不快乐，并非由我所遭遇的事情造成的，而应该取决于我自己。我可以自己选择事情的发展方向。昨日已逝，
机械零件失效与选材原则
8.2 机械零件选材原则
8.2.1 使用性能原则
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
满足使用要求
零件使用时的工作条件
（1）受力状况 载荷的类型(例如动载、静载、循 环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的 特点等。
（2）环境状况 温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求 对导电性、磁性、热膨胀、密度 、外观等的要求。
➢ 锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、 45、35Mn2、40Cr，35CrMo钢等。
➢ 工艺路线：模锻-- 调质-- 切削加工-- 轴颈表面淬火
铸造曲轴：球墨、可锻铸铁等，如QT600-3、QT7002、KTZ450-5、KTZ500-4。
工艺路线：铸造一高温正火一高温回火一切削加工一 轴颈气体渗氮
1. 磨损失效的基本类型
（1）粘着磨损 （2）磨料磨损 （3）表面疲劳磨损 （4）冲刷磨损 （5）腐蚀磨损
粘着磨损示意图
磨粒磨损示意图
犁削磨损示意图
冲刷磨损示意图
2. 影响磨损失效的基本因素
（1）摩擦副材质 互溶性； 表面强化处理情况； 表层组织和结构缺陷。
（2）工况参数 接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条
20CrMnTi等
2．内燃机曲轴选材
➢ 受力：弯曲、扭转、剪切、冲击等交变应力 形疲劳断裂和轴颈严重磨损 ➢ 材料要求：高强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭
转疲劳强度和刚度，轴颈还应有高的硬度和耐磨性。
➢ 锻钢曲轴和铸造曲轴两种
8.1 机械零件的失效及失效分析
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。
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
2-机械零件的失效、强化、选材及工程材料的应用a
（3） 化学成分分析
（4） 金相分析 这种方法来分析裂纹的走向、性质、判定材料组 织、工艺状态，检查可能导致失效的组织缺陷。
（5） 力学性能分析
(6)其它试验方法 采用试验性应力测定方法
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4.综合分析，作出结论，写出报告 失效分析工作达到预期目的后， 应对进行的工作、所获得的全部资料进行集中、整理、分析评价和 处理，作出结论，写出报告。
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三、弹簧类零件的选材
1. 弹簧的工作条件、失效形式及性能要求 （1）工作条件
1）弹簧在外力作用下，材料将承受弯曲应力或扭转应力。
2）承受交变应力和冲击载荷的作用。 3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。 （2）主要失效形式 1）塑性变形 2）疲劳断裂 3）快速脆性断裂 4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下 使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。
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6.半轴 中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr，而重型汽车用 40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金制造。 7.钢板 钢板有08、20、25和16Mn等。热轧钢板主要用来制造一 些承受一定载荷的结构件，如保险杠、刹车盘、纵梁等。冷轧钢板 主要用来制造一些形状复杂，受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车 的车身等覆盖零件。 8.螺栓、铆钉等冷镦零件
不重要的闭式齿轮可使用普通碳素钢Q275制造。
3. 轴类零件用材 一般采用正火或调质处理的45钢等优质碳素钢制造轴类零件。不 重要的或受力较小的轴及一般较长的传动轴，可以采用Q235、 Q255或Q275等普通碳素钢制造。承受载荷较大，且要求直径小、 质量轻或要求提高轴颈耐磨性的轴，可以采用40Cr等合金调质钢 或20Cr等合金渗碳钢，整体与轴颈应进行相应的热处理。 2011-10-22 23
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。
第七章机械零件的失效与选材
7.3.1 齿轮的选材
锻钢：
– 中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl：调质处理＋ 表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做 高精度、高速齿轮。
铸钢：力学性能比锻钢差，较少使用，主要用于 尺寸大பைடு நூலகம்＞Ф500mm)、形状复杂的齿轮。
7.3.1 齿轮的选材
非金属材料：
– 工程塑料：尼龙、ABS、聚甲醛等。 – 减摩耐磨（尤其是在无润滑或不良润滑条件下
）、耐蚀、质量轻、噪声小、生产率高。 – 适合于制造轻载、低速、无润滑条件下工作的
小齿轮，如仪表齿轮、玩具齿轮、车床走刀机 械传动齿轮等。
7.3.1 齿轮的选材
机床齿轮
– 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等， 对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。
锻钢：齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并
形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途 的齿轮大多采用锻钢制造。
– 低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi等： – 通过退火或正火来改善切削加工性能， – 通过渗碳＋淬火＋低温回火来保证齿轮的使用性能。 – 表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳
极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性； – 适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。
7.3.1 齿轮的选材
锻钢：
– 中碳钢： – Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮。正
火使用。 – 40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮。依
据工作条件不同，可正火、调质、表面淬火使用。 – 40Cr、40MnB的综合力学性能优于40、45钢，可用做
•过量变形失效
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。
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
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铸造曲轴（球墨铸铁）
锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
3rew
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•轴承外机圈械塑工程性材料变ch形7机械零件的失效和
选材
•潘存云教 授研制
•潘存云教授研制
•轴瓦磨损
•齿面接触疲劳
•失效统计：
• •
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断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•常见零件的工作条件和失效形式
•零件
•工作条件
•应力 •载荷 •受载 种类 性质 状态
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例 2： 机床齿轮
❖ 机床齿轮的工作条件 ：工作条件较好，载荷不大，转速 中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接 触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保 证高的传动精度和小的工作噪声。
❖ 选材 ：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。
局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、 而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。
渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较 好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。
喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一
层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。
•二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理
• 零件的加工工艺路 ➢ 线一般零件
• 毛坯 → 正火或退火 → 切削加工
➢ 轴、齿轮等 • 毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工→ 最终热处
理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工
➢ 精密丝杠
• 毛坯 → 预先热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 半精加工
•常见失效形式
•性能要求
•螺栓 •拉、剪 •静载 •-- •过量变形，断裂
•强度，塑性
•传动轴
•弯、扭
•循环 冲击
•传动齿轮 •压、弯
•循环 冲击
•轴颈 摩擦
•疲劳断裂，过量变 形
，轴颈磨损
•综合力学性能
•摩擦 振动
•断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲
劳
•表面高硬度及疲劳极 限
，心部强度及韧性
•弹簧
•扭、弯
•四、环境与资源原则
•
—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程
• 1. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。
• •
重要金属的世界储量 2. 能源消耗少
•
•Fe •Al
•可用年 •1数28
•再生率(%) •31.7
•35
•16.9
• 3. 环境污染小
• 废气排放少
• 材料回收及降 解
•Cu •32 •Zn •24 •W •47 •Ag •15 •Mn •14
机械工程材料-ch7机械 零件的失效和选材
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2020/11/18
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§1 选材原则
•1、选材的动机 — 产品开发、改进、更新换代。
•2、选材原则－使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则
•一、材料的使用性能 —— 首要原则
• 零件失效类型
•
变形 — 弹、塑性变形。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•常用机床主轴选用的材料及热处理方法
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例2、 内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定
•175A型农用柴油机曲轴
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•40.9 •21.2
•41.0
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•Ni
•49 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§2 典型零件的选材与工艺
• 一、齿轮选材
❖ 性能要求 ：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨 性），强度，韧性。
❖ 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部）， 齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）
高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利
于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力
防止表面发生麻点剥落。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
• 二、轴类零件选材
❖ 性能要求 ：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用 ，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到 冲击作用，轴颈尚需耐磨。
• 性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度， 轴颈耐磨性。
• • •
• • •
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选材 —调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 实例 —175A型农用柴油机曲轴
性能指标 —σb>650MPa，整体硬度220～ 260HBS，轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, AK≥15J。
→ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•三、经济性 —— 根本原则
• １. 产品成本分析
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
基本材料的成本（价格、利用率）
• —— 占总成本的30~70%
• 制造（加工）成本 —— 约占零件成本的30%
38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效 机械工程材料ch7机械零件的失效和
选材
•C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐 磨性高。
• 性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。 • 选材 —— 45钢，整体硬度220～250HB，轴颈表面淬火 硬度52~57HRC。 • 热处理工艺 —— 840℃水淬 + 600℃回火(水或油冷） + 轴颈高频淬火 + 200℃回火 • 最终组织 —— 心部：回火S 轴颈表面：回火M • 工艺路线 —— 下料→锻造→正火→粗加工→调质→半 精加工→表面淬火＋低温回火→磨削→零件
❖ 选材：
调质钢 →最终热处理：调质 + 表面淬火 + 低温回火
•
渗C钢 →最终热处理：渗碳后淬火处理。
•
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中高碳钢→最终热处理：调质处理后表面淬火。
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例1 ： 载重汽车变速箱齿轮
• 性能指标 ——σb>1000MPa，AK≥50J ，齿面硬度≥HRC55 。
•
加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批
量
•材 料
•元 / kg
•材 料
•元 / kg
•铂
•290,000
•Zn
•34
•金
•160,000
•铝
•21
•银
•3,500
•40Cr
•3.7
•钛
•200
•碳钢
•3.3
•铜
•68
•生铁
•2.3
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
工艺路线：下料→ 锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→ 齿部高频加热表面淬火+低温回火
正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力， 细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。
调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部 具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载 荷，同时还可以减少淬火后的变形。
• 选材 —— 20CrMnTi，20SiMnVB等，σb > 1080MPa ， AK≥ 55J，齿面HRC≥58~63 。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
➢工艺路线 ：下料→ 锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、 淬火＋低温回火→喷丸→磨削→零件
正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便 于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。
•
断裂 — 脆、塑性，疲劳断裂。
•
表面损伤 — 磨损、腐蚀等。
•零件失效的原因 — 设计、材料、加工、安装和使用。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•零件失 效的实例
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
•轴承内圈破裂
•齿轮轮齿折断
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
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•轮齿塑性变形
❖ 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨 损失效，冲击过载造成的断裂失效等。
❖选材：
碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素结构钢 ，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。
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•实例1、 C620机床主轴选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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• • • • • • • •
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性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴 颈耐磨性。
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