机械零件的失效与选材原则
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。
机械零件选材原则及工艺设计
机械零件选材原则及工艺设计机械零件的选材原则及工艺设计在机械设计中，选择合适的材料和有效的工艺是非常重要的，因为这直接影响了零件的质量、性能和使用寿命。
下面是一些机械零件选材原则及工艺设计的重要考虑因素。
1. 材料的机械性能：机械零件必须具有足够的强度、硬度和耐磨性，以承受预期的工作载荷和环境条件。
因此，在选择材料时，应该考虑其拉伸强度、屈服强度、断裂韧性和硬度等机械性能指标。
2. 材料的耐腐蚀性：机械零件往往要在各种恶劣的环境条件下工作，如高温、湿度或腐蚀性介质。
因此，应选择具有良好耐腐蚀性能的材料，以保证零件的长期稳定性和可靠性。
3. 材料的热处理性：有些机械零件需要进行热处理，以改善其机械性能和硬度。
因此，在选材时，应选择适合热处理的材料，以便在工艺设计中能够获取所需的材料性能。
4. 材料的可加工性：机械零件的制造通常需要各种加工操作，如切削、铣削、焊接等。
因此，材料的可加工性也是选材的重要因素，应选择易于加工的材料，以保证制造成本和质量。
5. 材料的经济性：在选材时，还必须考虑材料的成本因素。
有时候，高性能材料可能很昂贵，但在某些应用中，可以使用性能适当的低成本材料来替代。
工艺设计也是机械零件设计中重要的一环。
下面是一些常见的工艺设计考虑因素：1. 制造工艺的可行性：在工艺设计中，应考虑零件的复杂度和制造难度。
有时候，可能需要进行多道复杂的加工操作，而在其他情况下，使用简单的加工过程就可以完成。
因此，在工艺设计中应选择最合适和最经济的制造工艺。
2. 精度要求：机械零件的精度直接影响其质量和功能。
因此，在工艺设计中，应根据零件的功能需求和装配要求，确定适当的制造精度和加工工艺。
3. 工艺的可重复性和稳定性：工艺的可重复性和稳定性对零件的质量和一致性至关重要。
因此，在工艺设计中，应选择稳定可靠的加工工艺和设备，以确保批量生产的一致性和质量可控。
总之，在机械设计中，选材和工艺设计是同等重要的。
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。
机械零件的失效分析-学习领悟
机械零件的失效分析失效：零件或部件失去应有的功效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。
一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。
失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。
根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。
一、零件的失效形式失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。
1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。
金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。
因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。
②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。
一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。
有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。
因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。
2、断裂失效①塑性断裂零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；②脆性断裂脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；③疲劳断裂在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；④蠕变断裂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；3、表面损伤①磨损失效磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。
第10。1-2章机械零件毛坯的选择与质量检验
（2）压力加工性能 指材料的塑性和变形抗力等。 （3）焊接性能 包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、
气孔及其它缺陷倾向等。 （4）切削加工性能 指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度
及刀具磨损量等。 （5）热处理性能 指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火
超载荷运动，润滑条件不良，零件磨损增加等均可造成零件早期失效。
金属工艺学
四、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。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
金属工艺学
二、零件失效的主要形式
金属工艺学
三、零件失效的原因
金属工艺学
零件失效的原因分析
（1）结构设计不合理 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。 （2）材料选取不当 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。
机械零件的选材原则
1.1 使用性能原则
几种常用零件的工作条件、失效形式及 所要求的主要力学性能见下表.
1.1 使用性能原则
如上所述，材料各项力学性能指标可满 足零件不同的使用要求。
材料的刚性和屈服强度是保证零件在使用时 不产生过量变形的前提； 材料的硬度是满足耐磨性的重要指标 耐磨零件应选择具有较高硬度的材料； 为防止零件的疲劳破坏，材料应具有较高的 强度和韧度
热处理工艺性能
包括淬透性、淬硬性、回火稳 定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向 等。碳素钢的淬透性差，强度较低， 合金钢比碳素钢的热处理工艺性好， 故结构复杂或尺寸较大且强度要求较 高的零件要选用合金钢。
1.3 经济性原则
在满足使用性能和工艺性能的前提下， 选用的材料要价格便宜、成本低廉。除考虑 材料本身的价格外，还要考虑包括加工费用和 管理费用。
1.1 使用性能原则
零件的使用性能主要指零件在 使用状态下应具有的力学性能、物理 性能和化学性能。
满足使用性能是保证零件完成 规定功能的必要条件。在大多数情况 下，它是选材首先要考虑的问题。
1.1 使用性能原则
由于工况不同，零件的工作条件 是复杂的。
从载荷性质来分，有静载荷、动载荷； 从受力状态来分析，有拉、压、弯、扭 应力；从工作温度来分，有低温、室温、 高温、交变温度等； 从环境介质来看，有加润滑剂的，有接 触酸、碱、盐、海水、粉尘的等。 有时还要考虑物理性能方面的要求，如 电导性、磁导性、热导性、热膨胀性、辐 射等。
在确定了零件的具体力学性能指标和数 值以后，即可利用各种机械手册选材。
1.2 工艺性原则
材料工艺性能的好坏对零件加工的难易 程度，生产效率、生产成本有很大关系。因此 很有必要再从满足使用性的材料中按材料工艺 性进一步选择。
机械工程材料第七章
8. 螺栓、铆钉等冷镦零件 9. 汽车用塑料 （1）汽车内饰用塑料 （2）汽车用工程塑料 （3）汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料 10.汽车用橡胶 11.汽车用陶瓷材料
二、机床零件用材
常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、
刀具等。
1. 机身、底座用材
首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、 HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。
（2）主要失效形式 1）疲劳断裂。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。 2）齿面磨损。3）齿面接触疲劳破坏 。4）过载断裂。
疲劳断裂、齿面磨损、齿面接触疲劳破坏 、过载断裂
（3）齿轮用材性能要求
1）高的弯曲疲劳强度
2）高的接触疲劳强度和耐磨性 3）齿轮心部要有足够的强度和韧性
2. 齿轮零件的选材 3. 典型齿轮选材举例
一、齿轮类零件的选材
1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求
齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调 节速度。 （1）工作时的受力情况 1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。 2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。
3. 活塞、活塞销和活塞环——活塞组
对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热性差、膨胀系数 小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难 找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。 活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。 活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、 Mo的合金铸铁制造。
零件选材的一般原则和方法
有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制 成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手 段紧密结合起来综合考虑。此外，当材料进行预选后，还 应当进行试验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等， 进一步验证材料机械性能选择的可靠性。
2 零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求
任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工 艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟 悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺 性能包括以下内容。 ➢ 铸造性能：包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。 ➢ 压力加工性能：指材料的塑性和变形抗力等。 ➢ 焊接性能：包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其他 缺陷倾向等。 ➢ 切削加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量 等。 ➢ 热处理性能：指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变 形和开裂倾向等。
工程材料及热处理
零件选材的一般原则和方法
机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件 的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重 的可能导致零件的完全失效。
1.1 选材的一般原则
判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否 实现最低成本。选材的任务就是求得上述三者之间的统一。
齿的折断，过度磨损或出 现疲劳麻点
抗弯强度，疲劳强度， 接触疲劳强度，硬度
交变弯曲应力，扭转应力，冲 击负荷，磨损
交变应力，振动
点或线接触下的交变压应力， 滚动摩擦
机械零件的失效与选材
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。
废气排放少 材料回收及降解
重要金属的世界储量
可用年数 再生率(%)
Fe 128
31.7
Al
35
16.9
Cu 32
40.9
Байду номын сангаасZn 24
21.2
W
47
Ag 15
41.0
Mn 14
Ni
49
第二 节 典型零部件选材及工艺分析
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
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。
2、断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。
（1）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞
的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2）脆性断裂失效
断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断 裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
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。
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
2011-10-22 4
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。
2011-10-22
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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
6失效及选材
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
蠕变断裂失效 蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地 产生塑性变形的现象。产生的断裂叫做蠕变断裂。
蠕变断裂
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的性能需要
综合考虑。如屈服强度、塑性、韧性、疲劳强度等。
防止断裂的措施： • 采用材质好、强度高、韧性好的材料。 • 防止超载。 • 注意环境的影响。
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）； 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要求耐蚀性等。
6.2 选材的一般原则——工艺性原则
金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影
2、断裂失效
脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。 宏观特征：无明显变形。
微观特征：解理断裂和沿晶界断裂
解理型断口
沿晶界断裂
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
脆性断裂失效
描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性ak、韧 脆转变温度Tk和断裂韧性KIC。
6.1 零件的失效——失效形式
2、断裂失效
，抗磁性要求等。
6.3 典型零件选材分析
齿轮类零件选材
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； ③ 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。
粘着磨损示意图
6.1 零件的失效——失效形式
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。
第十一章 机械制造中零件材料的选择
机架和箱体及支承类零件的选材
• 包括：
– 减（变）速器箱体 – 轴承座、支座 – 机床床身、床头箱、溜板箱、进给箱 – 气缸体
• 功用：
– 支承并固定机器 – 装配基准 – 承受压力及振动
机架和箱体及支承类零件的选材
• 结构特点：
– 形状复杂 – 一般体积较大、重量较大
• 性能：
– 具有足够的抗压强度和刚度 – 具有足够的尺寸稳定性 – 良好的加工工艺性：
选材的具体步骤与方法
• • • • 以综合力学性能为主进行选材 以疲劳强度为主进行选材 以磨损为主进行选材 其他性能：
– 物理性能：导电性、电磁性能、光、热 – 化学性能：化学介质/耐腐蚀性能
第三节 典型零件的选材 实例分析
齿轮类零件的选材
• 工作条件：
– 齿根承受大的弯曲应力； – 齿面啮合部位既有滚动摩擦又有滑动摩擦，并 且承受很大的接触应力； – 轮齿工作中还将承受一定的冲击载荷； – 汽车、工程机械等机器中的齿轮工作中偶有短 时过载。
齿轮类零件的常见失效模式
• 断齿：多由疲劳（低应力高周疲劳/高应力 低周疲劳）、静载过载、冲击引起 • 齿面剥落
– 麻点剥落（点蚀） – 浅层剥落 – 深层剥落
• 齿面磨损
– 摩擦磨损 – 磨料磨损
圆 锥 齿 轮
齿轮类零件的性能要求
• 齿面应有高接触疲劳强度和高的表面硬度和耐磨 性——防止齿面损伤； • 齿根应有高的齿根弯曲强度和齿根弯曲疲劳强 度——防止齿根折断； • 心部应有适当的强度和韧性——防止冲击和偶然 过载引起断裂； • 齿轮副齿面硬度应有差异，即大齿轮齿面硬度＜ 小齿轮齿面硬度； • 应有好的机加性能——可获得好的表面粗糙度。
• 材料的焊接工艺性：
工程材料第12章 材料及毛坯选择
第12章 零件材料与毛坯的选择
12.1 机械零件的失效
12.2 零件的选材原则与步骤 12.3 典型零件的选材 12.4 零件毛坯的选择 知识窗——材料与热加工的发展
学习指导
自测习题
第12章 零件材料与毛坯的选择
12.1 机械零件的失效
1. 失效
一般机械零件或构件的失效包括以下几种情况：
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。
第12章 零件材料与毛坯的选择 (1) 受力状况：分析零件的受力类型(如静载、动载、冲击 或循环载荷等)，零件所受载荷大小以及分布特点(如均布载荷或集中载
温，判断错误，主观臆断、责任心不强，不进行定期维护、检
修，管理混乱等引起的失效。
第12章 零件材料与毛坯的选择 3. 零件的工作条件和失效分析 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。载荷的性质是决定材料使用性能的主要依 据之一，计算应力是确定材料使用性能的数量依据。其次，考
按失效的性质可将失效分为变形失效、断裂失效、磨损失
效和腐蚀失效。零件或构件的失效可以是单一过程现象，也可 以是组合过程现象。图12-1列举了热锻模和冷镦模常出现的失 效形式及部位。
第12章 零件材料与毛坯的选择
图12-1 模具失效形式及部位
第12章 零件材料与毛坯的选择 (1) 变形失效：包括弹性变形失效、塑性变形失效、蠕变 变形失效等。 (2) 断裂失效：包括韧性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳 断裂失效、蠕变断裂失效等。 (3) 磨损失效：包括粘着磨损失效、磨料磨损失效、接触 疲劳磨损、冲击磨损失效、微动磨损失效、气蚀失效等。 (4) 腐蚀失效：包括均匀腐蚀和局部腐蚀失效(点蚀、晶间
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6、意志坚强的人能把世界放在手中像 泥块一 样任意 揉捏。 2020年 6月7日 星期日 上午4 时10分4 0秒04: 10:4020 .6.7
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8、业余生活要有意义，不要越轨。20 20年6 月7日星 期日4 时10分4 0秒04: 10:407 June 2020
与其他零件的运转发生干扰。
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-4
1. 弹性畸Leabharlann 失效弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化, 是刚度问题。
杆、柱类、轴类零件、靠摩擦力传动的零件等弹性畸变会带来失效的问题。
影响弹性畸变主要因素：零件形状、尺寸，材料的弹性摸量，零件工作
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9、一个人即使已登上顶峰，也仍要自 强不息 。上午 4时10 分40秒 上午4时 10分04 :10:402 0.6.7
• 10、你要做多大的事情，就该承受多大的压力。6/7/20
20 4:10:40 AM04:10:402020/6/7
• 11、自己要先看得起自己，别人才会看得起你。6/7/20
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-6
１.磨损失效的基本类型 粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损、腐蚀磨损等五种基本类型。
２. 磨损失效的基本影响因素 摩擦、磨损和润滑，即磨损失效涉及到摩擦副的材质和磨损工况。
（四）腐蚀失效
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，
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
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
失效机理
弹性变形 塑性变形 弹、塑性变形
塑性变形 裂纹扩展 疲劳 蠕变断裂 应力腐蚀
磨粒磨损、粘着磨损 疲劳机理 氧化、电化学
温度和载荷的大小。
2. 塑性畸变失效
塑性畸变—是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。 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。
证、冷却、加热和过滤系统功能是否正常、操作是否正确。
7．1．3 机械零件失效的形式
（一）畸变失效 畸变—是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。可以是塑性的或弹塑性的 畸变基本类型：尺寸畸变或体积畸变（长大或缩小）和形状畸变（如弯曲和翘曲）。 畸变失效件体现为：不能承受规定载荷；不能起到规定作用；
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-1
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析
失效——
指某些零件由于某种原因，导致其尺寸、形状或材料 的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。
（1）零件完全破坏，不能继续工作； （2）虽然能完全工作，但不能满意地起到预期的作用；
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-5
（二）断裂失效
1. 断裂分类
（1）按断裂 性质分
1.韧性断裂—材料断裂之前发生明显的宏观塑性的断裂。
1.脆性断裂—指材料在断裂之前不发生或发生很小的宏观
2.
可见的塑性变形的断裂。
1.韧性－脆性断裂——又称准脆性断裂。是一种塑性和脆性混合的断裂。
（2）按断裂路径分： 沿晶断裂 、 穿晶断裂、混晶断裂。
2. 断口分析方法
对金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察，可以看到其 断口可分为纤维状区、放射状区及剪切唇区三个不同的区域。
（三）磨损失效
磨损— 相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生
塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-3
7．1．2 失效的基本因素
1．设计因素—确定材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件：图纸、说明书等。 2．制造因素—铸、锻、焊、机加工和热处理等达不到设计要求而导致零件失效。 3. 装配调试因素—在安装过程中 ，未达到要求的质量指标。 4. 材质因素—选材不当、材质内部缺陷、毛坯加工或冷热加工产生的缺陷。 5. 运转维修因素—运转工况参数监控、定期大、中、小检修、润滑条件是否保
（3）零件严重受损，继续工作不安全。
7．1．1 失效的分类 失效模式—是指失效的外在宏观表现和规律。 失效机理—则是指引起失效的微观的物理、化学变化过程的本质。
失效分类：畸变失效、断裂失效、表面受损失效三大类型
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-2
表7.1 零件失效的模式及其失效机理
是化学和电化学作用的结果。
腐蚀失效有几种基本类型：
１．均匀腐蚀 ２．点腐蚀
３．晶向腐蚀
第七章 机械零件的失效与选材原则 7.1机械零件的失效与失效分析 单元30-7
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1、有时候读书是一种巧妙地避开思考 的方法 。20.6. 720.6.7 Sunday , June 07, 2020
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2、阅读一切好书如同和过去最杰出的 人谈话 。04:1 0:4004: 10:4004 :106/7/ 2020 4:10:40 AM
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3、越是没有本领的就越加自命不凡。 20.6.70 4:10:40 04:10J un-207-J un-20
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4、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的 错儿。 04:10:4 004:10: 4004:1 0Sunda y, June 07, 2020
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5、知人者智，自知者明。胜人者有力 ，自胜 者强。 20.6.72 0.6.704 :10:400 4:10:40 June 7, 2020