机电工程学院(1)

（三）经济性原则—— （四）环境与资源原则
根本原则
2020/9/14
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）； –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。
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
（二）工艺性能原则
• 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
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。
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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。
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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
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（一）源自文库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。
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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。
• 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。
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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。
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。
零件失效
变形失效
断裂失效
表面损伤失效
弹
塑
性
性
变
变
形
形
失
失
效
效
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塑低疲蠕应
性应劳变力
断力断断腐
裂脆裂裂蚀
失断失失断
效失效效裂
效
失
效
磨表腐 损面蚀 失疲失 效劳效
失 效
（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。
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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。
• 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。
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。
脆性断口
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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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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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.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。