金属材料学第3章机械制造结构钢-机械零件选材与国家标准

近代船用钢板
17
第一节 机械零件的失效形式
实例：汽车板簧断裂失效
板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠，疲劳源在折叠 造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况 分析，板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下 扩展，最后造成板簧疲劳断裂。
18
第一节 机械零件的失效形式
实例：汽车板簧断裂失效
28
第二节 选材的基本原则
选择材料的基本思路及方法
1、根据零件工作条件、失效形式提出合理的抗力指标。 材料使用性能要求 → 最大限度发挥材料潜力
工作条件
失效形式
抗力指标
应力状态：拉、压、弯、扭
过量变形
载荷性质：静、冲击、交变
断裂
工作温度：常、高、低温 表面状态、尺寸改变
工作介质：空气、液、腐蚀
σb，HB，σ-1， ψδ，ak,
板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠，疲劳源在折叠 造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况 分析，板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下 扩展，最后造成板簧疲劳断裂。
19
第一节 机械零件的失效形式
油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与材料中存 在缺陷有关。
1943年美国T-2油轮发生断裂
断口分析：是断裂失效分析的核心，同 时又是断裂失效分析的向导，指引断裂 失效分析少走弯路。
例：右图为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
分为：
F - 纤维区
R - 放射区
S - 剪切唇区
13
第一节 机械零件的失效形式
不同断裂的实物比较：
塑性断裂
脆性断裂
疲劳断裂
14
第一节 机械零件的失效形式
（2）扬长避短。合金元素一般都有优缺点,为克 服不足，可以复合加入来相互弥补。
如：Si-Mn, Mn-V 配合
2020/3/23
（3）改善碳化物类型与分布。某些元素的加入 会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改 变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性 能。如Cr-V
适量：主要是作用, 也有经济性问题
注 意
2020/3/23
要合理引用手册上材料的力学性能数据 ； 尽量选用简化加工工艺的材料 ； 零件材料选择要考虑零件的综合成本
2、轴类零件
轴是各类机械中最基本零件，也是关键 零部件。它直接影响精度和使用寿命。
各种轴的尺寸差别很大，一般钟表的轴 直径在0.5mm以下，而汽轮机转子轴直径 可达1m以上。
2020/3/23
（3）重载主轴。如组合机床的主轴，负荷较 大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi 钢制造，渗碳淬火。
（4）高精度主轴。如精密镗床的主轴，虽然负 荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很 高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经 调质后氮化处理，可满足要求
2020/3/23
第三节 热处理方案的选择
⑴ 磨损失效
1. 粘着磨损 两个金属表面的微凸
部分在局部高压下产生局 部粘结(固相粘着)，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。
粘着磨损示意图
22
第一节 机械零件的失效形式
2. 磨料磨损 配合表面之间在相
对运动过程中，因外来 硬颗粒或表面微突体的 作用造成表面损伤（被 犁削形成沟漕）的磨损 称为磨粒(料)磨损。
3. 晶间腐蚀 腐蚀发生于晶粒边界或其近旁，其主要原因是晶界处化
学成分不均匀。
晶间腐蚀示意图
27
第一节 机械零件的失效形式
实例：汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效
弹簧材料为碳素弹簧钢，长 期在含有氧、硫的水油混和物中 浸泡，受到严重腐蚀，表面腐蚀 产物从材料表面剥落，减少了弹 簧丝的截面，同时弹簧因腐蚀而 变脆。在阀芯受到向上的作用力 F时，弹簧破断。当作用力去除 后，阀芯在重力和气罐内气压的 作用下，阀芯与阀座间尚能起到 一定的密封作用。但如果车辆受 到强烈震动，阀芯会跳离阀座， 破断的弹簧丝会卡入阀芯、阀座 的密封面处，使气体泄漏，造成 气压降低，刹车失灵。
① 有的元素增多后，会降低材料塑韧性。 如低碳构件钢中的Si、Mn含量。
② 有些合金元素增多，会恶化K的分布。 如轴承钢中的Cr
③ 有的元素含量过多，会改变K类型，增 加热处理过程难度。如V，Mo含量。
④ 合金元素的作用往往不是随量的增加而 线性地增加的。
2020/3/23
第一节 机械零件的失效形式
目前常用轴的材料及工艺如下：
（1）轻载主轴。如普通车床主轴，负荷小，冲 击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢， 整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加 热淬火。
（2）中载主轴。如铣床，中等负荷，有一定冲 击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进 行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。如 冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火
第3章 机器零件用钢 machinery constructional steel
本章教学基本要求
□了解机器零件用钢的强韧化机制； □渗碳钢、调质零件、弹簧、滚动轴承的服役
条件及对钢的基本性能要求，化学成分特点 和热处理特点； □掌握上述各机器零件用钢的组织性能特点及 用途。
2020/3/23
本章内容
（工 具）
应力种类
载荷性质
其他
常见失效形式 要求的主要力学性能
普通 紧固 拉、切应力 静 螺栓
过量变形、 断裂
屈服强度及抗剪强度
传动 轴
弯、扭应力
循环、冲击
轴颈处 摩擦、 振动
疲劳破坏、过 量变形、轴颈 处磨损、咬蚀
综合力学性能
传动 齿轮
压、弯应力
循环、冲击
强烈摩 擦、振 动
磨损、麻点剥 落、齿折断
不同断裂的显微特征：
塑 （性 韧断 窝裂 ）断
口
疲 劳 断 裂 断 口
脆 性 断
a. 解 理 花
裂样
b. 冰 糖 花 样
15
TITANIC
建造中的Titanic 号
TITANIC的沉没 与船体材料的质量 直接有关
16
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
3
材料学主线：
服役条件 → 技 术要求 → 选择 材料 → 强化工 艺 → 组织结构 → 最终性能 → 应用、失效。
服役 条件
性能 要求
零件
材料 成分
强化 工艺
寻求最佳方案， 充分发掘材料 潜力。
2020/3/23
使用 性能
组织 结构
材料成分、工艺、组织、性能间的关系
材料学的强韧矛盾：
掌握理解固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机 理是很重要的，这是理解强韧化矛盾及其互相长消规律的基础。 各种强化机制在处理过程中是相互转化的。 关键因素：钢的合金化和处理工艺
选择热处理方案遵循的原则： 1、要求综合力学性能好的零件：调质 2、要求弹性好的零件
较大弹性变形量：淬火＋中温回火（大截面） （弹簧钢） 去应力退火（小截面）
大弹性变形量：去应力退火 或淬火＋时效处理 （铜基合金）
2020/3/23
服役条 件主要 共同点
① 传递扭矩，交变性，有时会承受 弯曲、拉压负荷；
② 都有轴承支承，轴颈处受磨损， 需要较高的硬度，耐磨性好；
③ 大多数承受一定的冲击和过载。
主要失 效方式
2020/3/23
断裂、疲劳断裂和过量磨损。→轴 类零件主要是按强度来选材的，并考 虑一定韧度和耐磨性。
材料学 “思想”：
材料学是一门很有“思想”的课程。主 要的“思想”：矛盾 的转化。 如，对结构钢是强度-韧度的匹配，对工 模具钢主 要是韧度-耐磨性的协调。材料 中的这些矛盾涉及到合金化 设计、处理工 艺等。
2020/3/23
合金化基本原则：多元适量，复合加入。
（1）提高性能。提高淬透性等性能，复合的作 用不是线性相加的。如Cr-Ni复合
25
第一节 机械零件的失效形式
2. 点腐蚀 腐蚀集中于局部，呈尖锐
小孔，进而向深度扩成孔穴甚
至穿透(孔蚀)。 金属表面受破坏处和未受
破坏处形成“局部电池”，其 中受破坏处是阳极，未受破坏
处是阴极，腐蚀电流由阳极流 向周围的阴极，阳极处很快被 腐蚀成小孔。
点腐蚀示意图
26
第一节 机械零件的失效形式
表面硬度及弯曲疲劳 强度、接触疲劳抗力、 心部屈服强度、韧性
扭应力（螺 弹簧 旋簧）、弯 循环、冲击
应力（板簧）
振动
弹性丧失、 弹性极限、曲强比、
疲劳断裂
疲劳强度
10
第一节 机械零件的失效形式
油泵柱塞 压应力 循环、冲击 摩擦、油的 磨损
副
腐蚀
续表11-1
硬度、抗压强度
冷作模具 复杂应力 循环、冲击 强烈摩擦
3. 犁削磨损 硬材料表面的微凸点
切削较软材料的表面， 在较软材料的表面形成 “犁沟”。
磨粒磨损示意图
犁削磨损示意图
23
第一节 机械零件的失效形式
不同磨损的磨痕：
粘着磨损磨痕 4. 表面疲劳磨损
磨粒磨损磨痕
犁削磨损磨痕
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
零件失效的情况：
① 完全破坏不能使用；
② 虽然能工作但是不能满意地起到预定的作用；
③ 损伤不严重但继续工作不安全。
导 致 零 件 失 效 的 主 要 原 因
8
第一节 机械零件的失效形式
失效形式：
9
第一节 机械零件的失效形式
表11-1 几种零件（工具）工作条件、失效形式及要求的力学性能
零件 工作条件
使它不能继续运行，甚至破坏。 如：齿轮的塑性变形会使啮合不良，甚至卡死、断齿。
12
第一节 机械零件的失效形式
二、断裂
是金属材料最严重的失效形式，特别是在没有明显塑性变 形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性事故。
防止脆断的方法：准确分析零件所受应 力及应力集中的情况，选择满足强度要 求并具有一定塑性和韧性的材料。
北
极
星
导
弹
20
第一节 机械零件的失效形式
三、表面损伤
据资料介绍，70%的机器是由过量磨损来自百度文库失效的。磨 损不仅消耗材料，损坏机器，而且耗费大量能源。
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 现象称为磨损。
活塞环与缸套之间的摩擦
21
第一节 机械零件的失效形式
疲劳断裂、 冲击疲劳抗力、综
脆断
合力学性能
连杆
拉、切应 循环、冲击 力
脆断
抗压疲劳强度、冲 击疲劳抗力
11
第一节 机械零件的失效形式
一、过量变形
⑴过量弹性变形 除了弹簧以外，大多数零件都必须限制，要求有足够的刚度。 如：弹性变形大的镗床镗杠无法保证精度。
⑵过量塑性变形 是零件失效的重要形式，轻则使机器的工作情况变坏，重则
σs/σb, K1c等
2、在满足机械性能前提下，尽量照顾工艺性（铸、锻、 焊、切削加工、热处理），特别在批量生产时。 材料的工艺性能 → 加工工艺性能良好
第二节 选材的基本原则 选择材料的基本思路及方法
3、充分考虑经济性：涉及材料的价格、加工成本、国 家资 源情况等,零件的总成本与零件寿命的关系
（1）尽量用本地可购材料；材料品种、规格尽量集中。 （2）考虑初始成本与附加成本（售后服务）的关系
1）初始成本↑，质量↑，附加成本↓； 2）初始成本↓，质量↓，附加成本↑。
4、其它因素 材料毛 坯的选择、生产设备 的可能性、环境协调 性等
30
第二节 选材的基本原则
选择材料的基本思路及方法（流程图）
分析零件 工作条件
确定主要失效抗力指标 作为选材的基本依据
考察经济性 和生产成本
考虑工 艺措施
选择材料
磨损、脆断 硬度、足够的强度、 韧性
压铸模
复杂应力 循环、冲击 高温度、摩 热疲劳、 擦、金属液 磨损、脆断 腐蚀
高温强度、热疲劳 抗力、韧性与红硬 性
滚动轴承 压应力 循环、冲击 强烈摩擦
磨损、麻点 剥落、疲劳 断裂
接触疲劳抗力、硬 度、耐磨性
曲轴
弯、扭应 循环、冲击 轴颈摩擦 力
磨损、咬蚀、 疲劳强度、硬度、
• 3.1 概述 • 3.2 调质钢 • 3.3 非调质机械结构钢 • 3.4 弹簧钢 • 3.5 滚动轴承钢 • 3.7 合金渗碳钢 • 3.8 氮化钢 • 3.9 低淬透性钢 • 3.10 耐磨钢 • 3.11 零件材料选择基本原则与思路
2020/3/23
第一节 机械零件的失效形式 第二节 选材的基本原则 第三节 热处理方案的选择及热处理技术的标注 第四节 预防和控制热处理变形的方法及措施 第五节 典型零件选材与工艺分析
疲劳磨损。
24
第一节 机械零件的失效形式
⑵腐蚀失效
腐蚀是金属暴露于活性介质环境中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. 均匀腐蚀
均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。 腐蚀均匀性的前提：被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成 分和显微组织，腐蚀环境包围金属表面是均匀而且不受限制。 均匀腐蚀可在大气、液体以及土壤里产生。如质量保证的 钢材在大气中所产生的锈蚀。