工程材料的選用培訓(xùn)課件

第十一章工程材料的選用第十一章工程材料的選用

內(nèi)容提要：

本章按照失效模式與失效機理對零件失效形式進行分類，介紹各種失效形式，包括畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。闡述機械零件選材原則。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

了解各種失效形式（畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效）的特點。掌握機械零件選材原則

學(xué)習(xí)建議：

在學(xué)習(xí)了有關(guān)材料的基本知識和各種工程材料之后，本章開始接觸到材料的實際應(yīng)用，學(xué)習(xí)如何正確選材及工藝路線設(shè)計。應(yīng)當(dāng)綜合應(yīng)用前面幾章的基礎(chǔ)知識。

失效：主要指某零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀或材科的組織與性能的變化而不能完滿地完成指定的功能。失效導(dǎo)致嚴(yán)重事故失效幾種情況：

(1)零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；

(2)零件嚴(yán)重損傷，繼續(xù)工作不安全。

(3)雖仍能安全工作，但不能滿意地起到預(yù)期的作用。第一節(jié)：機械零件的失效失效：主要指某零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀或材科的組織

一、失效的主要原因

1.設(shè)計失效

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計，精心施工。

根據(jù)零件在特定工況、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等條件下可能發(fā)生的失效模式，建立給定條件下正常工作的準(zhǔn)則，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。

技術(shù)文件

設(shè)備圖紙和設(shè)計計算說明書。

如設(shè)計有誤,則機械設(shè)備或零件將不能使用或過早失效。

2.加工失效

工藝缺陷往往是使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效的重要因素。

●零件在鑄造過程中產(chǎn)生的疏松、夾渣；

●鍛造過程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋；

●焊接過程中未焊透、偏析、冷熱裂紋；

●機加工過程的尺寸公差和表面粗糙度不合適；

●熱處理產(chǎn)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紋等。一、失效的主要原因

3、安裝調(diào)試失效

安裝過程達不到所要求的質(zhì)量指標(biāo)，導(dǎo)致零件失效。

●嚙合傳動件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)；

●連接零件必要的“防松”不可靠；

●鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良；

●潤滑與密封裝置不良等；

●初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。

3、安裝調(diào)試失效

4、材料失效

●選材不當(dāng)使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效。

●材質(zhì)內(nèi)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(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效5、運轉(zhuǎn)維修失效

●不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導(dǎo)致零件失效。

●運轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)的監(jiān)控是否準(zhǔn)確；

●定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行；

●潤滑條件是否保證,潤滑劑和潤滑方法是否選得合適，潤滑裝置冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。4、材料失效二、失效的形式按失效模式和其相應(yīng)的失效機理分類。失效模式：是指失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律，失效機理：是指引起失效的微觀的物理、化學(xué)變化過程的本質(zhì)，這種失效模式和失效機理相結(jié)合的分類就是宏觀和微觀相結(jié)合由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)的過程。

表是根據(jù)機械零件最常見的失效模式進行的分類，歸納為變形失效、斷裂失效、表面損傷失效三大類型，每一類型又可分為幾種不同的情況，同時列出了各種類型的失效所相應(yīng)的失效機理。二、失效的形式按失效模式和其相應(yīng)的失效機理（一）過量變形失效體現(xiàn)：

(1)不能承受所規(guī)定載荷；

(2)不能起到規(guī)定的作用；

(3)與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾例如：車間用的大型吊車，其大車橫粱通過兩邊的各兩個車輪跨支于兩邊的鋼軌上。當(dāng)其吊物工作時，橫粱必產(chǎn)生一定的撓度，如果超過規(guī)定的許用撓度，兩邊車輪由于梁的彎曲變形以及相應(yīng)粱的兩端過大轉(zhuǎn)角變形導(dǎo)致車輪擠住了軌道．造成畸變失效(運行干擾)。（一）過量變形失效1．彈性畸變失效彈性畸變的變形量是在彈性范圍內(nèi)變化，不恰當(dāng)?shù)淖冃瘟繉?dǎo)致失效。拉、壓變形的桿、柱類零件，過大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過載，機械因喪失尺寸精度造成動作失誤。

彎、扭變形的軸類零件，過大的彈性畸變量會造成軸上嚙合零件的嚴(yán)重偏載，嚙合失常。如軸承的嚴(yán)重偏載，甚至咬死，導(dǎo)致傳動失效；

某些控制元件，如溫控元件，予定的彈性變形(撓度)是溫控裝置的精度的保證。

影響彈性畸變的主要因素有：零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、載荷的大小。1．彈性畸變失效2塑性畸變失效

是外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。影響因素：

(1)材質(zhì)缺陷它包括材料本身的冶金缺陷和熱加工缺陷，其中較為常見的是熱處理不良造成的缺陷。如淬火時，加熱溫度或冷卻速度不合適，導(dǎo)致較軟的組織的形，從而未達到所需的硬度和屈服強度。導(dǎo)致零件在工作時發(fā)生塑性疇變失效。

(2)使用不當(dāng)這是導(dǎo)致塑性畸變的另一原因。使用不當(dāng)主要是嚴(yán)重過載和潤滑不當(dāng)。如齒輪傳動是在過高的壓力或潤滑不足的條件下運行，齒面很可能出現(xiàn)如鱗皺、起脊等塑性畸變，導(dǎo)致齒輪失效。

(3)設(shè)計失誤它主要表現(xiàn)為對載荷估計不足，對溫度的影響、材質(zhì)缺陷估計太低，以及缺少對一些重要零件的全面質(zhì)量管理要求。2塑性畸變失效3翹曲畸變失效是一種大小與方向上常產(chǎn)生復(fù)雜規(guī)律的變形而最終形成了翹曲的外形，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的翹曲畸變失效。這種畸變往往是由溫度、外加裁荷、受力截面、材料組成等所引起的不均勻性的組合，其中以溫度變化，特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴(yán)重。3翹曲畸變失效（二）表面損傷失效磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。（二）表面損傷失效磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時1.粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。

粘著磨損示意圖粘著磨損磨痕1.粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生2.磨料磨損

配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆粒或表面微突體的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖磨粒磨損磨痕2.磨料磨損磨粒磨損示意圖磨粒磨損磨痕3.犁削磨損

硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝”。活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。犁削磨損磨痕犁削磨損示意圖3.犁削磨損犁削磨損磨痕犁削磨損示意圖

4.表面疲勞磨損

兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。

5.沖刷磨損

沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。

6.腐蝕磨損

腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。

沖刷磨損示意圖

4.表面疲勞磨損沖刷磨損示意圖（三）斷裂失效

機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。1、斷裂失效的分類

塑性斷裂

脆性斷裂

疲勞斷裂

蠕變斷裂（三）斷裂失效2、斷口的分析方法斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效分析的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路。例：金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到斷口分為：

F-纖維狀區(qū)

R-放射狀區(qū)

S-剪切唇區(qū)斷口

2、斷口的分析方法斷口脆性斷裂實物

脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)疲勞斷裂顯微形貌脆性斷裂實物脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)疲

汽車板簧斷裂失效

板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊。

折疊造成了表面裂紋。疲勞源在折疊造成的表面裂紋處形成。

根據(jù)板簧的安裝條件和工作狀況分析，板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。

裂紋在應(yīng)力作用下擴展，最后造成板簧疲勞斷裂。汽車板

（四）腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。

一）均勻腐蝕

均勻腐蝕

：在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。

腐蝕均勻性的前提是：被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻而且不受限制。

均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。

●鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕；

●銅在土壤里的銹蝕。（四）腐蝕失效

二)點腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。點腐蝕示意圖

二)點腐蝕點腐蝕示意圖

三)晶間腐蝕腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。晶間腐蝕示意圖

三)晶間腐蝕晶間腐蝕示意圖

腐蝕失效舉例（汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析）

彈簧材料為碳素彈簧鋼.長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。閥芯失去密封作用。使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈，造成嚴(yán)重事故。

第二節(jié)機械零件選材原則

一、使用性能原則

一）機械零件正確選材的使用性能原則

使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機械性能、物理性能和化學(xué)性能。

機器零件和工程構(gòu)件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。

二）零件使用時的工作條件

（1）受力狀況

主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的形式；載荷的特點等。

（2）環(huán)境狀況

主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。

（3）特殊要求

如對導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。

第二節(jié)機械零件選材原則

三）零件根據(jù)使用性能選材的步驟

●對零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對使用性能的要求；

●根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應(yīng)力分布；

●由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值；

●利用材料手冊根據(jù)使用性能選材。

常用零件的工作條件和失效形式

三）零件根據(jù)使用性能選材的步驟

零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的數(shù)據(jù)完全相同，必須注意以下情況：

●材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)。

●材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

●材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)都有一定波動范圍。零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手二、工藝性能原則

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。

一）高分子材料零件選材的工藝性能原則

高分子材料成形容易，方法較多。

高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。不過它的導(dǎo)熱性差，在切削過程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)。二、工藝性能原則高分子材料主要成形工藝的比較高分子材料的加工工藝路線高分子材料主要成形工藝的比較高分子材料的加工工藝路線二）陶瓷材料零件選材的工藝性能原則

陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。

陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。二）陶瓷材料零件選材的工藝性能原則陶瓷材料各種成形工藝比較陶瓷材料的加工工藝路線

陶瓷材料各種成形工藝比較陶瓷材料的加工工藝路線三）金屬材料零件選材的工藝性能原則

金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜，變化多。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。金屬材料的加工工藝路線三）金屬材料零件選材的工藝性能原則金屬材料的加工工藝路線

●性能要求不高的金屬零件的工藝路線：

毛坯正火或退火切削加工零件。

●性能要求較高的金屬零件的工藝路線：

毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、回火，固溶時效或滲碳處理等)精加工零件。

●性能要求較高的精密金屬零件的工藝路線：

這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要有很高的尺寸精度和表面光潔度。

毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時效或滲碳)半精加工穩(wěn)定化處理或氮化精加工穩(wěn)定化處理零件?！裥阅芤蟛桓叩慕饘倭慵墓に嚶肪€：

三、經(jīng)濟性原則

一）、材料的價格

零件材料的價格無疑應(yīng)該盡量低。

材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價格的30%～70%，因此設(shè)計人員要十分關(guān)心材料的市場價格。二）、零件的總成本

零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。

零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關(guān)。

三）、國家的資源隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時必須考慮，特別是對于大批量生產(chǎn)的零件，所用材料應(yīng)該來源豐富并顧及我國資源狀況。

另外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。三、經(jīng)濟性原則提示

正確選材是機械設(shè)計的一項重要任務(wù)。

材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求；

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求；采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟效益。提示

第三節(jié)典型零件與工具的選材分析

構(gòu)件材料的選用，一般首先考慮使用性能，然后進行工藝性能和經(jīng)濟性的綜合分析；具體使用性能的確定，則重點根據(jù)是構(gòu)件的失效形式。所以，合理的選材方法應(yīng)按不同的失效形式分類進行。第三節(jié)典型零件與工具的選材分析一、齒輪選材（一）齒輪的工作條件、失效形式及其對材料性能的要求1齒輪工作條件(1)由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；(2)換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷；(3)齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。

2齒輪的失效形式(1)疲勞斷裂主要從根部發(fā)生，其宏觀形貌見圖。這是齒輪嚴(yán)重的失效形式，常常引起數(shù)齒甚至所有齒的斷裂。(2)齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小，如圖所示。一、齒輪選材

(3)齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微型紋，微裂紋的發(fā)展，引起點狀剝落(或稱麻點)見圖。(4)過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒，見圖。

3．齒輪的性能要求根據(jù)工作條件及失效形式的分析

(1)高的彎曲疲勞強度；

(2)高的接觸疲勞強度和耐磨性；

(3)較高的強度和沖擊韌性。此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，例如熱處理變形小，或變形有一定規(guī)律

(3)齒面接觸疲勞破壞（二）齒輪類零件的選材

齒輪材料要求的性能主要是疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。齒心應(yīng)有足夠的沖擊韌性，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。計算方法，基本上憑經(jīng)驗決定。從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或其合金鋼。它們經(jīng)表面強化處理后，表面有高的硬度，心部有足夠的沖擊韌性。（二）齒輪類零件的選材齒輪材料要求的性能主要是疲勞1、機床齒輪選材舉例

機床變速箱齒輪擔(dān)負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大,工作平穩(wěn)無強烈沖擊。一般可選中碳鋼(45鋼)制造,為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。

機床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪,工作時傳動平穩(wěn),噪聲減少,長期使用磨損很小。機床變速箱齒輪

工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→輪齒高頻淬火及回火→精磨1、機床齒輪選材舉例機床變速箱齒輪工藝路線為：

正火處理：對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造應(yīng)力，均勻組織，使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，改善齒輪表面加工質(zhì)量，對于一般齒輪，正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理:可使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能，心部有足夠的強度和韌性，能承受較大的交變彎曲應(yīng)力和沖擊裁荷，并可減少齒輪的淬火變形。高頻淬火及低溫回火:是決定齒輪表面性能的關(guān)健工序。通過高頻淬火，輪齒表面硬度可達52HRC以上，提高了耐磨性，并使輪齒表面有殘余壓應(yīng)力存在，從而提高了抗疲勞破壞的能力。高頻淬火后進行低溫回火:為了消除淬火應(yīng)力。正火處理：對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造應(yīng)

2、汽車齒輪選材舉例

汽車齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。在變速箱中，通過它改變發(fā)動機、曲軸和主軸齒輪的速比，在差速器中，通過齒輪增加扭矩，并調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速。全部發(fā)動機的動力均通過齒輪傳給車軸，推動汽車運行。所以，汽車齒輪受力較大，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度，心部強度以及沖擊韌性等均要求比機床齒輪高。采用調(diào)質(zhì)鋼高頻淬火不能保證要求，所以，要用低碳鋼進行滲碳處理來作重要齒輪。我國應(yīng)用最多的是合金滲碳鋼20cr或20crMnTi，并經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火。滲碳后表面碳含量大大提高．保證淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接觸疲勞抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部獲得較高的強度和足夠的沖擊韌性。汽車后橋齒輪

2、汽車齒輪選材舉例汽車后橋齒輪滲碳齒輪的工藝路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨削加工

滲碳齒輪的工藝路線為：二、軸類零件選材軸是機器上的最重要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運動的零件，如齒輪、凸輪等都裝在軸上，所以，軸主要起傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的作用1軸類件的工作條件

(1)軸類零件工作時主要至交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)合作用(2)軸與軸上零件有相對運動，相互間存在摩擦和磨損；(3)軸在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動，使軸承受沖擊載荷(4)多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。二、軸類零件選材軸是機器上的最重要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運動的零2、軸類零件的失效方式

由于軸類零件的受力情況及工作條件較復(fù)雜，所以其失效方式也是多樣的。(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂(包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂，見圖)，(2)大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形甚至斷裂(圖)，(3)與其他零件相對運動時產(chǎn)生的表面過度磨損(圖)等。2、軸類零件的失效方式

3、軸類零件的性能要求(1)良好綜合機械性能：足夠的強度、塑性和一定的韌性，以防止過載斷裂、沖擊斷裂；

(2)高的疲勞強度，對應(yīng)力集中敏感性低．以防疲勞斷裂；

(3)足夠的淬透性，熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效；

(4)良好的切削加工性能，價格便宜。3、軸類零件的性能要求

4、軸類零件材料及選材方法

1）材料

經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強度和韌性，同時考慮疲勞抗力）；

●一般軸類零件使用碳鋼（便宜，有一定綜合機械性能、對應(yīng)力集中敏感性較?。?5、40、45、50鋼，經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理改善性能；

●載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時采用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；

●可以采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作曲軸的材料。2）、選擇原則

根據(jù)載荷大小、類型等決定。

●主要受扭轉(zhuǎn)、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種；

●受軸向載荷軸，因心部受力較大，應(yīng)具有較高淬透性。4、軸類零件材料及選材方法4．典型軸—機床主軸選材以C620車床主鈾為例進行選材。見簡圖。該主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、項尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。車床主軸可選用45鋼.工藝路線如下：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削加工。4．典型軸—機床主軸選材以C620車床主鈾為例進行選材。見簡

如果這類機床主軸的載荷較大，可用40Cr鋼制造。當(dāng)承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時，則可采用合金滲碳鋼制造，如20Cr或20CrMnTi等。如果這類機床主軸的載荷較大，可用40Cr鋼制造。

三、彈簧選材彈簧是一種重要的機械零件。它的基本作用是利用材料的彈性和彈簧本身的結(jié)構(gòu)特點，在載荷作用下產(chǎn)生變形時，把機械能或動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡埽诨謴?fù)變形時，把形變能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芑驒C械功。彈簧的種類很多，按形狀分主要有螺旋彈簧(壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)彈簧)、板彈簧、片彈簧和蝸卷彈簧幾種(圖)。

三、彈簧選材主要用途：

(1)緩沖或減振如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位如機床及其夾具中利用彈簧定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復(fù)原外力去除后自動恢復(fù)到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。主要用途：

1、彈簧的工作條件

(1)彈簧在外力作用下，壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)時，材料將承受彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

(2)緩沖、減震或復(fù)原用的彈簧承受交變應(yīng)力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質(zhì)和高溫的作用。1、彈簧的工作條件(1)彈簧在外力作用下，壓2、彈簧的失效形式

(1)塑性變形

在外載荷作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超過材料本身的屈服應(yīng)力后，彈簧發(fā)生塑性變形。外載荷去掉后，彈簧不能恢復(fù)到原始尺寸和形狀。

(2)疲勞斷裂在交變應(yīng)力作用下，彈簧表面缺陷(裂紋、折疊、刻痕、夾雜物)處產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴展后造成斷裂失效。2、彈簧的失效形式(1)塑性變形(3)快速脆性斷裂某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)、加工缺陷(如折疊、劃痕)、熱處理缺陷(淬火溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠)等，當(dāng)受到過大的沖擊載荷時，發(fā)生突然脆性斷裂。

(4)腐蝕斷裂及永久變形在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂失效高溫使彈簧材料的彈性模量和承載能力下降，高溫下使用的彈簧易出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛，產(chǎn)生永久變形。(3)快速脆性斷裂3、彈簧材料的性能要求

(1)高的彈性極限和高的屈強比

彈簧工作時不允許有永久變形，因此要求彈簧的工作應(yīng)力不超過材料的彈性極限。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。對于承受重載荷的彈簧，如汽車用板簧，火車用螺旋彈簧等，其材料需要高的彈性極限。當(dāng)材料直徑相同時，碳素鋼簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的抗拉強度相差很小，但屈強比差別較大。65鋼為0.7，60Si2Mn鋼為0.75，50CrVA為0.9。屈強比高，彈簧可承受更高的應(yīng)力。3、彈簧材料的性能要求(1)高的彈性極限和高的屈(2)高的疲勞強度彎曲疲勞強度和扭轉(zhuǎn)疲勞強度越大，則彈簧的抗疲勞性能越好。(3)好的材質(zhì)和表面質(zhì)量夾雜物含量少，晶粒細小，表面質(zhì)量好，缺陷少，對于提高彈簧的疲勞壽命和抗脆性斷裂十分重要。

(4)某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性良好的耐蝕性和耐熱性可以保證在腐蝕性介質(zhì)和高溫條件下的使用性能。(2)高的疲勞強度4、彈簧的選材彈簧種類很多，載荷大小相差懸殊，使用條件和環(huán)境各不相同。制造彈簧的材料很多，金屬材料、非金屬材料(如塑料、橡膠)都可用來制造彈簧。由于金屬材料的成型性好、容易制造，工作可靠，在實際生產(chǎn)中，多選用彈性極高的金屬材料來制造彈簧.

4、彈簧的選材彈簧種類很多，載荷大小相差懸殊，使用條件和

1）、彈簧鋼根據(jù)生產(chǎn)特點的不同，分為兩大類：

熱軋彈簧：用材是將彈簧鋼通過熱軋方法加工成圓鋼、方鋼、盤條及扁鋼，制造尺寸較大、承載較重的螺旋彈簧或板簧。彈簧熱成型后要進行淬火及回火處理。

冷軋(撥)彈簧：用材以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應(yīng)，用來制作小型冷成型螺旋彈簧、片簧等.

主要彈簧鋼的特點及用途

1）、彈簧鋼

2）、不銹鋼

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti通過冷軋(拔)加工成帶或絲材,制造在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧。

3）、黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅

具有良好的導(dǎo)電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性，用于制造電器、儀表彈簧及在腐蝕性介質(zhì)中工作的彈性元件。2）、不銹鋼

5、典型彈簧—汽車板簧選材

(1)用途及性能要求

用于緩沖和吸振，承受很大的交變應(yīng)力和沖擊載荷的作用，需要高的屈服強度和疲勞強度。

(2)材料

●輕型汽車選用65Mn、60Si2Mn鋼制造；

●中型或重型汽車,板簧用50CrMn,55SiMnVB鋼；

●重型載重汽車大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb鋼制造。汽車板簧

5、典型彈簧—汽車板簧選材(1)用途及性能要求

(3)工藝路線熱軋鋼帶(板)沖裁下料—壓力成型—淬火—中溫回火—噴丸強化淬火

溫度為850℃～860℃(60Si2Mn鋼為870℃),采用油冷,淬火后組織為馬氏體?；鼗?/p>

溫度為420℃～500℃,組織為回火屈氏體。屈服強度s0.2不低于1100MPa,硬度為42HRC～47HRC,沖擊韌性ak為250KJ/m2～300KJ/m2。(3)工藝路線四、

刃具選材1、

刃具的工作條件

切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統(tǒng)稱為刃具。

(1)刃具切削材料時，受到被切削材料的強烈擠壓，刃部受到很大的彎曲應(yīng)力。某些刃具(如鉆頭、鉸刀)還會受到較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。

(2)刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500℃一600℃。

(3)機用刃具往往承受較大的沖擊與震動。切削加工四、刃具選材1、刃具的工作條件切削加工2、

刃具的失效形式

(1)磨損由于磨擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低切削零件表面質(zhì)量，也由于刃部形狀變化，使被加工另件的形狀和尺寸強度降低。

(2)斷裂刃具在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)刃部軟化由于刃部溫度升高，若刃具材料的紅硬性低或高溫性能不足，使刃部硬度顯著下降，喪失切削加工能力。。2、刃具的失效形式(1)磨損3、

刃具材料的性能要求(1)高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62HBC；(2)高的紅硬性；(3)強韌性好，(4)高的淬透性；可采用較低的冷速淬火，以防止刃具變形和開裂。3、刃具材料的性能要求(1)高硬度，高耐磨性。硬度一般要4、刃具的選材

１）簡單、低速的手用刃具手鋸鋸條、挫刀、木工用刨刀、鑿子等對紅硬性和強韌性要求不高．主要的使用性能是高硬度、高耐磨性?？捎锰妓毓ぞ咪撝圃臁Ｈ鏣8、T10、T12鋼等。

２）低速切削、形狀較復(fù)雜的刃具絲錐、板牙、拉刀等，可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造。因鋼中加入了Cr、W、Mn等元素，使鋼的淬透性和耐磨性大大提高，耐熱性和韌性也有所改善，可在＜300℃的溫度下使用。4、刃具的選材１）簡單、低速的手用刃具

３）高速切削用的刃具

·選用高速鋼(W18Cr4V、W6M05Cr4V2等)制造高速鋼具有高硬度、高耐磨性、高的紅硬性、好的強韌性和高的淬透性的特點，因此在刃具制造中廣泛使用，用來制造車刀、銑刀、鉆頭和其他復(fù)雜、精密刀具。高速鋼的硬度為62HRC~68HRC，切削溫度可達500℃~550℃，價格較貴。３）高速切削用的刃具

·用硬質(zhì)合金制造硬質(zhì)合金是由硬度和熔點很高的碳化物(TiC、WC)和金屬用粉末冶金方法制成，常用硬質(zhì)合金的牌號有YG6、YG8、YT6、YTl5等。硬質(zhì)合金的硬度很高(89HRA-94HRA)，耐磨性、耐熱性好，使用溫度可達1000℃。它的切削速度比高速鋼高幾倍。硬質(zhì)合金制造刀具時的工藝性比高速鋼差。一般制成形狀簡單的刀頭，用釬焊的方法將刀頭焊接在碳鋼制造的刀桿或刀盤上。碩質(zhì)合金刀具用于高速強力切削和難加工材料的切削。硬質(zhì)合金的抗彎強度較低，沖擊韌性較差，價格貴?！び糜操|(zhì)合金制造

·用陶瓷制造由于硬度極高、耐磨性好、紅硬性極高，也用來制造刃具。熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷顯微硬度為5000HV，耐熱溫度可達1400℃。立方氮化硼的顯微硬度可達8000HV~9000HV，允許的工作溫度達1400℃~1500℃。陶瓷刀具一般為正方形、等邊三角形的形狀，制成不重磨刀片，裝夾在夾具中使用。用于各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料的精加工和半精加工。陶瓷刀具抗沖擊能力較低，易崩刃·用陶瓷制造5、齒輪滾刀選材舉例

(1)用途、性能要求齒輪滾刀形狀見圖，是生產(chǎn)齒輪的常用刃具，用于加工外嚙合的直齒和斜齒漸開線圓柱齒輪。其形狀復(fù)雜，精度要求高。齒輪滾刀可用高速鋼W18Cr4V鋼制造。齒輪滾刀

5、齒輪滾刀選材舉例(1)用途、性能要求齒輪滾刀(２)材料

高速鋼(W18Cr4V)

(３)工藝路線熱軋棒材下料一鍛造一球化退火一粗加工一淬火一回火一精加工一表面處理★主要工藝

(1)鍛造

W18Cr4V鋼的始鍛溫度為1150～1200℃,終鍛溫度為900～950℃。

鍛造的目的一是成形,二是破碎、細化碳化物,使碳化物均勻分布,防止成品刀具崩刃和掉齒。

由于高速鋼淬透性很好,鍛后在空氣中冷卻即可得到淬火組織,因此鍛后應(yīng)慢冷。(２)材料

(2)退火

退火溫度為870℃～880℃，退火后的組織為索氏體基體和在其中均勻分布的細小粒狀碳化物。

退火目的是便于機加工，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。

(3)淬火、回火

高速鋼的淬火、回火工藝較為復(fù)雜。(2)退火

(4)精加工

包括磨孔、磨端面、磨齒等磨削加工。精加工后刀具可直接使用。

(5)表面處理

為了提高其使用壽命，可進行表面處理，如：硫化處理、硫氮共滲、離子氮碳共滲—離子滲硫復(fù)合處理，表面涂覆TiN、TiC涂層等。(4)精加工

小結(jié)

1.失效

零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。零件失效可以分為畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效幾類。

2.機械零件選材原則：

材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。對大量機器零件和工程構(gòu)件，主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，必須根據(jù)要求考慮材料的物理、化學(xué)性能（使用性能原則）。

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求（工藝性能原則）。

必須考慮材料的經(jīng)濟性。采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟效益，使產(chǎn)品在市場上具有最強的競爭力（經(jīng)濟性原則）。

小結(jié)3.對于特定的機械零件，依據(jù)不同的失效形式（例如彈性失穩(wěn)引起的失效、過量塑性變形引起的失效、快速斷裂引起的失效等），在進行比較深入的分析后，確定材料及加工工藝。４.齒輪主要要求疲勞強度，特別是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。根據(jù)受力分析，齒輪類零件選用低、中碳鋼或其合金鋼。

機床齒輪用中碳鋼或中碳合金鋼；

汽車齒輪用合金滲碳鋼。3.對于特定的機械零件，依據(jù)不同的失效形式（例如彈性失穩(wěn)引起５.軸類零件要求強度并兼顧沖擊韌性和表面耐磨性。軸一般用鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造。

機床主軸可選用45鋼；

內(nèi)燃機曲軸主要用優(yōu)質(zhì)中碳鋼或中碳合金鋼制造。６.彈簧主要要求高的彈性極限、高的屈強比和高的疲勞強度。彈簧一般選用碳素鋼、合金彈簧鋼和銅合金等金屬材料制造。

汽車彈簧用65Mn、60Si2Mn鋼制造；

氣門彈簧用50CrMn、55SiMnMoV等鋼制造。

５.軸類零件要求強度并兼顧沖擊韌性和表面耐磨性。軸一般用鍛造７.刃具主要要求硬度、耐磨性和紅硬性?？筛鶕?jù)不同的使用條件選用碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷等。

手動刃具可用T8、T10等碳素工具鋼；

低速切削刃具可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造；

高速切削刃具需選用高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2制造。７.刃具主要要求硬度、耐磨性和紅硬性。可根據(jù)不同的使用條件選疲勞斷裂返回疲勞斷裂返回返回疲勞斷裂齒面磨損返回疲勞斷裂齒面磨損齒面磨損返回齒面磨損返回返回返回返回轉(zhuǎn)軸彎曲疲勞斷口形貌返回轉(zhuǎn)軸彎曲疲勞斷口形貌返回返回返回軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損返回軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損返回C620車床主軸簡圖

返回C620車床主軸簡圖返回返回零件失效的模式及其失效機理返回零件失效的模式及其失效機理返回常用零件的工作條件和失效形式返回常用零件的工作條件和失效形式返回

壓縮螺旋彈簧

拉伸螺旋彈簧

扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧

板彈簧

片彈簧

Fanhui壓縮螺旋彈簧拉伸螺旋彈簧扭轉(zhuǎn)螺旋彈簧板彈簧片彈簧主要彈簧鋼的特點及用途返回

主要彈簧鋼的特點及用途返回演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第十一章工程材料的選用第十一章工程材料的選用

內(nèi)容提要：

本章按照失效模式與失效機理對零件失效形式進行分類，介紹各種失效形式，包括畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效。闡述機械零件選材原則。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

了解各種失效形式（畸變失效、斷裂失效、磨損失效及腐蝕失效）的特點。掌握機械零件選材原則

學(xué)習(xí)建議：

在學(xué)習(xí)了有關(guān)材料的基本知識和各種工程材料之后，本章開始接觸到材料的實際應(yīng)用，學(xué)習(xí)如何正確選材及工藝路線設(shè)計。應(yīng)當(dāng)綜合應(yīng)用前面幾章的基礎(chǔ)知識。

失效：主要指某零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀或材科的組織與性能的變化而不能完滿地完成指定的功能。失效導(dǎo)致嚴(yán)重事故失效幾種情況：

(1)零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；

(2)零件嚴(yán)重損傷，繼續(xù)工作不安全。

(3)雖仍能安全工作，但不能滿意地起到預(yù)期的作用。第一節(jié)：機械零件的失效失效：主要指某零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀或材科的組織

一、失效的主要原因

1.設(shè)計失效

為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設(shè)計，精心施工。

根據(jù)零件在特定工況、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等條件下可能發(fā)生的失效模式，建立給定條件下正常工作的準(zhǔn)則，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。

技術(shù)文件

設(shè)備圖紙和設(shè)計計算說明書。

如設(shè)計有誤,則機械設(shè)備或零件將不能使用或過早失效。

2.加工失效

工藝缺陷往往是使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效的重要因素。

●零件在鑄造過程中產(chǎn)生的疏松、夾渣；

●鍛造過程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋；

●焊接過程中未焊透、偏析、冷熱裂紋；

●機加工過程的尺寸公差和表面粗糙度不合適；

●熱處理產(chǎn)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紋等。一、失效的主要原因

3、安裝調(diào)試失效

安裝過程達不到所要求的質(zhì)量指標(biāo)，導(dǎo)致零件失效。

●嚙合傳動件(齒輪、桿、螺旋等)的間隙不合適(過松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好)；

●連接零件必要的“防松”不可靠；

●鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良；

●潤滑與密封裝置不良等；

●初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。

3、安裝調(diào)試失效

4、材料失效

●選材不當(dāng)使零件達不到設(shè)計要求而導(dǎo)致失效。

●材質(zhì)內(nèi)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(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導(dǎo)致失效5、運轉(zhuǎn)維修失效

●不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導(dǎo)致零件失效。

●運轉(zhuǎn)工況參數(shù)(載荷、速度等)的監(jiān)控是否準(zhǔn)確；

●定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行；

●潤滑條件是否保證,潤滑劑和潤滑方法是否選得合適，潤滑裝置冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。4、材料失效二、失效的形式按失效模式和其相應(yīng)的失效機理分類。失效模式：是指失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律，失效機理：是指引起失效的微觀的物理、化學(xué)變化過程的本質(zhì)，這種失效模式和失效機理相結(jié)合的分類就是宏觀和微觀相結(jié)合由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)的過程。

表是根據(jù)機械零件最常見的失效模式進行的分類，歸納為變形失效、斷裂失效、表面損傷失效三大類型，每一類型又可分為幾種不同的情況，同時列出了各種類型的失效所相應(yīng)的失效機理。二、失效的形式按失效模式和其相應(yīng)的失效機理（一）過量變形失效體現(xiàn)：

(1)不能承受所規(guī)定載荷；

(2)不能起到規(guī)定的作用；

(3)與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾例如：車間用的大型吊車，其大車橫粱通過兩邊的各兩個車輪跨支于兩邊的鋼軌上。當(dāng)其吊物工作時，橫粱必產(chǎn)生一定的撓度，如果超過規(guī)定的許用撓度，兩邊車輪由于梁的彎曲變形以及相應(yīng)粱的兩端過大轉(zhuǎn)角變形導(dǎo)致車輪擠住了軌道．造成畸變失效(運行干擾)。（一）過量變形失效1．彈性畸變失效彈性畸變的變形量是在彈性范圍內(nèi)變化，不恰當(dāng)?shù)淖冃瘟繉?dǎo)致失效。拉、壓變形的桿、柱類零件，過大的彈性畸變量導(dǎo)致支承件(如軸承)過載，機械因喪失尺寸精度造成動作失誤。

彎、扭變形的軸類零件，過大的彈性畸變量會造成軸上嚙合零件的嚴(yán)重偏載，嚙合失常。如軸承的嚴(yán)重偏載，甚至咬死，導(dǎo)致傳動失效；

某些控制元件，如溫控元件，予定的彈性變形(撓度)是溫控裝置的精度的保證。

影響彈性畸變的主要因素有：零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、載荷的大小。1．彈性畸變失效2塑性畸變失效

是外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。影響因素：

(1)材質(zhì)缺陷它包括材料本身的冶金缺陷和熱加工缺陷，其中較為常見的是熱處理不良造成的缺陷。如淬火時，加熱溫度或冷卻速度不合適，導(dǎo)致較軟的組織的形，從而未達到所需的硬度和屈服強度。導(dǎo)致零件在工作時發(fā)生塑性疇變失效。

(2)使用不當(dāng)這是導(dǎo)致塑性畸變的另一原因。使用不當(dāng)主要是嚴(yán)重過載和潤滑不當(dāng)。如齒輪傳動是在過高的壓力或潤滑不足的條件下運行，齒面很可能出現(xiàn)如鱗皺、起脊等塑性畸變，導(dǎo)致齒輪失效。

(3)設(shè)計失誤它主要表現(xiàn)為對載荷估計不足，對溫度的影響、材質(zhì)缺陷估計太低，以及缺少對一些重要零件的全面質(zhì)量管理要求。2塑性畸變失效3翹曲畸變失效是一種大小與方向上常產(chǎn)生復(fù)雜規(guī)律的變形而最終形成了翹曲的外形，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的翹曲畸變失效。這種畸變往往是由溫度、外加裁荷、受力截面、材料組成等所引起的不均勻性的組合，其中以溫度變化，特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴(yán)重。3翹曲畸變失效（二）表面損傷失效磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。（二）表面損傷失效磨損

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時1.粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。

粘著磨損示意圖粘著磨損磨痕1.粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生2.磨料磨損

配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖磨粒磨損磨痕2.磨料磨損磨粒磨損示意圖磨粒磨損磨痕3.犁削磨損

硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝”?；钊h(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。犁削磨損磨痕犁削磨損示意圖3.犁削磨損犁削磨損磨痕犁削磨損示意圖

4.表面疲勞磨損

兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。

5.沖刷磨損

沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。

6.腐蝕磨損

腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。

沖刷磨損示意圖

4.表面疲勞磨損沖刷磨損示意圖（三）斷裂失效

機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。1、斷裂失效的分類

塑性斷裂

脆性斷裂

疲勞斷裂

蠕變斷裂（三）斷裂失效2、斷口的分析方法斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效分析的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路。例：金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到斷口分為：

F-纖維狀區(qū)

R-放射狀區(qū)

S-剪切唇區(qū)斷口

2、斷口的分析方法斷口脆性斷裂實物

脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)疲勞斷裂顯微形貌脆性斷裂實物脆性斷裂斷口(解理花樣)沿晶斷口(冰糖花樣)疲

汽車板簧斷裂失效

板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊。

折疊造成了表面裂紋。疲勞源在折疊造成的表面裂紋處形成。

根據(jù)板簧的安裝條件和工作狀況分析，板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。

裂紋在應(yīng)力作用下擴展，最后造成板簧疲勞斷裂。汽車板

（四）腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。

一）均勻腐蝕

均勻腐蝕

：在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。

腐蝕均勻性的前提是：被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻而且不受限制。

均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。

●鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕；

●銅在土壤里的銹蝕。（四）腐蝕失效

二)點腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。點腐蝕示意圖

二)點腐蝕點腐蝕示意圖

三)晶間腐蝕腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。晶間腐蝕示意圖

三)晶間腐蝕晶間腐蝕示意圖

腐蝕失效舉例（汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析）

彈簧材料為碳素彈簧鋼.長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。閥芯失去密封作用。使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈，造成嚴(yán)重事故。

第二節(jié)機械零件選材原則

一、使用性能原則

一）機械零件正確選材的使用性能原則

使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機械性能、物理性能和化學(xué)性能。

機器零件和工程構(gòu)件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。

二）零件使用時的工作條件

（1）受力狀況

主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的形式；載荷的特點等。

（2）環(huán)境狀況

主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。

（3）特殊要求

如對導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。

第二節(jié)機械零件選材原則

三）零件根據(jù)使用性能選材的步驟

●對零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對使用性能的要求；

●根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應(yīng)力分布；

●由工作應(yīng)力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值；

●利用材料手冊根據(jù)使用性能選材。

常用零件的工作條件和失效形式

三）零件根據(jù)使用性能選材的步驟

零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的數(shù)據(jù)完全相同，必須注意以下情況：

●材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)。

●材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

●材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)都有一定波動范圍。零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手二、工藝性能原則

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。

一）高分子材料零件選材的工藝性能原則

高分子材料成形容易，方法較多。

高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。不過它的導(dǎo)熱性差，在切削過程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)。二、工藝性能原則高分子材料主要成形工藝的比較高分子材料的加工工藝路線高分子材料主要成形工藝的比較高分子材料的加工工藝路線二）陶瓷材料零件選材的工藝性能原則

陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。

陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。二）陶瓷材料零件選材的工藝性能原則陶瓷材料各種成形工藝比較陶瓷材料的加工工藝路線

陶瓷材料各種成形工藝比較陶瓷材料的加工工藝路線三）金屬材料零件選材的工藝性能原則

金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜，變化多。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。金屬材料的加工工藝路線三）金屬材料零件選材的工藝性能原則金屬材料的加工工藝路線

●性能要求不高的金屬零件的工藝路線：

毛坯正火或退火切削加工零件。

●性能要求較高的金屬零件的工藝路線：

毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、回火，固溶時效或滲碳處理等)精加工零件。

●性能要求較高的精密金屬零件的工藝路線：

這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要有很高的尺寸精度和表面光潔度。

毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時效或滲碳)半精加工穩(wěn)定化處理或氮化精加工穩(wěn)定化處理零件?！裥阅芤蟛桓叩慕饘倭慵墓に嚶肪€：

三、經(jīng)濟性原則

一）、材料的價格

零件材料的價格無疑應(yīng)該盡量低。

材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價格的30%～70%，因此設(shè)計人員要十分關(guān)心材料的市場價格。二）、零件的總成本

零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。

零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關(guān)。

三）、國家的資源隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時必須考慮，特別是對于大批量生產(chǎn)的零件，所用材料應(yīng)該來源豐富并顧及我國資源狀況。

另外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。三、經(jīng)濟性原則提示

正確選材是機械設(shè)計的一項重要任務(wù)。

材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求；

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求；采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟效益。提示

第三節(jié)典型零件與工具的選材分析

構(gòu)件材料的選用，一般首先考慮使用性能，然后進行工藝性能和經(jīng)濟性的綜合分析；具體使用性能的確定，則重點根據(jù)是構(gòu)件的失效形式。所以，合理的選材方法應(yīng)按不同的失效形式分類進行。第三節(jié)典型零件與工具的選材分析一、齒輪選材（一）齒輪的工作條件、失效形式及其對材料性能的要求1齒輪工作條件(1)由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；(2)換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷；(3)齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。

2齒輪的失效形式(1)疲勞斷裂主要從根部發(fā)生，其宏觀形貌見圖。這是齒輪嚴(yán)重的失效形式，常常引起數(shù)齒甚至所有齒的斷裂。(2)齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小，如圖所示。一、齒輪選材

(3)齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微型紋，微裂紋的發(fā)展，引起點狀剝落(或稱麻點)見圖。(4)過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒，見圖。

3．齒輪的性能要求根據(jù)工作條件及失效形式的分析

(1)高的彎曲疲勞強度；

(2)高的接觸疲勞強度和耐磨性；

(3)較高的強度和沖擊韌性。此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，例如熱處理變形小，或變形有一定規(guī)律

(3)齒面接觸疲勞破壞（二）齒輪類零件的選材

齒輪材料要求的性能主要是疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。齒心應(yīng)有足夠的沖擊韌性，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。計算方法，基本上憑經(jīng)驗決定。從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或其合金鋼。它們經(jīng)表面強化處理后，表面有高的硬度，心部有足夠的沖擊韌性。（二）齒輪類零件的選材齒輪材料要求的性能主要是疲勞1、機床齒輪選材舉例

機床變速箱齒輪擔(dān)負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大,工作平穩(wěn)無強烈沖擊。一般可選中碳鋼(45鋼)制造,為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。

機床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪,工作時傳動平穩(wěn),噪聲減少,長期使用磨損很小。機床變速箱齒輪

工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→輪齒高頻淬火及回火→精磨1、機床齒輪選材舉例機床變速箱齒輪工藝路線為：

正火處理：對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造應(yīng)力，均勻組織，使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，改善齒輪表面加工質(zhì)量，對于一般齒輪，正火也可作為高頻淬火前的最后熱處理工序。調(diào)質(zhì)處理:可使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能，心部有足夠的強度和韌性，能承受較大的交變彎曲應(yīng)力和沖擊裁荷，并可減少齒輪的淬火變形。高頻淬火及低溫回火:是決定齒輪表面性能的關(guān)健工序。通過高頻淬火，輪齒表面硬度可達52HRC以上，提高了耐磨性，并使輪齒表面有殘余壓應(yīng)力存在，從而提高了抗疲勞破壞的能力。高頻淬火后進行低溫回火:為了消除淬火應(yīng)力。正火處理：對鍛造齒輪毛坯是必須的熱處理工序，它可消除鍛造應(yīng)

2、汽車齒輪選材舉例

汽車齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。在變速箱中，通過它改變發(fā)動機、曲軸和主軸齒輪的速比，在差速器中，通過齒輪增加扭矩，并調(diào)節(jié)左右輪的轉(zhuǎn)速。全部發(fā)動機的動力均通過齒輪傳給車軸，推動汽車運行。所以，汽車齒輪受力較大，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度，心部強度以及沖擊韌性等均要求比機床齒輪高。采用調(diào)質(zhì)鋼高頻淬火不能保證要求，所以，要用低碳鋼進行滲碳處理來作重要齒輪。我國應(yīng)用最多的是合金滲碳鋼20cr或20crMnTi，并經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火。滲碳后表面碳含量大大提高．保證淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接觸疲勞抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部獲得較高的強度和足夠的沖擊韌性。汽車后橋齒輪

2、汽車齒輪選材舉例汽車后橋齒輪滲碳齒輪的工藝路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨削加工

滲碳齒輪的工藝路線為：二、軸類零件選材軸是機器上的最重要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運動的零件，如齒輪、凸輪等都裝在軸上，所以，軸主要起傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的作用1軸類件的工作條件

(1)軸類零件工作時主要至交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)合作用(2)軸與軸上零件有相對運動，相互間存在摩擦和磨損；(3)軸在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動，使軸承受沖擊載荷(4)多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。二、軸類零件選材軸是機器上的最重要零件之一，一切回轉(zhuǎn)運動的零2、軸類零件的失效方式

由于軸類零件的受力情況及工作條件較復(fù)雜，所以其失效方式也是多樣的。(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂(包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂，見圖)，(2)大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形甚至斷裂(圖)，(3)與其他零件相對運動時產(chǎn)生的表面過度磨損(圖)等。2、軸類零件的失效方式

3、軸類零件的性能要求(1)良好綜合機械性能：足夠的強度、塑性和一定的韌性，以防止過載斷裂、沖擊斷裂；

(2)高的疲勞強度，對應(yīng)力集中敏感性低．以防疲勞斷裂；

(3)足夠的淬透性，熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效；

(4)良好的切削加工性能，價格便宜。3、軸類零件的性能要求

4、軸類零件材料及選材方法

1）材料

經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強度和韌性，同時考慮疲勞抗力）；

●一般軸類零件使用碳鋼（便宜，有一定綜合機械性能、對應(yīng)力集中敏感性較?。?，如35、40、45、50鋼，經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理改善性能；

●載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時采用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；

●可以采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作曲軸的材料。2）、選擇原則

根據(jù)載荷大小、類型等決定。

●主要受扭轉(zhuǎn)、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種；

●受軸向載荷軸，因心部受力較大，應(yīng)具有較高淬透性。4、軸類零件材料及選材方法4．典型軸—機床主軸選材以C620車床主鈾為例進行選材。見簡圖。該主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、項尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。車床主軸可選用45鋼.工藝路線如下：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削加工。4．典型軸—機床主軸選材以C620車床主鈾為例進行選材。見簡

如果這類機床主軸的載荷較大，可用40Cr鋼制造。當(dāng)承受較大的沖擊載荷和疲勞載荷時，則可采用合金滲碳鋼制造，如20Cr或20CrMnTi等。如果這類機床主軸的載荷較大，可用40Cr鋼制造。

三、彈簧選材彈簧是一種重要的機械零件。它的基本作用是利用材料的彈性和彈簧本身的結(jié)構(gòu)特點，在載荷作用下產(chǎn)生變形時，把機械能或動能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡?，在恢?fù)變形時，把形變能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽芑驒C械功。彈簧的種類很多，按形狀分主要有螺旋彈簧(壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)彈簧)、板彈簧、片彈簧和蝸卷彈簧幾種(圖)。

三、彈簧選材主要用途：

(1)緩沖或減振如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位如機床及其夾具中利用彈簧定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復(fù)原外力去除后自動恢復(fù)到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。主要用途：

1、彈簧的工作條件

(1)彈簧在外力作用下，壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)時，材料將承受彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

(2)緩沖、減震或復(fù)原用的彈簧承受交變應(yīng)力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質(zhì)和高溫的作用。1、彈簧的工作條件(1)彈簧在外力作用下，壓2、彈簧的失效形式

(1)塑性變形

在外載荷作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超過材料本身的屈服應(yīng)力后，彈簧發(fā)生塑性變形。外載荷去掉后，彈簧不能恢復(fù)到原始尺寸和形狀。

(2)疲勞斷裂在交變應(yīng)力作用下，彈簧表面缺陷(裂紋、折疊、刻痕、夾雜物)處產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴展后造成斷裂失效。2、彈簧的失效形式(1)塑性變形(3)快速脆性斷裂某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)