汽車零件的選材汽車零件的選材1第七章

汽車零件的選材第七章

汽車零件的選材2第一節(jié)零件的失效分析一、失效的概念失效

主要指某零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能的變化而喪失原設(shè)計所規(guī)定的功能。完全破壞嚴(yán)重?fù)p壞未達(dá)功能要求（安全工作）包括第一節(jié)零件的失效分析一、失效的概念失效

主要指某零件3失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸斷裂零件已完全破壞，不能繼續(xù)工作失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸斷裂零件已完全破壞，不能繼續(xù)工作4失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸軸徑出現(xiàn)裂紋零件已受到嚴(yán)重?fù)p傷，已不能安全工作失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸軸徑出現(xiàn)裂紋零件已受到嚴(yán)重?fù)p傷，已不能5失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故零件雖然仍能能安全工作，但對正常燃燒產(chǎn)生了影響頭部燒傷痕跡失效會導(dǎo)致嚴(yán)重事故零件雖然仍能能安全工作，但對正常燃燒產(chǎn)生了6二、常見的失效形式與原因二、常見的失效形式與原因7導(dǎo)致零件失效的主要原因設(shè)計不合理材料不合理加工工藝不當(dāng)安裝使用不正確導(dǎo)致零件失效的主要原因設(shè)計不合理8零件失效形式

1過量變形失效

過量變形失效是指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。從變形的形貌上看，變形有兩種基本類型：尺寸或體積變化（長大或縮小）和形狀變化（如彎曲或翹曲）。例如，受軸向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形，軸的彎曲、殼體的翹曲變形等。

變形后：不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。零件失效形式1過量變形失效過量變形失9零件失效形式——過量變形失效彈性變形失效——材料剛度不足，受力過程中產(chǎn)生過量彈性變形或彈性失穩(wěn)。

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。零件失效形式——過量變形失效彈性變形失效——材料剛度不足，受10零件失效形式——過量變形失效塑性畸變失效——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)。引起零件塑性畸變的因素，除在彈性畸變中所討論的有關(guān)影響因素外，常見的還有材質(zhì)缺陷、使用不當(dāng)、設(shè)計有誤等，特別是熱處理不良。實(shí)際上往往是多種因素的綜合結(jié)果。零件失效形式——過量變形失效塑性畸變失效——是外加應(yīng)力超過零11零件失效形式——過量變形失效翹曲畸變失效——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。

翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、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。零件失效形式——過量變形失效翹曲畸變失效——是一種大小與方向12零件失效形式2斷裂失效機(jī)械零件因斷裂（特別是突然斷裂）而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。斷裂失效的形式有多種，常見的主要有韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂及蠕變失效斷裂等從斷口可分析斷裂失效的種類，是分析的核心，同時又是斷裂失效分析的向?qū)В敢龜嗔咽Х治錾僮邚澛贰?/p>

零件失效形式2斷裂失效斷裂失效的形式有多種，常見的主要有韌13韌性斷裂的特征宏觀特征：宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成45角。塑性材料拉伸后的實(shí)物韌性斷裂的特征宏觀特征：宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀14脆性斷裂的特征脆斷時承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服強(qiáng)度，甚至不超過常規(guī)的許用應(yīng)力，所以又稱為低應(yīng)力脆斷。脆性斷裂總是以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋（如肉眼可見的0.1mm～1mm）作為源開始的。這種宏觀裂紋可以是在生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生，還可能是由于疲勞或應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。脆性斷裂的特征脆斷時承受的工作應(yīng)力較低，通常不超過材料的屈服15脆性斷裂實(shí)物脆性斷裂實(shí)物16零件失效形式3磨損失效

相互接觸的一對金屬表面，相對運(yùn)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)象稱為磨損。零件失效形式3磨損失效17磨損失效形式——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。磨損失效形式——粘著磨損兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)18磨損失效形式——磨料磨損

配合表面之間在相對運(yùn)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。磨損失效形式——磨料磨損配合表面之間在相對運(yùn)動過程中，因外19磨損失效形式——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。如汽車的齒輪副、凸輪副、滾動軸承的滾動體與座圈等都容易產(chǎn)生表面疲勞磨損。磨損失效形式——表面疲勞磨損兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨20磨損失效形式——沖刷磨損、腐

蝕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。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。磨損失效形式——沖刷磨損、腐

蝕磨損沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子21影響磨損失效的基本因素①摩擦副材質(zhì)摩擦副的互溶性。相同金屬、晶格類型、原子間距、電子密度、電化學(xué)性能相近的材料副互溶性大，易于粘著而導(dǎo)致粘著磨損失效。金屬與非金屬（如塑料、石墨等），互溶性小，粘著傾向小。摩擦副的表面強(qiáng)化處理情況。材料表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂紋，過高的裝配應(yīng)力等都將使各種磨損加劇。影響磨損失效的基本因素①摩擦副材質(zhì)22影響磨損失效的基本因素②工況參數(shù)

包括接觸應(yīng)力、滑動距離和滑動速度、溫度、介質(zhì)條件與潤滑等。合理的表面強(qiáng)化處理可以減少磨損合理的表面強(qiáng)化處理，一是改變組織結(jié)構(gòu)，二是適度提高硬度。表面強(qiáng)化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。影響磨損失效的基本因素②工況參數(shù)

23零件失效形式4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。（1）均勻腐蝕均勻腐蝕是在整個金屬的表面均勻地發(fā)生。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)境包圍的金屬表面是均勻而且不受限制與障礙的零件失效形式4腐蝕失效腐蝕均勻性的前提是：24腐蝕失效（2）點(diǎn)腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，進(jìn)而向深度擴(kuò)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。腐蝕失效（2）點(diǎn)腐蝕25腐蝕失效（3）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。腐蝕失效（3）晶間腐蝕26第二節(jié)零件選材的原則及方法選材通常遵循三大原則：（1）使用性能原則：（2）工藝性能原則：（3）經(jīng)濟(jì)性原則：用所選材料制造的零件在使用過程中具有良好的工作性能。所選材料能夠確保零件便于加工。所選材料能使產(chǎn)品具有較低的總成本。第二節(jié)零件選材的原則及方法選材通常遵循三大原則：用所選材27一、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)該具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對大量機(jī)器零件和工程構(gòu)件，則主要是力學(xué)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。一、使用性能原則28一、使用性能原則1.零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?。惠d荷的形式；載荷的特點(diǎn)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、比重、外觀等的要求。一、使用性能原則1.零件使用時的工作條件29一、使用性能原則2.零件根據(jù)使用性能選材的步驟

通過對零件工作條件和失效形式的全面分析，確定零件對使用性能的要求；利用使用性能與實(shí)驗(yàn)室性能的相應(yīng)關(guān)系，將使用性能具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室機(jī)械性能指標(biāo)；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、使用壽命或安全性與實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)的關(guān)系，確定對實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)要求的具體數(shù)值；利用手冊根據(jù)使用性能選材。一、使用性能原則2.零件根據(jù)使用性能選材的步驟30幾種常用工作零件、失效形式及所要求的主要力學(xué)性能零件工作條件常見失效形式性能要求應(yīng)力

種類載荷

性質(zhì)受載

狀態(tài)螺栓拉、剪靜載--過量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性傳動軸彎、扭循環(huán)

沖擊軸頸

摩擦疲勞斷裂，過量變形，軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動齒輪壓、彎循環(huán)

沖擊摩擦

振動斷齒，磨損，

疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎交變

沖擊振動彈性失穩(wěn)，

疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比

，疲勞極限幾種常用工作零件、失效形式及所要求的主要力學(xué)性能零件工作條件31注意事項(xiàng)由于零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的完全等同相待，還必須注意以下情況：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)。材料的性能與加工處理時試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)本身都有一定波動范圍。注意事項(xiàng)由于零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本32二、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，這是選材必須考慮的問題。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，這是選材33工藝性能金屬材料的加工工藝路線

工藝性能金屬材料的加工工藝路線34金屬材料的工藝性能（1）性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝路線

毛坯正火或退火切削加工零件。（2）性能要求較高的金屬零件選材的工藝路線

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（3）性能要求較高的精密金屬零件選材的工藝路線

毛坯預(yù)先熱處理（正火、退火）粗加工最終熱處理（淬火、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。

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。金屬材料的工藝性能（1）性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝35工藝性能高分子材料的工藝路線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）工藝性能高分子材料的工藝路線高分子材料的切削加工性能較好，與36工藝性能陶瓷材料的加工工藝路線

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(jìn)行任何其它加工。工藝性能陶瓷材料的加工工藝路線陶瓷材料成形后，除了可以用碳37三、經(jīng)濟(jì)性原則1.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重，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，在許多工業(yè)部門中可占產(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。三、經(jīng)濟(jì)性原則1.材料的價格

38三、經(jīng)濟(jì)性原則2.零件的總成本

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(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價格有關(guān)。三、經(jīng)濟(jì)性原則2.零件的總成本

39三、經(jīng)濟(jì)性原則3.國家的資源等因素

隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時必須對此有所考慮，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(jì)性原則3.國家的資源等因素

404、環(huán)境與資源原則

１)減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。

２)環(huán)境污染小廢氣排放少材料回收及降解

儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7