項目五

機械零件的選材本章內(nèi)容1零件的失效分析2典型零件的選材項目概述材料選用的合理與否，不僅關(guān)系到零件的使用性能，也關(guān)系到零部件加工制造的難易程度，同時還關(guān)系到機械設(shè)備的成本和使用安全性等。因此，零件的選材是一項復雜而重要的工作，必須進行全面綜合的考慮。項目目標知識目標01.掌握零件失效的形式和原因。02.熟悉零件失效分析的方法。04.了解典型零件的選材。03.掌握常見失效的分析及其選材原則。能力目標能根據(jù)零件的工作條件，分析零件可能的失效形式，并進行合理的選材。能進行零件的失效分析，并提出解決方案。任務(wù)一零件的失效分析相關(guān)知識零件在使用過程中失去設(shè)計規(guī)定的功能的現(xiàn)象稱為失效。一般來說，當零件在使用過程中出現(xiàn)以下任一情況時，即認定為失效。②零件損傷后雖能使用，但已不能完成規(guī)定功能，如機床主軸因磨損而使加工精度降低，無法加工出合格產(chǎn)品等。①零件完全不能工作，如汽輪機在運轉(zhuǎn)過程中葉片突然斷裂等。③零件因損傷而不能繼續(xù)安全使用，如壓力容器在使用中，內(nèi)部出現(xiàn)達到危險尺寸的裂紋等。一、失效的形式斷裂失效：指零件完全斷裂而無法工作的失效形式，它是零件的主要失效形式。斷裂方式主要有塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂等。一般零件在工作中常見的失效形式主要有以下三種。過量變形失效：指零件變形量超過允許范圍而造成的失效形式，主要包括過量彈性變形失效和過量塑性變形失效。表面損傷失效：指零件在工作中，因機械和化學作用，使其表面損傷而造成的失效形式，主要包括磨損失效、接觸疲勞失效和腐蝕失效等。二、失效的原因零件的失效原因很多，主要應從方案設(shè)計、材料選擇、加工工藝、安裝使用等四方面考慮。1．設(shè)計不合理零件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸設(shè)計不合理最容易引起失效。例如，鍵槽、孔的尖角處容易產(chǎn)生應力集中，出現(xiàn)裂紋。另外，對零件工作條件（如受力性質(zhì)和大小、溫度、環(huán)境）估計不足或判斷有誤、設(shè)計的安全系數(shù)過小等，均會使零件的性能滿足不了工作性能要求，造成失效。2．選材不合理選用的材料性能不能滿足工作條件要求，或所選材料的組織不合理、質(zhì)量差，如含有過量的夾雜物、雜質(zhì)元素或成分不合格等，都會造成零件的失效。零件在加工和成形過程中，因采用的工藝方法、工藝參數(shù)不合理，操作不正確等，常會引起某些缺陷，從而造成失效。3．加工工藝不當機器在安裝過程中不符合技術(shù)要求，如零件之間配合過緊、過松、對中不準等；使用中不按工藝規(guī)程操作和維修，保養(yǎng)不及時或不善，過載使用等，均會造成失效。4．安裝使用不正確三、失效分析的方法通過對零部件的失效分析，可對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和加工工藝改進提供可靠的依據(jù)。機械零件的失效分析是一項綜合性的技術(shù)工作，大致有如下程序。①盡量仔細地收集失效零件的殘骸，并拍照、記錄實況，確定重點分析的對象。樣品應取自失效的發(fā)源部位，或能反映失效的性質(zhì)或特點的位置。

②詳細記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計情況（圖樣）、實際加工情況及尺寸、使用情況等。根據(jù)這些資料全面地從設(shè)計、加工、使用各方面進行具體的分析。

③對所選試樣進行宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學或電子顯微鏡）斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源點及失效的方式。④對失效樣品進行性能測試、組織分析、化學分析和無損檢測，檢驗材料的性能指標是否合格，組織是否正常，成分是否符合要求，有無內(nèi)部或表面缺陷等，全面收集各種必要的數(shù)據(jù)。⑤斷裂力學分析。在某些情況下需要進行斷裂力學計算，以便確定失效的原因及提出改進措施。⑥綜合各方面資料進行分析并做出判斷，確定失效的具體原因，提出改進措施，寫出報告。在失效分析中，有兩項重要的工作。一是收集失效零件的有關(guān)資料，這是判斷失效原因的重要依據(jù)，必要時做斷裂力學分析。二是根據(jù)宏觀及微觀的斷口分析，確定失效發(fā)源部位的性質(zhì)及失效方式，這項工作最重要，因為它除了告訴我們失效的精確部位和應該在該處測定哪些數(shù)據(jù)外，同時還能對可能的失效原因作出重要指示。四、失效分析與選材通過失效分析，可以了解材料的破壞方式，并將其作為選材的重要依據(jù)。從零件失效的角度看，選材時應考慮以下幾個方面的問題。從材料角度分析，控制彈性變形失效難易程度的指標是彈性模量。在容易發(fā)生彈性變形失效時，應選用具有高彈性模量的材料。各類材料的彈性模量差別相當大，金剛石與各種碳化物、硼化物陶瓷的彈性模量最高，其次為氧化物陶瓷與難熔金屬，鋼鐵也具有較高的彈性模量，有色金屬的彈性模量則要低一些。

1．彈性變形失效與選材決定塑性變形失效難易程度的指標是材料的屈服強度。在經(jīng)典設(shè)計中，屈服強度是衡量材料承載能力最重要的指標。在很長一段時間內(nèi)，獲得高強度材料是材料學家和工程師主要努力的目標。

2．塑性變形失效與選材從屈服強度的角度看，金剛石和各種碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服強度最高，但因為它們極脆，做拉伸試驗時，在遠未達到屈服應力時即發(fā)生脆斷，因此根本不能通過拉伸試驗來測定其屈服強度。由于這種材料太脆，強度高的特點發(fā)揮不出來，因此不能作為高強度結(jié)構(gòu)材料。高強度合金鋼的強度僅次于陶瓷，廣泛地用于各種高強度結(jié)構(gòu)件之中。描述材料脆性斷裂難易程度的指標是沖擊韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度。從韌性的角度考慮，韌性最高的是各種奧氏體鋼，其次是合金低碳鋼；鋁合金韌性通常并不好，鑄鐵的韌性通常很低，高碳工具鋼和軸承鋼韌性也不好，不能用來制造韌性要求較高的結(jié)構(gòu)零件。3．脆性斷裂失效與選材4．疲勞斷裂失效與選材疲勞壽命分為低周疲勞壽命與高周疲勞壽命兩種。低周疲勞壽命是指作用于零件的應力水平較高的情況下疲勞破壞時零件所經(jīng)歷的應力、應變循環(huán)的次數(shù)，一般低于次；高周疲勞壽命是指作用于零件的應力水平較低的情況下疲勞破壞時零件所經(jīng)歷的應力、應變循環(huán)的次數(shù)，一般高于次。

一般承受高頻交變載荷的構(gòu)件，應選用高周疲勞壽命較高的材料，如彈簧等；承受低頻交變載荷的構(gòu)件，應選用低周疲勞壽命較高的材料，如抗震建筑材料。

蠕變失效通常發(fā)生在高溫下，所以抗蠕變失效的材料應是耐高溫材料。選材時主要考慮材料的工作溫度和工作應力，在較低溫度和較高應力下，可選用各種耐熱鋼及高溫合金；在較高溫度和較低應力下，應選用高熔點材料，如難熔金屬和陶瓷材料。對金屬材料還應使其晶粒盡可能大，甚至采用單晶材料，晶界也應平行于受力方向排列。5．蠕變失效與選材對于有摩擦應力的場合，應考慮表面損傷的影響。對于黏著磨損，所選材料應與和它配合工作的材料不屬同類，而且摩擦因數(shù)應盡可能??；同時，材料的硬度要高，且最好有自潤滑能力，或有利于保存潤滑劑（如有孔隙等）。對于磨粒磨損，選用材料的硬度要高，材料組織中應含有較多的耐磨硬相，如白口鑄鐵。6．表面損傷失效與選材任務(wù)二典型零件的選材相關(guān)知識一、軸類零件的選材

軸是機器中的重要零件之一，主要用于支承傳動零件（如齒輪、凸輪等），傳遞運動和動力。1．軸類零件的工作條件①軸類零件工作時主要受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應力的復合作用，有時還承受拉壓應力。②軸與軸上零件有相對運動時，相互間還會存在摩擦和磨損。④多數(shù)軸在工作過程中還會承受一定的過載載荷。③軸在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動，使其承受沖擊載荷。

由于軸類零件的受力情況較復雜，因此其失效形式也多種多樣。軸類零件的失效形式一般包括以下幾點。2．軸類零件的失效形式①長期交變載荷作用導致的疲勞斷裂（包括扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂和彎曲疲勞斷裂）。②大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂。③長期承受較大摩擦引起的過度磨損。3．軸類零件材料的性能要求

①良好的綜合力學性能，即足夠的強度、塑性和一定的韌性，以防變形和沖擊斷裂。

②高的疲勞強度，對應力集中敏感性小，以防疲勞斷裂。

③足夠的淬透性，熱處理后表面要有高硬度和高耐磨性，以防磨損失效。

④良好的切削加工性能，價格低廉。

⑤特殊條件下的特殊要求。例如，在高溫下工作的軸，要求具有高的抗蠕變性能。在腐蝕介質(zhì)中工作的軸，要求具有良好的耐蝕性。4．軸類零件材料的選用依據(jù)

軸類零件選材的主要依據(jù)是載荷的性質(zhì)和大小、轉(zhuǎn)速高低、精度和粗糙度要求、有無沖擊、軸承種類等。

①主要承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的軸，如機床主軸、曲軸、變速箱傳動軸、汽輪機主軸等。因這類軸的截面受力不均，表面應力大，心部應力小，故不需要選用淬透性很高的材料，常選用45鋼、40Cr鋼、40MnB鋼等，先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，后在軸頸處進行高、中頻感應加熱淬火及低溫回火。②同時承受彎曲、扭轉(zhuǎn)及拉壓應力的軸，如船用推進器軸、鍛錘錘桿等。因這類軸的截面受力均勻，同時心部受力較大，故應選用淬透性較高的材料，如40CrNiMo鋼等，一般也是先經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，然后進行高頻感應加熱淬火及低溫回火。③主要要求剛性好的軸，可選用碳鋼或球墨鑄鐵材料。④要求軸頸處耐磨的軸，常選用中碳鋼，并進行表面淬火，將硬度提高到52HRC以上。

齒輪是各類機械、儀表中應用最多的零件之一，其作用是傳遞動力、調(diào)節(jié)速度和運動方向，只有少數(shù)齒輪的受力不大，僅起分度作用。二、齒輪類零件的選材①齒輪工作時，齒根承受很大的交變彎曲應力。1．齒輪類零件的工作條件②換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定的沖擊載荷。③齒面接觸處既有滾動，也有滑動，需承受較大的接觸壓應力及摩擦力作用。2．齒輪類零件的失效形式

根據(jù)工作條件的不同，齒輪類零件的失效形式主要有輪齒折斷（疲勞斷裂、沖擊過載斷裂）、齒面接觸疲勞損壞（點蝕）、齒面磨損和齒面塑性變形等。3．齒輪類零件材料的性能要求①良好的切削加工性能。②熱處理后具有高的接觸疲勞強度。③高的彎曲疲勞強度，特別是齒根處要有高的強度。④高的齒面硬度和耐磨性。⑤適當?shù)男牟繌姸群妥銐虻捻g性。⑥最小的淬火變形，組織內(nèi)部缺陷應控制在允許的范圍內(nèi)。4．齒輪類零件材料的選用依據(jù)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。表面硬度越高，疲勞強度也越高。齒心應有足夠的沖擊韌度，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。從以上各方面考慮，選用低、中碳鋼或低、中碳合金鋼較合適。它們經(jīng)表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。此外，這類鋼的工藝性能好，經(jīng)濟上也較合理，所以是比較理想的齒輪材料。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?；在恢復變形時，把形變能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能或動能。三、彈簧類零件的選材彈簧的主要用途有：緩沖或減振（如汽車、火車的懸掛彈簧）、定位（如機床定位銷彈簧）、復原（如發(fā)動機的氣門彈簧）、儲存和釋放能量（如鐘表的發(fā)條）、測力（如彈簧秤、測力計彈簧）。1．彈簧類零件的工作條件①彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)時，材料將承受彎曲應力或扭轉(zhuǎn)應力。②緩沖、減振或復原用的彈簧承受交變應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。2．彈簧類零件的失效形式①塑性變形。外載荷去掉后，彈簧不能恢復到原始尺寸和形狀。②疲勞斷裂。在交變應力作用下，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。③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（淬火溫度過高導致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠）等，當受到過大的沖擊載荷時，會突然發(fā)生脆性斷裂。④在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧易產(chǎn)生應力腐蝕斷裂失效。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)蠕變和應力松弛，產(chǎn)生永久變形。

（1）高的彈性極限和高的屈強比。彈性極限越大，屈強比越高，彈簧可承受的應力越高。3．彈簧類零件材料的性能要求

（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，以保證在腐蝕性介質(zhì)和高溫條件下的使用性能。

彈簧種類很多，載荷大小相差懸殊，使用條件和環(huán)境也各不相同。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。4．彈簧類零件材料的選用依據(jù)

測力彈簧、柱塞彈簧、一般機器上的螺旋彈簧、小型機械的彈簧選用65，70等碳素彈簧鋼制造。

小尺寸各種扁或圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條、離合器簧片、剎車彈簧等用65Mn彈簧鋼制造。

汽車、拖拉機、機車上的減振板簧和螺旋彈簧、氣缸安全彈簧、轉(zhuǎn)向架彈簧，以及要求較高應力的彈簧、低于230℃條件下使用的彈簧，用65Mn，60Si2Mn，50CrMn等彈簧鋼制造。

氣門彈簧、噴油嘴簧、氣缸漲圈、安全閥彈簧、密封裝置彈簧、210℃條件下工作的彈簧，用50CrV制造。

不銹鋼也可用來制造彈簧，06Cr19Ni10，12Cr18Ni9等，一般通過冷軋（拔）加工成帶材或絲材，制造在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧。黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅具有良好的導電性、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。

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。四、刃具的選材

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力。某些刃具（如鉆頭、鉸刀）還會受到較大的扭轉(zhuǎn)應力作用。1．刃具的工作條件

②刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500～600℃。

③機用刃具往往承受較大的沖擊與振動。①磨損。由于摩擦，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，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。2．刃具的失效形式

②斷裂。刃具在沖擊力及振動的作用下折斷或崩刃。③刃部軟化。由于