零部件失效与选材

第十三章零部件的失效与选材

第一节零部件的失效

一、失效概念

所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。

二、失效形式

零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损伤失效(surface damage failure)及材料老化失效(materials ageing failure)等。

1、变形失效

⑴弹性变形失效

一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。

⑵塑性变形失效

零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。

2、断裂失效

断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种：

⑴韧性断裂(toughness fracture)失效

材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。

图13-1 韧窝断口

⑵脆性断裂(brittle fracture)失效

材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形

很小（<2~5%）的断裂称为脆性断裂。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。

①疲劳断裂(fatigue fracture)失效

零部件在交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下发生的突然脆断，称为疲劳断裂。由于疲劳断裂是在低应力、无先兆情况下发生的，因而具有很大的危险性和破坏性。据统计，80%以上的断裂失效属于疲劳断裂。疲劳断裂最明显的特征是断口上的疲劳裂纹扩展区比较平滑，并通常存在疲劳休止线或疲劳纹

疲劳断裂的断裂源多发生在零部件表面的缺陷或应力集中部位。提高零部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。

②低应力脆性断裂失效

石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标一断裂韧性（K1C）来衡量，以确保安全。

低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的主要特征是其断口上存在河流花样（见图13-2），它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成的。沿晶断裂的断口呈冰糖状（见图13-3）。

图13-2 解理断口

图13-3 沿晶断口

3、表面损伤失效

由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。

⑴磨损(wear)失效

磨损失效是工程上量大面广的一种失效形式。任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。例如轴与轴承，齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦付在服役时表面产生的损伤。

工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小的分布；选择合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工质量；改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。提高材料耐磨性的主要途径是进行表面强化，表13-1列出了表面强化工艺方法的分类及特点。

⑵腐蚀(corrosion)失效

由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层，采用电化学保护及采用缓蚀剂等可有效提高材料的抗腐蚀能力。

表13-1 表面强化方法的分类和特点

⑶表面疲劳失效

表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。

4、材料的老化

高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。

一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用。但是，各种失效因素相互交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。

三、失效原因

造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。

1、设计不合理

零部件设计不合理主要表现在零部件尺寸和结构设计上，例如过渡园角太小，尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够；或对环境的恶劣程度估计不足，忽略和低估了温度、介质等因素的影响等，造成零部件过早失效。

2、选材错误

选材所依据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求，错误地选择了材料。另外，材料的治金质量太差，如存在夹杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的发源地。

3、加工工艺不当

零部件在加工或成形过程中，由于采用的工艺不当而产生的各种质量缺陷。例如较深的切削刀痕、磨削裂纹等，都可能成为引发零部件失效的危险源。零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等，都是产生失效的重要原因。

4、装配使用不当

在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效。

四、失效分析

由于零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈来愈受到重视。通过失效分析，找出失效原因和预防措施，可改进产品结构，提高产品质量，发现管理上的漏洞，提高管理水平，从而提高经济效益和社会效益。失效分析的成果也常是新产品开发的前提，并能推动材料科学理论的发展。失效分析是一个涉及面很广的交叉学科。掌握了正确的失效分析方法，才能找到真正合乎实际的失效原因，提出补救和预防措施。

1、失效分析的一般程序

⑴收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。

⑵调查零部件的服役条件和失效过程。

⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。

⑷试验研究：

①材料成分分析及宏观与微观组织分析。检查材料成分是否附合标准，组织是否正常（包括晶粒度，缺陷，非金属夹杂物，相的形态、大小、数量、分布，裂纹及腐蚀情况等）。②宏观和微观的断口分析，确定裂纹源及断裂形式（脆性断裂还是韧性断裂，穿晶断裂还是沿晶断裂，疲劳断裂还是非疲劳断裂等）。

③力学性能分析。测定与失效形式有关的各项力学性能指标。

④零部件受力及环境条件分析。分析零部件在装配和使用中所承受的正常应力与非正常应力，是否超温运行，是否与腐蚀性介质接触等。

⑤模拟试验。对一些重大失效事故，在可能和必要的情况下，应作模拟试验，以验证经上述分析后得出的结论。

⑸综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进

措施，写出分析报告。

2、失效分析实例

⑴锅炉给水泵轴的断裂分析

某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小

时便先后发生断轴事故，严重地影响了工厂的正常试车和投产。泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图13-4为泵轴的断口照片。

图13-4 锅炉给水泵轴的断口

成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%）达到0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂区为较小的椭圆形区域，并且偏心。断口边缘存在许多撕裂台阶，为多源断裂。结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。根据这一分析结论，国外厂商对化肥厂进行了赔付。

⑵合成气压缩机提板阀杆断裂分析

某大型合成氨厂合成气压缩机提板阀杆多次在开车后3~5天内断裂，严重影响正常生产，造成巨大经济损失。该压缩机是按进口机仿制的。阀杆材质为Cr11MoV，成分符合国标，组织基本正常（回火索氏体），工作介质为蒸汽。

阀杆断口存在疲劳纹，裂纹源位于阀杆一侧边缘，最终瞬断区占断面绝大部分面积，为高载荷小应力集中的弯曲疲劳断裂。断裂发生于阀杆的上罗纹处（用以将阀杆固定在阀板上），在断口附近的罗纹根部与同侧下罗纹的根部发现了大量裂纹，这些裂纹平直，短而粗，尖端较钝，分支少而小，并成群出现，裂纹内充满腐蚀产物，为典型腐蚀疲劳裂纹。根据裂纹出现位置和紧固螺母与垫片之间磨痕轻重程度发现，阀杆与阀板孔偏心，使阀杆受到弯矩作用。结论：阀杆断裂为高载荷小应力集中弯曲腐蚀疲劳断裂，加工与装配不合理引起的弯曲应力是阀杆断裂的主要原因。建议适当扩大阀板孔，消除导致阀杆弯曲的因素。经改进后再未发生阀杆断裂事故。

⑶气化炉氧管线内壁裂纹分析

某化工厂进口装置气化炉的氧管线因多次泄漏影响生产而被换下，将氧管剖开后，发现其内壁存在大量裂纹，如图13-5(a)所示。氧管内通有314℃、105大气压的饱和蒸汽和150℃、100大气压纯氧的混合气体。这些裂纹的存在会严重威胁人身生命和装置的安全。

氧管材质为进口TP321钢（1Cr19Ni11Ti），外径为114.3mm，壁厚为8.56mm。其成分符合ASTM标准，组织正常，无明显塑性变形。显微观察发现，裂纹起源于内壁并穿晶向外壁扩展，裂纹分支很多，尖端尖锐且存在腐蚀产物，其在径向上的形态为枯树枝状（见图13-5(b)），这些都是应力腐蚀裂纹的典型特征。应力腐蚀严重部位裂纹的径向长度已超过6mm，即壁厚的70%。

氧管所受应力来自于内压，经计算，管内壁周向拉应力达63MPa。腐蚀来自于饱和蒸汽中的氯离子。尽管蒸汽用水中氯离子浓度不超过1ppm，但314℃的饱和蒸汽遇到150℃纯氧后会部分凝结于管壁，并在管壁缺陷处（如腐蚀坑）使氯离子浓缩。结论：氧管内壁损伤是应力腐蚀开裂，开裂原因是由于选材不当造成的。

(a) 着色后内壁裂纹(b) 径向裂纹50×

图13-5 氧管内壁裂纹

⑷乙烯裂解管内壁局部腐蚀分析

某大型石化厂的关键部件乙烯裂解管发生内壁减薄，严重威胁工厂正常安全生产。裂解管材质为HK40（ZG4Cr25Ni20）钢，外径为73mm，壁厚为7.5mm，管内介质为煤柴油和水蒸气，介质温度为800~900℃，压力为0.17~0.25MPa，介质中硫含量较高（0.6~1.0%）。裂解管材料成分、组织正常。

图13-6 裂解管内壁的高温腐蚀减薄

裂解管因内壁局部高温腐蚀而减薄，减薄量达60%（最薄处壁厚仅为3 mm），如图13-6所示。减薄处覆盖较厚的腐蚀产物，经X-射线衍射分析，腐蚀产物为铁、铬、镍的氧化物和硫化物。基体附近腐蚀产物中元素分布的电子探针分析结果表明（见图13-7），腐蚀产物在靠近基体处分层，在腐蚀产物与基体的交界处及枝晶间腐蚀产物中，铬、硫含量很高，特别是在枝晶间腐蚀的前沿则全部是铬的硫化物。枝晶间腐蚀深度的约三分之一向外，腐蚀产物中开始有氧出现。在从交界处向外的整个腐蚀层中，氧含量很高，而硫含量很低。结论：裂解管减薄是由于高温下内壁的硫化和氧化腐蚀造成的，硫化腐蚀是引起减薄的主要原因。其腐蚀机理是在管内壁浓缩的硫穿过被破坏的Cr2O3氧化膜进入合金中，并首先与铬形成铬的硫化物（铬与硫的结合力比铁、镍强）。硫化物一旦形成，便存在着被优先氧化的倾向，氧扩散进入贫铬区，

(a) 二次电子像(b) 铬的面分布

(c) 硫的面分布(d) 氧的面分布

图13-7 合金基体附近腐蚀产物中元素的面分布

与硫化物发生置换反应：2Cr X S+3XO=XCr2O3+2S，在合金内部形成Cr2O3。由于硫在金属中的扩散速度比氧大，被置换出的硫进一步向内扩散，在合金深处的富铬相如铬的碳化物处形成新的硫化物，这种硫化和氧化反应是反复交替进行的。所形成的腐蚀产物与基体之间会形成低熔点共晶体，当共晶体温度低于使用温度时，共晶体便会发生熔融。由于硫和氧通过液体的扩散比固体快，从而使合金的腐蚀加速。

采用低硫原料气或耐硫腐蚀裂解管材料可有效防止高温硫化腐蚀破坏。

第二节零部件的选材

在掌握各种工程材料性能的基础上，正确、合理地选择和使用材料是从事工程构件和机械零件设计与制造的工程技术人员一项重要的任务。

一、选材的基本原则

选材的基本原则是所选材料的使用性能应能满足零部件使用要求，经久耐用，易于加工，成本低，即从材料的使用性能、工艺性能和经济性三个方面进行考虑。

1、使用性能原则

使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。使用性能是指零部件在工作过程中应

具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。对于机械零件，最重要的使用性能是力学性能，对零部件力学性能的要求，一般是在分析零部件的工作条件（温度、受力状态、环境介质等）和失效形式的基础上提出来的。根据使用性能选材的步骤如下：①分析零部件的工作条件，确定使用性能

零部件的工作条件是复杂的。工作条件分析包括受力状态（拉、压、弯、剪切）、载荷性质（静载、动载、交变载荷）、载荷大小及分布、工作温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑剂、海水、酸、碱、盐等）、对零部件的特殊性能要求（电、磁、热）等。在对工作条件进行全面分析的基础上确定零部件的使用性能。

②分析零部件的失效原因，确定主要使用性能

对零部件使用性能的要求，往往是多项的。例如传动轴，要求其具有高的疲劳强度、韧性和轴颈的耐磨性。因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确确定出零部件所必需的主要使用性能。例如，曲轴在工作时承受冲击、交变等载荷作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要使用性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。表13-2列出了几种常见零部件的工作条件、失效形式及对性能的要求。

表13-2 几种常用零部件的工作条件及对性能要求

③将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求

有了对零部件使用性能的要求，还不能马上进行选材。还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性能要求指标化和量化。例如“高硬度”这一使用性能要求，需转化为“>60HRC”或“62~65HRC”等。这是选材最关键、最困难的一步。需根据零部件的尺寸及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确定性能指标的具体数值。

④材料的预选

根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。对用预选材料设计的零部件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低、以最优方案的材料作为所选定的材料。

2、工艺性能原则

材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。因此在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、生产效率和成本。当工艺性能与使用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合格的材料不得不被放弃，成为选择材料的主导因素。工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。

金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括介绍如下：

⑴金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。主要是切削加工性能、材料的成型性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。

铸造性能主要指流动性、收缩性、热裂倾向性、偏折和吸气性等。接近共晶成分合金的铸造性能最好。铸铁、硅铝明等一般都接近共晶成分。铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。

锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力以及可热压力加工的温度范围，抗氧化性和对加热、冷却的要求等。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低合金钢的锻造性接近中碳钢。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。形变铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。

切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来衡量。材料硬度在160~230HB范围内时，切削加工性能好。硬度太高，则切削抗力大，刃具磨损严重，切削加工性下降。硬度太低，则不易断屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳钢具有球状碳化物组织时，其切削加工性优于层片状组织。马氏体和奥氏体的切削加工性差。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）切削加工性也差。

焊接性能是指金属接受焊接的能力。一般以焊接接头形成冷裂或热裂以及气孔等缺陷的倾向大小来衡量。含碳量大于0.45%的碳钢和含碳量大于0.38%的合金钢，其焊接性能较差，碳含量和合金元素含量越高、焊接性能越差，铸铁则很难焊接。铝合金和铜合金，由于易吸气、散热快，其焊接性比碳钢差。

热处理工艺性能主要指淬透性、变形开裂倾向及氧化、脱碳倾向等。钢和铝合金、钛合金都可以进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能优于碳钢。形状复杂或尺寸大、承载高的重要零部件要用合金钢制作。碳钢含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选渗碳用钢时，要注意钢的过热敏感性；选调质钢时，要注意钢的高温回火脆性；选弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。

⑵高分子材料工艺性能

高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。

⑶陶瓷材料的工艺性能

陶瓷材料的加工工艺路线为：备料→成形加工（配料、压制、烧结）→磨加工→装配。陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨加工外，几乎不能进行任何切削加工。

3、经济性原则

选材的经济性原则是在满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的总成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本、减少运输、实验研究费用。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不应选用合金钢。在满足使用要求的条件下，可以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本、简化加工工艺。例如用球墨铸铁代替锻钢制造中、低速柴油机曲轴、铣床主轴，其经济效益非常显著。对于要求表面性能高的零部件，可选用低廉的钢种进行表面强化处理来达到要求。

当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最便宜的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。例如，一些能影响整体生产装置中的关键零部件，如果选用便宜材料制造，则需经常更换，其换件时停车所造成的损失可能大得多，这时选用性能好、价格高的材料，其总成本仍可能是最低的。

二、典型零部件选材及工艺分析

金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。

㈠齿轮类零件的选材

齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。

1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。

⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。

⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。

⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。

2、典型齿轮的选材

⑴机床齿轮

机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。

机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达52~58HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。

正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为33~48HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。

⑵汽车、拖拉机齿轮

汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。

①m n—法向模数；② m s—端面模数

与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达58~62HRC，心部硬度为

35~45HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约2~3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。

㈡轴类零部件的选材

轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。

1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。

⑴轴的工作条件：①传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。②轴颈承受较大的磨擦。③承受一定的过载或冲击载荷。

⑵轴的主要失效形式：①疲劳断裂由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。②断裂失效由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。③磨损失效轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。

⑶对轴用材料的性能要求：①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。

2、典型轴的选材

对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。

⑴机床主轴

图13-8为C620车床主轴简图。该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高，冲击载荷也不大。轴颈和锥孔处有磨擦。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220~250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46~54HRC。其工艺路

图13-8 C620车床主轴简图

线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配。正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火

+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。

资料来源：合金刚手册下册第三分册，治金工业出版,1979年版。

⑵汽轮机主轴

汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。汽轮机主轴的主要失效方式是蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、

疲劳断裂或应力腐蚀开裂。因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500℃以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同，所选用的材料也不同。对于工作在450℃以下的材料，可不必考虑高温强度，如果汽轮机功率较小（<12000kW），且主轴尺寸较小，可选用45钢，如果汽轮机功率较大（>12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于工作在500℃以上的主轴，由于汽轮机功率大（>125000kW），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV（<540℃）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）制造。

气轮机主轴的工艺路线为：备料→锻造→第一次正火→去氢处理→第二次正火→高温回火→机械加工→成品。第一次正火可消除锻造内应力；去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散出去，防止产生白点；第二次正火是为了细化组织，提高高温强度；高温回火是为了消除正火产生的内应力，使合金元素分布更趋合理（V、Ti充分进入碳化物，Mo充分溶入铁素体），从而进一步提高高温强度。

⑶内燃机曲轴

曲轴是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢（例如42CrMo等）。内燃机曲轴的工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→磨削→装配。各热处理工序的作用与机床主轴的相同。

近年来常采用球墨铸铁代替45钢制作曲轴，其工艺路线为：备料→熔炼→铸造→正火→高温回火→机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→装配。铸造质量是球墨铸铁的关键，首先要保证铸铁的球化良好、无铸造缺陷，然后再经风冷正火，以增加组织中的珠光体含量并细化珠光体，提高其强度，硬度和耐磨性，高温回火的目的是消除正火所造成的内应力。㈢汽轮机叶片的选材

叶片是汽轮机的关键部件，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。

1、叶片的工作条件、失效方式及性能要求

⑴叶片的工作条件：①受蒸汽或燃气弯矩的作用；②承受中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高温燃气的氧化和腐蚀；③受湿蒸汽中的水滴或燃气中的杂质磨损；④气流作用的频率与叶片自振频率相等时产生的共振力的作用。

⑵叶片的失效方式：叶片的失效方式为蠕变变形、断裂（包括振动疲劳断裂、应力腐蚀开裂、蠕变疲劳断裂及热疲劳开裂）和表面损伤（包括氧化、电化学腐蚀和磨损）。

⑶对叶片的性能要求：①高的室温和高温强度、塑性及韧性，以防止蠕变变形和疲劳断裂；

②高的化学稳定性，以防止氧化、腐蚀及应力腐蚀开裂；③导热性好，热膨胀系数小，以防止热疲劳破坏；④耐磨性好，以防止冲刷磨损和机械磨损；⑤减振性好，以防止共振疲劳破坏；⑥良好的冷、热加工性能，以利于叶片成型、提高生产效率。

2、叶片的选材及热处理

叶片材料的选择主要取决于工作温度。对于中、低压汽轮机，叶片工作温度不高

（<500℃），其失效的主要方式不是蠕变，而是共振疲劳和应力腐蚀开裂，因此，除在结构设计上避免共振外，应选用减振性能好的1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢。对于工作于过热蒸汽中的前级叶片，虽温度较高（450~475℃），但腐蚀不明显，可采用低合金钢20CrMo 进行氮化、镀硬铬或堆焊硬质合金。汽轮机后级叶片的工艺路线为：备料→模锻→退火→机械加工→调质→热整形→去应力退火→机械加工叶片根→镀硬铬→抛光→磁粉探伤→成品。退火是为了消除锻造应力，细化组织，改善切削加工性能，为调质作组织准备；调质是为了使叶片获得良好的综合力学性能和高温强度；热整形可提高叶片精度，校正热处理变形；去应力退火是为了消除热整形内应力；镀硬铬是为了提高抗氧化和耐蚀性。

对于高压汽轮机，叶片工作温度高于500℃，蠕变破坏是其失效的主要方式，1Cr13钢已不能满足热强性要求，应选用奥氏体耐热钢1Cr18Ni9Ti。工作温度低于600℃的高压汽轮

机叶片也可选用马氏体耐热钢5Cr11MoV、15Cr12WMoV、15Cr12WMoVNbB、

18Cr12WMoVNb。

对于燃气轮机叶片，因工作温度更高，其主要失效方式为蠕变和热疲劳破坏。当叶片工作温度低于650℃时，可选用奥氏体耐热钢1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRE。在

700~750℃时，选用Cr14Ni40MoWTiAl或铁基高温合金。高于750℃，可选用镍基耐热合金Ni80Cr20或镍基高温合金。近年来，镍基高温合金的精密铸造、精密模锻、爆炸成形等新工艺已应用于燃气轮机叶片，TaC及NbC纤维增强镍基合金复合材料、SiC及Si3N4等新型陶瓷材料应用于燃气轮机叶片的研究也正在进行中。

三、典型设备及装置的选材

㈠泵的选材

泵是用来输送液体或液气、液固两相介质的一种流体机械。

1、泵选材应考虑的因素：①被输送介质的腐蚀性；②被输送介质的温度；③泵的工作压力；

④被输送介质中固体颗粒的磨蚀作用；⑤各零部件材料的膨胀系数及相互咬合性能；⑥材料的价格及获得。

2、动力式泵主要零部件的选材

⑴叶轮一般用铸铁，有时用铸钢、青铜、铝合金、玻璃钢、15Cr和1Cr18Ni9等。如仅从叶轮外径的圆周速度大小及强度考虑，可按表13-6选取。

表13-6 叶轮材料的选取

⑵泵壳泵壳是承压零部件，在2.5~3.0MPa下一般使用铸铁，高于此压力使用铸钢。

⑶泵轴一般使用碳钢，当需要较高强度时，使用高强度合金钢。为防止轴生锈，选用2Cr13或3Cr13。对于腐蚀性介质，选用1Cr18Ni9、Cr17Ni2等不锈钢。

表13-7给出了离心式泵主要零部件的选材。

㈡化工机械的选材

化工机械是现代化工生产必不可少的设备，是化工生产正常进行和发展的保证。化工机械的工作条件复杂，适用范围广，生产工艺连续性强，标准化、系列化和通用性程度高，地位重要，稍有不慎而发生的破坏性事故将会严重危及人身生命和设备安全。

由于化工机械输送和分离的介质不同，工作条件不同，在材料选择上则有着不同的特点。因此，化工机械主要零部件材料要依据其用途、结构型式、介质的性质和工作特点来进行选用，同时还应符合国家及有关部门颁布的标准、规定、规范、技术条件和相关技术文件。

化工机械的选材应注意以下几方面：

①全面考虑机器的用途、结构型式、工作特点、介质性质、材料的使用性能、工艺性

能和经济合理性等；

②所选材料的化学成分、金相组织、力学性能、物理性能、热处理和焊接方法应符合

有关标准；

③对输送和分离易燃易爆、有毒及强化学腐蚀介质的设备，选材应尤其慎重，应严格

执行有关标准；

④化工机械及附属压力容器所用材料与匹配的焊接材料应遵照有关标准、规定执行。

表13-8、表13-9、表13-10分别为往复活塞式压缩机、汽轮机、离心机主要零部件的推荐用材。

表13-8 往复活塞式压缩机主要零部件的选材

表13-9 汽轮机主要零部件的选材表13-10 离心机主要零部件的选材

机械设计与选材

第10章机械设计与选材本章学习要求 1. 了解机械零件的失效和失效的形式； 2 掌握选材的原则和分析方法； 3. 学会常用机械零件选材。 本章学习重点 ?选材的原则； ?常用机械零件选材和工艺路线。 学习方法指导 选材的动机： ?首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； ?现有产品的改进和更新换代； ?零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 第1节机械零件的失效分析●失效的概念 当零件由于某种原因丧失预定的功能时，即它发生了失效。 ①零件完全破坏，不能继续工作； ②严重损伤，继续工作不安全； ③虽能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。 ●失效的形式

第2节选材的依据和基本原则 ①从材料使用性能的角度出发，选用的材料必须保证零件在使用过程中具有良 好的工作能力； ②根据材料工艺性能的要求，必须保证零件便于加工制造； ③从经济性角度考虑，必须保证零件的总成本最低。 ④环境与资源原则 ●使用性能与选材----首要原则 使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。 ?分析零件的工作条件 首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的应力分布。 i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 i i计算应力是确定材料使用性能的数量依据。 考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提出更为复杂的性能要求。

环境状况 温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。 特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。 ?零件性能要求的指标化 将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。 ●选材与材料工艺性能的关系 材料的工艺性能主要包括冷加工性能如冷变形加工和切削加工性能，热加工性能如铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能等。 ?尽量选用工艺简单的材料 ?选材材质与其工艺性要求 ?各工序工艺之间的相互联系和结合 金属零件的加工工艺路线图 性能、质量要求不高的零件 毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火十回火， 固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存 在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。

典型零件的选材

材料选用的原则与方法 机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质和大小，以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。 选用工程材料的基本原则是：不仅要充分考虑材料的使用性能能够适应机械零件的工作条件要求、使机器零件经久耐用．同时还要兼顾材料的加工工艺性能、经济性与可持续发展性，以便提高零件的生产率、降低成本、减少能耗、减少乃至避免环境污染等。 选材的一般方法 材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。一般，根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。 零件材料的合理选择通常按照以下步骤进行： (1) 对零件的工作条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要性能指标。一般地，主要考虑力学性能，特殊情况还应考虑物理、化学性能。 (2) 调查研究同类零件的用材情况，并从其使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考。 (3) 根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。这时要综合考虑所选材料应满足失效抗力指标和工艺性的要求，同时还需考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。 (4) 决定热处理方法或其他强化方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。 (5) 审核所选材料的经济性，包括材料费、加工费、使用寿命等。 (6) 关键零件投产前应对所选材料进行试验，可通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验等，最终确定合理的选材方案。 (7) 最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。 典型零件的选材 轴类零件的选材 轴是机器中的重要零件之一，一切回转运动的零件都装在轴上。根据轴的作用与所承受的载荷，可分成心轴和转轴两类。心轴只承受弯矩不传递扭矩，心轴可以转动，也可以不转动。转轴按负荷情况有

机械零件材料的选用原则

机械零件材料的选用原则 及典型零件的选材与热处理 一、机械零件选材原则 ①使用性能原则 ②工艺性能原则 a.铸造性能 b.压力加工性能 c.焊接性能 d.切削加工性能 ③经济性原则 二、典型零件的选材及热处理 1、齿轮 齿轮的选材及工艺分析： ①机床齿轮 材料：调质钢如45、40Cr、40MnB等，合金钢的淬透性更好。 工艺路线：备料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械精加工→齿部高频表面淬火+低温回火→精磨该工艺路线中热处理工序的作用是： 正火：可消除锻造应力，使同批毛坯具有相同的硬度（便于切削加工），并使组织细化、均匀； 调质：提高齿轮心部的综合力学性能，以承受交变弯曲应力和冲击载荷，还可减少高频淬火变形； 齿部高频表面淬火：提高齿面硬度、耐磨性和抗疲劳点蚀的能力； 低温回火：消除淬火应力，提高抗冲击能力，并可防止产生磨削裂纹。 ②汽车、拖拉机齿轮 材料：一般用合金渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi、20MnVB等。 工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗加工→渗碳+淬火+低温回火→磨削加工 该工艺路线中热处理工序的作用是： 正火：细化均匀组织，消除锻造应力，改善切削加工性； 渗碳：提高齿轮表面含碳量（0.8%～1.05%）； 淬火：获得一定深度的淬硬层（0.8～1.3mm），提高齿面耐磨性和接触疲劳强度； 低温回火：消除淬火应力，防止磨削裂纹，提高冲击抗力。 2、轴类零件 ①机床主轴 材料：载荷和转速不高时选45钢；承受较大载荷的车床主轴选40Cr；等。 工艺路线：备料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械精加工→轴颈部位表面淬火+低温回火→磨削该工艺路线中热处理工序的作用是： 正火：消除锻造应力，调整硬度便于切削加工，改善锻造组织，为调质做准备。 调质：获得高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。 轴颈部位表面淬火+低温回火：使轴颈部位获得高硬度和高耐磨性。

零部件的失效与选材(参考模板)

第十三章零部件的失效与选材 第一节零部件的失效 一、失效概念 所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。 二、失效形式 零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损伤失效(surface damage failure)及材料老化失效(materials ageing failure)等。 1、变形失效 ⑴ 弹性变形失效 一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。 ⑵ 塑性变形失效 零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。 2、断裂失效 断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种： ⑴ 韧性断裂(toughness fracture)失效 材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。 图13-1 韧窝断口

金属零件选材的一般原则

金属零件选材的一般原则： 在机器制造工业中，无论是开发新产品或是更新老产品，在设计和制造机械零件的过程中,除了标准零件可由设计者查阅手册选用外,大都要考虑如何合理地选用材料这个重要问题。实践证明，影晌产品的质量和生产成本的因素很多,其中材料的选用是否恰当,往往起到关键的作用。 从机械零件设计和制造的一般程序来看,先是按照零件工作条件的要求来选择材料,然后根据所选材料的机械性能和工艺性能来确定零件的结构形状和尺寸。在着手制造零件时,也要按所用的材料来制订加工工艺方案。比如选用的材料是铸铁,就只能用铸造方法去生产了。机械零件选材时,主要是考虑零件的工作条件、材料的工艺性能和产品的成本。现将有关 选材的一些基本原则分述如下: (1)选用的材料要满足零件工作条件的要求 零件的工作条件是各种各样的,例如受力状态就有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等;载荷性质也有静载、冲击、交变的不同;工作温度则有室温、高温、低温之分;环境介质亦有酸的、碱的、海水以及使用润滑剂等的不同。从上列的工作条件来看,受力状态和载荷性质是反映机械性能的;工作温度和环境介质则属使用环境的材料的机械性能指标也是各种各样的。如屈服极限、强度极限、疲劳极限等是反映材料强度的指标;延伸率、断面收缩率等是反映材料塑性的指标;冲击韧性、断裂韧性等则是反映材料韧性的指标。、 由于选材的基本出发点是要满足零件的强度要求,所以各种强度指标通常都直接用于零件断面尺寸的设计计算。而δ、ψ、αk、Κ10等则一般不直接用于设计计算。有时为了保证零件的安全,才用它们作间接的强度校核,以确定所选材料的强度、塑性和韧性等是否配合适当。至于材料的硬度指标,虽可对强度性能作出一定量的估计,也不用于零件的设计计算。但测量硬度比较简便,在生产中是应用很多的。 至于使用环境的情况,在选材时也是必须考虑的。例如:在高温下工作的零件,可选用耐 热钢;要求耐腐蚀的,可用奥氏体不锈钢;要求耐磨的,可用硬质合金;要求高硬度的,可用工具钢;等等。 ⑵材料的工艺性能也是选材的重要依据之一 因为零件的生产方法不同,将直接影响其质量和生产成本。 金属材料的基本加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工和热处理等。 ⑶选材时必须十分重视材料的经济性 所选材料既要价廉质优,又要尽量选用国产材料。一般而言,铸铁能满是要求就不用铸钢了;碳素钢能满足要求就不用合金钢了。例如有些曲轴和连杆,选用球墨铸铁代替锻钢去生产,就减少了切削加工量,降低了成本。 在选材时必须重视材料的经济性,不仅要考虑材料本身的价格和制造零件所需的一切费用,还要考虑材料的功能。根据价值工程的原理:价值=功能/成本。用它计算出的结果进行比较,价值就不单是材料本身的价格了,还有材料的功能和使用寿命等含义,所以能够比较全面地反映选材的经济性。例如:要制造一个耐腐蚀的容器,有三个选材方案,一是用普通碳素钢,制造成本为5000元,可使用1年;二是用奥氏体耐酸不锈钢,制造成本为40000元,可用10年;三是用铁素体不锈钢,制造成本为15000元,可用6年。根据价值工程原理算出一、二、三方案的价值系数是1:1.25:2,可见第三选材方案的经济性更好些。

零部件的失效与选材

第十三章零部件的失效与选材 一、名词解释 失效、磨损失效、腐蚀失效、表面疲劳失效 二、填空题 1.零部件失效的形式有______、______、______ 和______ 等。 2.造成零部件失效的原因主要有______、______、______ 及______ 等。 3.零部件选材的基本原则是______、______ 和______ 。 4.表面损伤失效主要包括_______ 、_______ 、_______ 。 5.断裂失效包括_______ 、_______。 三、选择题 1.现有下列材料 Q235-A·F、42CrMo、65、H68、T8、W18Cr4V、ZG45、HT200、LD2、60Si2Mn、20CrMnTi 请按用途选材： ①机床床身（）； ②汽车板弹簧（）； ③承受重载、大冲击载荷的机车动力传动齿轮（）； ④高速切削刀具（）； ⑤大功率柴油机曲轴（大截面、传动大扭矩、大冲击、轴颈处要耐磨）（）； 2.高精度磨床主轴用38CrMoAl制造，请在其加工工艺路线上，填入相应热处理工艺名称： 锻造→（）→粗机加工→（）→精机加工→（）→粗磨加工→（）→精磨加工 A．调质B．氮化C．消除应力 D.退火 3.机械零部件约80% 以上的断裂失效是（）。 A．疲劳引起的B．磨损引起的C．超载引起的 D.蠕变引起的 4.一耐酸泵轴发生疲劳断裂，金相检验发现夹杂物严重超标，泵轴的断裂原因是（）。 A．选材不合理B．材料不合格C．设计不合理 D.使用不当 四、简答题

1.为什么要进行失效分析？概述失效分析的一般程序。 2.简述防止零件失效的主要措施。2. 选用材料一般应注意哪些基本原则？并简述它们之间的关系。 3.下列发动机零件在选材时应考虑哪些问题？选择哪些材料较适宜。 1 ）活塞； 2 ）曲轴； 3 ）排气阀； 4 ）气门弹簧； 5 ）滑动轴承 4.某工厂用T10 钢制造钻头，给一批铸件钻10mm 的深孔，但钻几个孔后钻头即很快磨损。据检验，钻头的材质、热处理、金相组织和硬度都合格，问失效原因和解决方案。 5.用20CrMnTi钢制造汽车齿轮，加工工艺路线为： 下料——锻造——正火——切削加工——渗碳、淬火及低温回火——喷丸——磨削加工，分析渗碳、淬火及低温回火及喷丸处理的目的。

材料的一般选材原则

塑料选材原则 一.国外选用的材料特点 1.金属材料 1.1抗拉强度较国内窄很多,故金属零件的冲压毛刺较稳定,尺寸也稳定. 1.2 厚度均匀而且偏差很小 1.3 符合环保 2.塑料材料 2.1 阻燃材料红磷稳定,不易出现磷挥发 2.2 机械电气性能稳定 2.3 阻燃效果明显 2.4 环保 二.选材特点 1.应用场所—静态载荷还是动态载荷 2.承受重量大小 3.密度 4.耐温要求 5.绝缘性能要求 6.导电性能 7.尺寸稳定性要求 8.抗冲击性能要求 三.典型材料的供应商 1.金属材料 国外—维兰德等 国内---中铝铜业等 2.合金材料 2.1 银合金---优美科/大都克/美泰乐 2.2 电阻合金—松森 3.塑料材料 3.1 国外—BASF/杜邦/DSM/罗地亚 3.2 国内—金发/耐特 四.常用的典型材料 1.金属材料—DC01/T2 2.塑料材料---PA/PBT/PC/ABS/POM/PEI/PESU/BMC/SMC/DMC 3.合金材料—AGSNO2/AgNi/CuNi 五．结构设计 1．提高耐磨性的结构设计 1.1 避免相同材料配成滑动摩擦副 1.2避免白合金耐磨层厚度太大 1.3避免为提高零件表面耐磨性能而提高对整个零件的要求

1.4避免大零件局部磨损而导致整个零件报废 1.5用白合金作轴承衬时，应注意轴瓦材料的选择和轴瓦结构设计1.6润滑剂供应充分，布满工作面 1.7润滑油箱不能太小 1.8勿使过滤器滤掉润滑剂中的添加剂 1.9滑动轴承的油沟尺寸、位置、形状应合理 1.10滚动轴承中加入润滑脂量不宜过多 1.11对于零件的易磨损表面增加一定的磨损裕量 1.12注意零件磨损后的调整 1.13同一接触面上各点之间的速度、压力差应该小 1.14采用防尘装置防止磨粒磨损 1.15避免形成阶梯磨损 1.16滑动轴承不能用接触式油封 1.17对易磨损部分应予以保护 1.18对易磨损件可以采用自动补偿磨损的结构

机械零件的常用材料及选用原则

机械零件的常用材料及 选用原则 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）

一. 机械零件常用材料: 机械零件常用材料主要有黑色金属﹑有色金属﹑非金属材料和各种复合材料四大类.其中以黑色金属中的钢﹑铸铁,及有色金属中的铜合金﹑铝合金最为常用,其次是非金属材料中的高分子材料﹑陶瓷材料和复合材料.有关知识在金属工艺学及工程材料学等,分别介绍. 二. 机械零件材料的选用原则: 在机械设计中合理地选择材料是一个很重要的问题.选择零件的材料主要应考虑三方面的问题,即使用要求﹑工艺要求和经济性要求. 1.使用要求:满足使用要求是选择零件材料的最基本原则.使用要求一般包括:(1)零件的工作和受载情况,(2)对零件尺寸和重要的限制,(3)零件的重要程度. 在考虑使用要求时要抓住主要问题,兼顾一切.一般地讲,减轻重量是机械设计的主要要求之一.若零件尺寸取决於强度,且尺寸和重量又受到某些限制时,应选用强度较高的材料.在滑动摩擦下工作的零件应选用减摩性能好的材料或耐磨材料.在高温下工作的零件应选用耐热材料,在腐蚀介质中工作的零件应选用耐蚀材料. 2.工艺要求:所谓工艺要求,是指所选用材料的冷﹑热加工性能好.比如同是箱体零件采用铸件还是焊接件,要看生产批量大小.大批量宜用铸件,小批量宜用焊接件.如果是铸造毛坯应选用流动性好的材料,若是焊接件应选用焊性好的材料. 选择材料还必须考虑材料热处理的工艺性. 由於一般零件都必须经切削加工,所以选择材料还要考虑其切削性能(易断屑﹑表面光滑﹑刀具磨损小等) (3).经济性要求:经济性首先体现在材料的相对价格上,在满足上述两方面选材原则基础上,应尽可能选择价格低廉的材料.其次对经济性不能只从材料价格上考虑,其加工制造费用,使用维护费用都应考虑在内.总之,经济性要综合考虑.

机械零件的选材

机械零件的选材 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

机械零件的选材 在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。 1、工程材料的强化方式： 固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。 2、工程材料的韧化途径： 细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。 一、选材的基本原则 ＊满足机件的使用性能要求 ＊较好的加工工艺性 ＊较好的经济性 1、材料的使用性能应能满足使用要求 使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。 （1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求

①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。 ②工作环境——温度、介质的性质等 ③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、外观等 失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。 （2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求 使用性能要求→可测的实验室性能指标→初选 一般根据设计手册的数据选材，应注意： ﹡材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。 ﹡材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。 ﹡材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围 只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的 手册一般给出：σs 、σb 、δ、ψ、ak 目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。

机械零件的常用材料及选用原则

机械零件的常用材料及选用原则一.机械零件常用材料: 机械零件常用材料主要有黑色金属﹑有色金属﹑非金属材料和各种复合材料四大类.其中以黑色金属中的钢﹑铸铁,及有色金属中的铜合金﹑铝合金最为常用,其次是非金属材料中的高分子材料﹑陶瓷材料和复合材料.有关知识在金属工艺学及工程材料学等,分别介绍. 二.机械零件材料的选用原则: 在机械设计中合理地选择材料是一个很重要的问题.选择零件的材料主要应考虑三方面的问题,即使用要求﹑工艺要求和经济性要求. 1.使用要求:满足使用要求是选择零件材料的最基本原则.使用要求一般包括:(1)零件的工作和受载情况,(2)对零件尺寸和重要的限制,(3)零件的重要程度. 在考虑使用要求时要抓住主要问题,兼顾一切.一般地讲,减轻重量是机械设计的主要要求之一.若零件尺寸取决於强度,且尺寸和重量又受到某些限制时,应选用强度较高的材料.在滑动摩擦下工作的零件应选用减摩性能好的材料或耐磨材料.在高温下工作的零件应选用耐热材料,在腐蚀介质中工作的零件应选用耐蚀材料. 2.工艺要求:所谓工艺要求,是指所选用材料的冷﹑热加工性能好.比如同是箱体零件采用铸件还是焊接件,要看生产批量大小.大批量宜用铸件,小批量宜用焊接件.如果是铸造毛坯应选用流动性好的材料,若是焊接件应选用焊性好的材料. 选择材料还必须考虑材料热处理的工艺性.

由於一般零件都必须经切削加工,所以选择材料还要考虑其切削性能(易断屑﹑表面光滑﹑刀具磨损小等) (3).经济性要求:经济性首先体现在材料的相对价格上,在满足上述两方面选材原则基础上,应尽可能选择价格低廉的材料.其次对经济性不能只从材料价格上考虑,其加工制造费用,使用维护费用都应考虑在内.总之,经济性要综合考虑. 几种常用材料的特性

零件材料选用的原则遵循哪些要素

零件材料选用的原则遵循哪些要素？ 1.使用性原则 材料使用性是指机械零件或构件在正常工作情况下材料应具备的性能。在进行材料选择时候，主要考虑以下因素。 a.零件的负载和工作情况 零件的负载情况主要指载荷的大小和应力状态。工作状况指零件所处的环境，如介质、工作温度和摩擦等。若零件主要满足强度要求，且尺寸和重量又有所限制时，则选用强度较高的材料；若零件的接触应力较高，如齿轮和滚动轴承，则应选用可进行表面强化的材料；在高温度下工作的零件，应选用耐热材料；在腐蚀介质中的零件，应选用耐腐蚀的材料。 需要注意，在材料的各种性能指标中，如只有屈服强度或疲劳强度等一个指标作为选择材料的依据，常常不很合理。当减轻重量也是机械设计的主要要求之一时候，则需采用综合性能指标对零件重量进行评定。如，从减轻重量出发，比强度越大越好。对于有加速运动的零件，由于惯性力与材料的密度成反比，它的重量指标是密度的倒数；由于铝合金的重量指标约为钢的两倍，因此，当有加速时候，铝合金、一些非金属材料和符合材料则是最合适的材料，所以活塞和高速带轮常用铝合金等来制造。 2.对零件尺寸和重量的限制 零件的尺寸和重量还可能影响到材料成形方法的选择。对小零件，就棒料切削加工而言可能是经济的，而大尺寸零件往往采用热加工成形；反过来，对利用各个方法成形的零件一般也有尺寸的限制，如采用熔模铸造和粉末冶金，一般仅限于几千克、十几千克重的零件。 3.对零件力学性能要求 零件的工作条件和失效形式是复杂的，所以涉及到材料的力学性能指标时要具体问题具体分析。 a.同种材料，弱采用不同工艺，则其反应性能的数值不同。例如，同种材料采用锻压成形比用锻造成形强度高；采用调质处理比用正火处理的力学性能沿截面分布更均匀。 b.由手册查到的性能数值都是削尺寸的光滑试样或标准试样，在规定载荷下测定的。实践证明，这写数据不能直接表示材料制成零件后的性能。因为实际使用的零件尺寸往往较大，尺寸增大后零件上存在缺陷的可能性增加(如孔洞、夹杂物、表面损伤等)。此外，零