金属材料与热处理第5章机械零件的选材

项目五

机械零件的选材本章内容1零件的失效分析2典型零件的选材项目概述材料选用的合理与否，不仅关系到零件的使用性能，也关系到零部件加工制造的难易程度，同时还关系到机械设备的成本和使用安全性等。因此，零件的选材是一项复杂而重要的工作，必须进行全面综合的考虑。项目目标知识目标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.了解典型零件的选材。03.掌握常见失效的分析及其选材原则。能力目标能根据零件的工作条件，分析零件可能的失效形式，并进行合理的选材。能进行零件的失效分析，并提出解决方案。任务一零件的失效分析相关知识零件在使用过程中失去设计规定的功能的现象称为失效。一般来说，当零件在使用过程中出现以下任一情况时，即认定为失效。②零件损伤后虽能使用，但已不能完成规定功能，如机床主轴因磨损而使加工精度降低，无法加工出合格产品等。①零件完全不能工作，如汽轮机在运转过程中叶片突然断裂等。③零件因损伤而不能继续安全使用，如压力容器在使用中，内部出现达到危险尺寸的裂纹等。一、失效的形式断裂失效：指零件完全断裂而无法工作的失效形式，它是零件的主要失效形式。断裂方式主要有塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等。一般零件在工作中常见的失效形式主要有以下三种。过量变形失效：指零件变形量超过允许范围而造成的失效形式，主要包括过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。表面损伤失效：指零件在工作中，因机械和化学作用，使其表面损伤而造成的失效形式，主要包括磨损失效、接触疲劳失效和腐蚀失效等。二、失效的原因零件的失效原因很多，主要应从方案设计、材料选择、加工工艺、安装使用等四方面考虑。1．设计不合理零件的结构、形状、尺寸设计不合理最容易引起失效。例如，键槽、孔的尖角处容易产生应力集中，出现裂纹。另外，对零件工作条件（如受力性质和大小、温度、环境）估计不足或判断有误、设计的安全系数过小等，均会使零件的性能满足不了工作性能要求，造成失效。2．选材不合理选用的材料性能不能满足工作条件要求，或所选材料的组织不合理、质量差，如含有过量的夹杂物、杂质元素或成分不合格等，都会造成零件的失效。零件在加工和成形过程中，因采用的工艺方法、工艺参数不合理，操作不正确等，常会引起某些缺陷，从而造成失效。3．加工工艺不当机器在安装过程中不符合技术要求，如零件之间配合过紧、过松、对中不准等；使用中不按工艺规程操作和维修，保养不及时或不善，过载使用等，均会造成失效。4．安装使用不正确三、失效分析的方法通过对零部件的失效分析，可对零件的结构设计、材料选择和加工工艺改进提供可靠的依据。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。①尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照、记录实况，确定重点分析的对象。样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的位置。

②详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图样）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。

③对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。④对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损检测，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等，全面收集各种必要的数据。⑤断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便确定失效的原因及提出改进措施。⑥综合各方面资料进行分析并做出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。在失效分析中，有两项重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时做断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源部位的性质及失效方式，这项工作最重要，因为它除了告诉我们失效的精确部位和应该在该处测定哪些数据外，同时还能对可能的失效原因作出重要指示。四、失效分析与选材通过失效分析，可以了解材料的破坏方式，并将其作为选材的重要依据。从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。各类材料的弹性模量差别相当大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高，其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属的弹性模量则要低一些。

1．弹性变形失效与选材决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度。在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力最重要的指标。在很长一段时间内，获得高强度材料是材料学家和工程师主要努力的目标。

2．塑性变形失效与选材从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但因为它们极脆，做拉伸试验时，在远未达到屈服应力时即发生脆断，因此根本不能通过拉伸试验来测定其屈服强度。由于这种材料太脆，强度高的特点发挥不出来，因此不能作为高强度结构材料。高强度合金钢的强度仅次于陶瓷，广泛地用于各种高强度结构件之中。描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性、韧脆转变温度和断裂韧度。从韧性的角度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次是合金低碳钢；铝合金韧性通常并不好，铸铁的韧性通常很低，高碳工具钢和轴承钢韧性也不好，不能用来制造韧性要求较高的结构零件。3．脆性断裂失效与选材4．疲劳断裂失效与选材疲劳寿命分为低周疲劳寿命与高周疲劳寿命两种。低周疲劳寿命是指作用于零件的应力水平较高的情况下疲劳破坏时零件所经历的应力、应变循环的次数，一般低于次；高周疲劳寿命是指作用于零件的应力水平较低的情况下疲劳破坏时零件所经历的应力、应变循环的次数，一般高于次。

一般承受高频交变载荷的构件，应选用高周疲劳寿命较高的材料，如弹簧等；承受低频交变载荷的构件，应选用低周疲劳寿命较高的材料，如抗震建筑材料。

蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料。选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力，在较低温度和较高应力下，可选用各种耐热钢及高温合金；在较高温度和较低应力下，应选用高熔点材料，如难熔金属和陶瓷材料。对金属材料还应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料，晶界也应平行于受力方向排列。5．蠕变失效与选材对于有摩擦应力的场合，应考虑表面损伤的影响。对于黏着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不属同类，而且摩擦因数应尽可能小；同时，材料的硬度要高，且最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂（如有孔隙等）。对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁。6．表面损伤失效与选材任务二典型零件的选材相关知识一、轴类零件的选材

轴是机器中的重要零件之一，主要用于支承传动零件（如齿轮、凸轮等），传递运动和动力。1．轴类零件的工作条件①轴类零件工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用，有时还承受拉压应力。②轴与轴上零件有相对运动时，相互间还会存在摩擦和磨损。④多数轴在工作过程中还会承受一定的过载载荷。③轴在高速运转过程中会产生振动，使其承受冲击载荷。

由于轴类零件的受力情况较复杂，因此其失效形式也多种多样。轴类零件的失效形式一般包括以下几点。2．轴类零件的失效形式①长期交变载荷作用导致的疲劳断裂（包括扭转疲劳断裂和弯曲疲劳断裂）。②大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂。③长期承受较大摩擦引起的过度磨损。3．轴类零件材料的性能要求

①良好的综合力学性能，即足够的强度、塑性和一定的韧性，以防变形和冲击断裂。

②高的疲劳强度，对应力集中敏感性小，以防疲劳断裂。

③足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度和高耐磨性，以防磨损失效。

④良好的切削加工性能，价格低廉。

⑤特殊条件下的特殊要求。例如，在高温下工作的轴，要求具有高的抗蠕变性能。在腐蚀介质中工作的轴，要求具有良好的耐蚀性。4．轴类零件材料的选用依据

轴类零件选材的主要依据是载荷的性质和大小、转速高低、精度和粗糙度要求、有无冲击、轴承种类等。

①主要承受弯曲、扭转的轴，如机床主轴、曲轴、变速箱传动轴、汽轮机主轴等。因这类轴的截面受力不均，表面应力大，心部应力小，故不需要选用淬透性很高的材料，常选用45钢、40Cr钢、40MnB钢等，先经调质处理，后在轴颈处进行高、中频感应加热淬火及低温回火。②同时承受弯曲、扭转及拉压应力的轴，如船用推进器轴、锻锤锤杆等。因这类轴的截面受力均匀，同时心部受力较大，故应选用淬透性较高的材料，如40CrNiMo钢等，一般也是先经调质处理，然后进行高频感应加热淬火及低温回火。③主要要求刚性好的轴，可选用碳钢或球墨铸铁材料。④要求轴颈处耐磨的轴，常选用中碳钢，并进行表面淬火，将硬度提高到52HRC以上。

齿轮是各类机械、仪表中应用最多的零件之一，其作用是传递动力、调节速度和运动方向，只有少数齿轮的受力不大，仅起分度作用。二、齿轮类零件的选材①齿轮工作时，齿根承受很大的交变弯曲应力。1．齿轮类零件的工作条件②换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定的冲击载荷。③齿面接触处既有滚动，也有滑动，需承受较大的接触压应力及摩擦力作用。2．齿轮类零件的失效形式

根据工作条件的不同，齿轮类零件的失效形式主要有轮齿折断（疲劳断裂、冲击过载断裂）、齿面接触疲劳损坏（点蚀）、齿面磨损和齿面塑性变形等。3．齿轮类零件材料的性能要求①良好的切削加工性能。②热处理后具有高的接触疲劳强度。③高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有高的强度。④高的齿面硬度和耐磨性。⑤适当的心部强度和足够的韧性。⑥最小的淬火变形，组织内部缺陷应控制在允许的范围内。4．齿轮类零件材料的选用依据齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧度，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。从以上各方面考虑，选用低、中碳钢或低、中碳合金钢较合适。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的齿轮材料。弹簧是一种重要的机械零件，它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用下产生变形时，把机械能或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为机械能或动能。三、弹簧类零件的选材弹簧的主要用途有：缓冲或减振（如汽车、火车的悬挂弹簧）、定位（如机床定位销弹簧）、复原（如发动机的气门弹簧）、储存和释放能量（如钟表的发条）、测力（如弹簧秤、测力计弹簧）。1．弹簧类零件的工作条件①弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。②缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。③某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。2．弹簧类零件的失效形式①塑性变形。外载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。②疲劳断裂。在交变应力作用下，弹簧表面缺陷（裂纹、折叠、刻痕、夹杂物）处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。③脆性断裂。某些弹簧存在材料缺陷（如粗大夹杂物，过多脆性相）、加工缺陷（如折叠、划痕）、热处理缺陷（淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够）等，当受到过大的冲击载荷时，会突然发生脆性断裂。④在腐蚀性介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。

（1）高的弹性极限和高的屈强比。弹性极限越大，屈强比越高，弹簧可承受的应力越高。3．弹簧类零件材料的性能要求

（2）高的疲劳强度。弯曲疲劳强度和扭转疲劳强度越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。（3）好的材质和表面质量。夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。

（4）某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性，以保证在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能。

弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境也各不相同。制造弹簧的材料很多，金属材料、非金属材料（如塑料、橡胶）都可用来制造弹簧。4．弹簧类零件材料的选用依据

测力弹簧、柱塞弹簧、一般机器上的螺旋弹簧、小型机械的弹簧选用65，70等碳素弹簧钢制造。

小尺寸各种扁或圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条、离合器簧片、刹车弹簧等用65Mn弹簧钢制造。

汽车、拖拉机、机车上的减振板簧和螺旋弹簧、气缸安全弹簧、转向架弹簧，以及要求较高应力的弹簧、低于230℃条件下使用的弹簧，用65Mn，60Si2Mn，50CrMn等弹簧钢制造。

气门弹簧、喷油嘴簧、气缸涨圈、安全阀弹簧、密封装置弹簧、210℃条件下工作的弹簧，用50CrV制造。

不锈钢也可用来制造弹簧，06Cr19Ni10，12Cr18Ni9等，一般通过冷轧（拔）加工成带材或丝材，制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件。

切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。四、刃具的选材

①刃具切削材料时，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力。某些刃具（如钻头、铰刀）还会受到较大的扭转应力作用。1．刃具的工作条件

②刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃部温度可升到500～600℃。

③机用刃具往往承受较大的冲击与振动。①磨损。由于摩擦，刃具刃部易磨损，这不但增加了切削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。2．刃具的失效形式

②断裂。刃具在冲击力及振动的作用下折断或崩刃。③刃部软化。由于