第十一章 材料的选用

1、第十一章第十一章 零部件的失效与选材零部件的失效与选材 第一节第一节 零部件的失效零部件的失效 失效失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形零件由于某种原因，导致其尺寸、形 状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满 地完成指定的功能。地完成指定的功能。 表表11.1 零件失效的模式及其失效机理零件失效的模式及其失效机理 失效模式失效模式失效机理失效机理 弹性变形失效弹性变形失效 畸变失效畸变失效 塑性变形失效塑性变形失效 翘曲畸变失效翘曲畸变失效 弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 弹、塑性变形弹、塑性变形 韧性断裂失效韧性断裂失效 低应力脆性失效低应力脆

2、性失效 断裂失效断裂失效 疲劳断裂失效疲劳断裂失效 蠕变断裂失效蠕变断裂失效 介质加速断裂失效介质加速断裂失效 塑性变形塑性变形 裂纹扩展裂纹扩展 疲劳疲劳 蠕变断裂蠕变断裂 应力腐蚀应力腐蚀 磨损失效磨损失效 表面损伤失效表面损伤失效 表面疲劳失效表面疲劳失效 腐蚀失效腐蚀失效 磨粒磨损、粘着磨损磨粒磨损、粘着磨损 疲劳机理疲劳机理 氧化、电化学氧化、电化学 一、失效形式一、失效形式 常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效变形失效、断裂失效、表面损失失效 及材料的老化失效及材料的老化失效等。等。 1 1、变形失效、变形失效 （1 1）弹性变形失效）弹性变形失效 不恰

3、当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。 防止弹性畸变的防止弹性畸变的主要措施主要措施：增加零件截面、采用弹性模增加零件截面、采用弹性模 量高的材料，防止超载。量高的材料，防止超载。 （2 2）塑性变形失效）塑性变形失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性 变形变形( (永久变形永久变形) )。 防止零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材采用屈服强度高的材 料，进行合理的热处理，防止超载。料，进行合理的热处理，防止超载。 2 2、断裂失效、断裂失效 断裂失效断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效

4、。机械零件因断裂而产生的失效。 （1 1）韧性断裂失效韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于 空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2 2）脆性断裂失效脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲断裂前无塑性变形。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。劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的在交变应力作用下，虽然零

5、件所承受的应力低于材料的 屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂， 称金属的疲劳断裂。称金属的疲劳断裂。 v低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 v石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件， 在工作应力在工作应力远远低于材料的屈服应力远远低于材料的屈服应力作用下，由作用下，由 于材料自身固有的于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变裂纹扩展导致的无明显塑性变 形的突然断裂形的突然断裂，称为，称为低应力脆性断裂低应力脆性断裂。 v低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为低应力脆性断裂按其断口的形

6、貌可分为解理断裂解理断裂 和和沿晶断裂沿晶断裂。 解理断口解理断口沿晶断口沿晶断口 v3 3、表面损失失效、表面损失失效 v由于由于磨损、疲劳、腐蚀磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所等原因，使零部件表面失去正常工作所 须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效表面损伤失效。 v 磨损磨损(wear)(wear)失效失效 v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，这种现损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续

7、工作，这种现 象称为磨损失效。象称为磨损失效。 v 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)失效失效 v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。的失效称为腐蚀失效。 v 表面疲劳失效表面疲劳失效 v 表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在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。成的失效。 v4 4、材料的老化、材料的老化 v 高分子材料在贮存和使用过程

8、中发生高分子材料在贮存和使用过程中发生 变脆、变硬或变软、变粘等现象变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失从而失 去原有性能指标的现象去原有性能指标的现象，称为，称为高分子材料高分子材料 的老化的老化。老化是高分子材料不可避免的。老化是高分子材料不可避免的。 v二、失效原因二、失效原因 v 造成零部件失效的原因很多，主要有造成零部件失效的原因很多，主要有 设计、选材、加工、装配使用设计、选材、加工、装配使用等因素。等因素。 v1 1、设计不合理、设计不合理 v2 2、选材错误、选材错误 v3 3、加工工艺不当、加工工艺不当 v4 4、装配使用不当、装配使用不当 v三、失效分析三、失效分析 v1

9、1、失效分析的、失效分析的一般程序一般程序 v 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸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。的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。 v 调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。 v 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设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。计、加工、安装、使用维护等方面的资料。 v 试验研究试验研究 第二节第二节 零部件的选材零部件的选材 v一、选材的基本原则一、选材的基本原则 v1 1、使用性能原则、使用性能原则 v材料

10、的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。使用性使用性 能指零件在使用状态下材料应该具有的能指零件在使用状态下材料应该具有的机机 械性能、物理性能、化学性能。械性能、物理性能、化学性能。 v2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 v材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。 （1 1）金属材料的工艺性能）金属材料的工艺性能 金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺 不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。 金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线 v（2 2）高分子材料工艺性

11、能）高分子材料工艺性能 v高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加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。剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。 高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 v（3 3）陶瓷材料的工艺性能）陶瓷材料的工艺性能 v 陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主

12、要工陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工 艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压 成形、可塑成形等。成形、可塑成形等。 v 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚 石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。 陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 v3 3、经济性原则、经济性原则 v满足使用性能要求的前提下，满足使用性能要求的前提下，采用便采用便 宜的材料，把总成本降至最低，取得宜的材料，把总成本降至最低，取得 最大的经济效益。最大的经济效益。 材料的相对价格 材

13、料相 对 价 格材 料相 对 价 格 碳素结构钢 低合金结构 钢 优质碳素结 构钢 易切削钢 合金结构钢 铬镍合金结 构钢 滚动轴承钢 弹簧钢 1 1.21.7 1.41.5 2 1.71.9 3 2.12.9 1.61.9 碳素工具 钢 低合金工 具钢 高合金工 具钢 高速钢 铬不锈钢 铬镍不锈 钢 普通黄铜 球墨铸铁 1.41.5 2.43.7 5.47.2 13.515 8 20 13 2.42.9 选择材料的基本过程选择材料的基本过程 v二、典型零部件选材及工艺分析二、典型零部件选材及工艺分析 v 齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材 v1 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要、齿

14、轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要 求。求。 v 齿轮的齿轮的工作条件工作条件：啮合齿表面承受较大的既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。有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。 传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承 受较大的弯曲疲劳应力。受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或换挡、启动、制动或 啮合不均匀时，承受冲击载荷。啮合不均匀时，承受冲击载荷。 v 齿轮的齿轮的主要失效形式主要失效形式：断齿：除因过载（主断齿：除因过载（主 要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情

15、况下的 断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲 劳应力造成的。劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨齿面磨损：由于齿面接触区的磨 擦，使齿厚变小、齿隙加大。擦，使齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触疲劳；在交变 接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形 成麻点。成麻点。 v 对齿轮材料的对齿轮材料的性能要求性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度； 高的耐磨性和接触疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；轮齿心部要有足轮齿心部要有足 够的强度和韧性。够的强度和韧性。 v2 2、典型齿轮的选

16、材、典型齿轮的选材 v 机床齿轮机床齿轮 机机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和 方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工 作平稳无强烈冲击。作平稳无强烈冲击。 一般可选中碳钢一般可选中碳钢(45(45钢钢) )制造，制造， 为了提高淬透性，也可选用中碳合为了提高淬透性，也可选用中碳合 金钢金钢(40Cr(40Cr钢钢) )。 机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 工艺路线为工艺路线为： 下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频高频 淬火及低温回火淬火及低温回火-精磨。

17、精磨。 v（2）汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 v与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受受 力较大，受冲击频繁力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。，因而对性能的要求较高。 v这 类 齿 轮 通 常 使 用这 类 齿 轮 通 常 使 用 合 金 渗 碳 钢合 金 渗 碳 钢 （ 例 如 ：（ 例 如 ： 20CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。 v其工艺路线为：备料其工艺路线为：备料锻造锻造正火正火机械加工机械加工 渗碳渗碳淬火淬火+ +低温回大低温回大喷丸喷丸磨削磨削装配。装配。 v 轴类零部件的选材轴类零部件的

18、选材 v1 1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。 v 轴的轴的工作条件：工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载传递扭矩，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、压荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压 载荷的作用。载荷的作用。轴颈承受较大的磨擦。轴颈承受较大的磨擦。承受一承受一 定的过载或冲击载荷。定的过载或冲击载荷。 v 轴的主要轴的主要失效形式失效形式：疲劳断裂疲劳断裂 由于受交变由于受交变 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。疲劳断裂

19、，这是最主要的失效形式。断裂失效断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。 磨损失效磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺 寸发生变化。寸发生变化。 v 对轴用材料的对轴用材料的性能要求：性能要求：高的疲劳强度，以高的疲劳强度，以 防止疲劳断裂。防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲良好的综合力学性能，以防止冲 击或过载断裂。击或过载断裂。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。 v2 2、典型轴的选材、典型轴的选材 v 机床主轴机床主轴 v 主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用

20、，载荷和主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和 转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性 能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。 v C620C620车床主轴可选用车床主轴可选用4545钢钢，经调质处理后，经调质处理后， 硬度为硬度为220250HB220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，轴颈和锥孔需进行表面淬火， 硬度为硬度为46-54HRC46-54HRC。 v其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料锻造锻造正火正火粗机械加工粗机械加工 调质调质精机械加工精机械加工表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火磨削磨削

21、 装配装配 v 汽轮机主轴汽轮机主轴 v汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、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。扭转载荷及离心力和温度的联合作用。 v因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有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。不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。 对于在对于在500500以上工作的主轴还要求其材料具以上工作的主轴还要求其材料具 有一定的高温强度。有一定的高温强度。 v对于工作在对于工作在450450以下的

22、材料，如果汽轮机功率较小以下的材料，如果汽轮机功率较小 12000kW12000kW12000kW），且主轴尺寸较大，则须），且主轴尺寸较大，则须 选用选用35CrMo35CrMo钢钢，以提高淬透性。对于工作在，以提高淬透性。对于工作在500500以以 上的主轴，由于汽轮机功率大（上的主轴，由于汽轮机功率大（125000kW125000kW），要求），要求 高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴 选用选用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA钢钢，低压主轴选用，低压主轴选用15CrMo15CrMo 或或17

23、CrMoV17CrMoV钢钢。对于工作温度更高，要求更高高温强。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度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV20Cr3MoWV（540540） 或铁基耐热合金或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTiCr14Ni26MoTi（650650）、）、 Cr14Ni35MoWTiAlCr14Ni35MoWTiAl（680680）制造。）制造。 气轮机主轴的工艺路线为：气轮机主轴的工艺路线为：备料备料锻造锻造 第一次正火第一次正火去氢处理去氢处理第二次正火第二次正火 高温回火高温回火机械加工机械加工成品。成品。 v 内燃机曲轴内燃机曲轴 v曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和 冲击力的作用。冲击力的作用。 v按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低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速内燃机曲轴选用正火态的4545钢或球黑铸铁；中钢或球黑铸铁；中 速的内燃机曲轴选用调质态的速的内燃机曲轴选用调质态的4545钢、调