机械工程材料-7章 机械零件用材的选择剖析

1、7.1 材料失效形式及失效分析 7.2 选材的基本原则、方法和依据7.3 典型零件材料的选择第7章 机械零件用材的选择机械机械工程材料工程材料（赵亚忠）赵亚忠）西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社某人要设计一台减速器，那么减速器上的零件如壳体、输入轴（高速轴）、中间轴、齿轮、输出轴、轴承等都要选什么材料呢？怎样才能正确合理地选材呢？选材时要考虑哪些因素呢？减速器自行车材料通过制造的零件实现其价值。零件的功能：（1）在一定压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；（2）实现规定的机械运动；（3）传递动力和能量。7.1 材料的失效形式及失效分析材料的使用工况受力情况工程材料担负传递动力，同

2、时受到各种各样载荷的作用。使用环境温度冷、热影响零件的承力能力及尺寸。使用介质海水、大气、酸碱盐的腐蚀影响零件形状尺寸。其它方面声、光、磁影响零件性能。1 材料的失效材料在使用过程中，发生了一系列的变化，使材料性能和零件的形状尺寸发生改变。在材料性能达不到使用要求时，或者零件完不成预定功能时，材料就失效了。材料的使用性能包括如下一系列性能：力学性能、物理性能、化学性能等。在使用过程中，材料的任何一方面性能达不到使用要求，也就意味着材料的失效。零件的形状尺寸在载荷或介质的作用下改变，使零件达不到所要求的功能而失效。2 材料失效的判据从材料性能角度：f。 其中：f表示材料或零件使用过程中的损坏程度

3、，如应变量、磨损量、腐蚀量等； f表示材料或零件的许用损坏程度，如各种许用变形量、许用磨损量、许用腐蚀量等。结合零件的失效形式，材料的失效形式主要有：材料性能降低、过量变形、断裂和表面损伤四种 。塑料和橡胶制品由于老化，材料性能降低。耐热钢零件在高温长时使用时，强度降低。材料在各种力的作用下会发生变形，当其变形程度超过允许范围时，即过量变形时，材料就失效了。材料的过量变形失效包括弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效等。 过量弹性变形原因：零件刚度不够。可从提高材料的E和G，或是重新设计零件结构两方面解决。电机转子轴 镗杆 过量弹性变形过量塑性变形过量塑性变形有明显特征，从失效零件上能看到。过量

4、塑性变形的原因：过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够；反映塑性变形能力的力学指标：A、Z，屈服强度Rel。3 断裂分为韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂等。韧性断裂：在断裂前发生明显的宏观塑性变形，需要吸收较多的能量。如低碳钢在拉应力下产生塑性变形后断裂。脆性断裂：断前几乎不产生塑性变形，如灰铸铁在拉应力作用下不产生塑性变形而断裂。在低速静载拉伸情况下，抗拉强度是表征材料抗断裂能力的力学指标 。韧性和脆性断裂的拉伸曲线韧性断裂-脆性断裂韧性断口和脆性断口发动机活塞连杆断裂280mm电机轴断裂 土壤干裂 疲劳断裂零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。交变载荷：载荷大小和方向随

5、时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂过程：裂纹萌生疲劳裂纹扩展最后断裂。疲劳断裂宏观断口疲劳断裂宏观断口1-1-最后断裂区；最后断裂区；2-2-前沿线；前沿线；3-3-裂纹裂纹扩展区扩展区 tt零件在工作过程中，由于机械的和化学的作用，使工作表面受到严重损伤，不能继续正常工作，这种失效称为表面损伤失效。表面损伤失效大致分为磨损失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三类 。4 零件表面损伤零件表面因摩擦发生尺寸变化和物质耗损而导致的材料报废现象叫磨损失效。预防、减小磨损失效的措施：提高零件表面硬度；减小压应力；改善表面，使表面光滑。磨损失效磨损失效 材料受环境介质的作用引起的破坏现象。如钢铁生锈、土壤腐蚀等。

6、腐蚀失效防止腐蚀的办法：改变金属成分提高基体电极电位形成致密氧化膜获得单相组织表面防护表面保护（覆盖法） 改善环境：干燥气体覆盖法发蓝，磷化，阳极化电镀喷漆失效分析目的是找出材料失效原因，找出引起材料失效的关键因素，用以提高零件寿命，从选材和选择工艺方法角度预防零部件的早期失效。铸造钢锭 挤压棒料零件设计结构不当；选材不当；材料加工工艺不当；零件安装使用不当等。搜集失效零件残骸，观测并记录损坏部位；了解零件工作环境。了解失效经过，观察相关零件的损坏情况，判断损坏的顺序。检测： 化学分析断口分析 显微分析 应力分析 力学性能测试 断裂力学分析2 失效分析的方法7.2.1 选材的原则7.2 选材的

7、基本原则和方法 适用性原则适用性原则适用性原则是指所选材料的性能满足使用要求，既能适应工况要求，又能达到令人满意的使用寿命。材料的使用性能决定于其化学成分、组织结构等内部因素。在机械设计工作中，根据零件的使用条件，结合零件的预期寿命，才能确定要求的材料性能。不可更换零件的使用寿命需要大于整台机器的寿命，但出于成本考虑也不是越长越好；可更换的易损耗零件也需要较长的使用寿命，以减少更换次数。 工艺性原则工艺性原则工艺性原则是指选材时考虑材料的加工工艺性，保证能方便地将材料加工成零件。零件形状复杂、尺寸较大、力学性能要求不高时，采用铸造方法，要求流动性好、收缩性小等；零件形状不复杂、尺寸不大、力学性

8、能要求高时，采用锻造成形，要求材料的塑性要好；零件有特殊力学性能要求时，采用热处理强化，要求淬透性好，变形、开裂倾向小;采用切削加工时，软硬要适当。经济性原则是指在选用材料时应选择性能价格比高的材料。材料的性能就是指其使用性能，材料价格主要由成本决定。材料的使用性能一般可以用使用时间和安全程度来表示。材料的成本包括生产成本和使用成本，一般地，材料成本由下列因素决定：原材料成本，原材料利用率、材料成形成本，加工费、安装调试费、维修费、管理费等。 经济性原则经济性原则常用材料相对价格 分析零件使用环境、受力情况，确定零件应具有的主要力学性能指标，作为选材依据。根据力学计算及材料特点，正确选材。结合

9、材料成本、材料成形工艺性、零件复杂程度、生产批量、现有生产条件等，选择成形工艺。综合材料成形成本、热处理成本、使用可靠性，优化选出最合适材料经过试验、调整，最终确定合适的材料及成型工艺方法。7.2.2 选材的方法和依据1 材料选择的步骤选材流程图总原则是满足适用性、工艺性、经济性3条基本原则。仅从适用性角度来选材，工程材料一般考虑满足以下几方面要求：负荷情况材料使用温度受腐蚀情况耐磨损情况等2 选材的依据 负荷情况机械零件在工作中承受各种各样的载荷，不同种类和不同大小的载荷，对零件的承力要求是不同的，选用不同性能的材料。只有满足了强度、刚度和稳定性的要求，零件才能安全可靠地工作。在材料力学中对

10、此有科学的分析及解决方法强度理论。 nRel/max屈服强度：断裂韧性：)/(maxaYKIC疲劳强度：nR /1 -交变除此之外，书中还提到零件满需要足刚度、冲击韧性等要求。 材料使用温度 材料耐腐蚀能力注：1-完全耐蚀； 2,3-相当耐蚀； 4,5-耐蚀；6,7- 尚耐蚀； 8,9-耐蚀性差；10-不耐蚀. 耐磨损情况影响耐磨性的因素有：材料本身的性能。包括硬度、韧性、加工硬化的能力、导热性、化学稳定性、表面状态等；摩擦条件。包括相磨物质的特性、摩擦时的压力、温度、速度、润滑剂的特性、腐蚀条件等。一般地，硬度高的材料不易为相磨的物体刺入或犁入，而且疲劳极限一般也较高，故耐磨性较高；如同时具

11、备较高的韧性，即使被刺入或犁入，也不致被成块撕掉，可以提高耐磨性。 钢铁的磨损系数 磨损系数为在一定磨损条件下磨损后，各种材料的质量损失与标准样品（硬度为105110HB的0.2%碳钢）质量损失的比值。 各种成形工艺方法特点铸造锻件冲压件焊件轧材成形特点液态下成形 固态下成形 塑性变形固态下连接 塑性变形力学性能稍低于锻件 比铸件好 强度硬度高，刚度好 接头性能接近母材 比相同成分的铸件好 结构特点可生产结构相当复杂的零件 形状较简单 结构轻巧，形状可稍复杂 尺寸结构一般不受限制 形状简单，横向尺寸变化较少 材料利用率 高低较高较高较低生产周期长较长 短较短 短 生产成本较低较高量大成本低 较

12、高较低适用范围各种结构零件和机械零件 传动零件，工具，模具等各种零件 以薄板成形的各种零件 各种金属结构件，也用于毛坯生产结构上的毛坯料 1 轴杆类零件轴的工作条件传递扭矩，同时还承受一定的交变弯曲应力。轴颈承受较大的摩擦。有时承受一定的冲击载荷或过量载荷。轴的失效形式疲劳断裂、过载断裂、磨损和过量变形。7.3 典型零件材料的选择轴的性能要求足够的强度、刚度、塑性、韧性，以防止过载或冲击断裂。高的硬度和耐磨性，提高轴的运转精度和使用寿命。高的疲劳强度，防止疲劳断裂。良好的切削加工性能，热处理变形小。价格低廉。选材及成形工艺选择载荷中等，冲击不大的轴C620车床主轴机床主轴是典型的受扭转弯曲复合

13、作用的零件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。 选用材料：45钢、40Cr毛坯准备形式：锻造热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性 能 要 求 ： 整 体 硬 度HB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。 加工工艺路线：下棒料锻造正火或退火 粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工成品。下棒料下棒料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质处理调质处理半精加工半精加工精加工精加工表面淬火表面淬火+回火回火成品成品受力小或主要承受静载荷的轴类零件，或形状复杂的曲轴、凸轮轴。选用材料：球墨铸铁毛坯准备形式：铸造加工工艺路线：铸造正火+高温回火

14、粗加工、半精加工轴颈表面淬火+回火精加工。正火目的：得到细化的P，提高Rm、HRC高温回火：消除内应力受力大，承受高转速、冲击与循环载荷很大（汽车传动轴）选 用 材 料 ： 渗 碳 钢 （ 2 0 、20CrMnTi）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、渗碳淬火。性能要求：心部：3035HRC 表面：5662HRC。 加工工艺路线：下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工非渗碳部位保护渗碳+淬火+低温回火精加工。齿轮的工作条件通过齿面接触传递动力，周期地受弯曲应力和接触应力作用；啮合齿表面承受较大摩擦和磨损；由于换档启动或啮合不良，轮齿会受到冲击。齿轮的失效形式齿面接触疲劳、磨损及轮齿折断2 齿轮类零

15、件齿轮的性能要求高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度。齿面有高的硬度和耐磨性。轮齿心部有足够的强度和韧性。良好的切削加工性能和最小的淬火变形。价格适中。选材及成形工艺选择中低转速，载荷不大的中小型传动齿轮（如机床变速齿轮）选用材料：调质钢（45、40Cr）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、表面淬火+低温回火。性能要求：心部：3035HRC 表面：5055HRC。 加工工艺路线：下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。高速、重载、冲击较大的齿轮（如汽车变速齿轮）选用材料：渗碳钢（20CrMoTi）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、渗碳+淬火+低温回火。性能要求：心部：2832HR

16、C 表面：5662HRC。 加工工艺路线：下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。力学性能高、形状复杂、尺寸大的齿轮选用材料：铸钢（ZG270-500、ZG310-570）毛坯准备形式：铸造热处理：正火或退火加工工艺路线：铸造正火或退火机械加工轻载、低速、冲击较小的齿轮选用材料：铸铁（HT200、HT300）毛坯准备形式：铸造热处理：正火或退火。 加工工艺路线：铸造正火或退火机械加工。受力不大、无润滑条件下工作的齿轮选用材料：塑料（如尼龙、聚碳酸脂等）成型方法：注射成型应用：石英钟仪器仪表或接触腐蚀介质的轻载齿轮选用材料：有色金属（CuZn38黄铜、CuSn6P锡青铜、7

17、A04超硬铝等）成型方法：机械加工3 海水中使用的水泵叶轮和水泵轴的选材 由于海水对材料的腐蚀作用较大，在海水中使用的材料必须考虑材料的耐腐蚀性问题。对于水泵叶轮，主要考虑材料的耐腐蚀性即可，根据有关手册，可选用含钼奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni12Mo2Ti、0Cr17Ni12Mo2。而对于泵轴，由于其负荷较大，要求轴颈处具有高的硬度和耐磨性，奥氏体不锈钢就不宜选用 4 箱体类零件箱体的工作条件 支承、定位、密封； 受力不大，多承受压应力； 形状复杂、尺寸大、壁厚较薄。箱体的失效形式 变形失效； 断裂失效； 磨损失效。箱体的性能要求较高的硬度、抗压强度。良好的减震性。高的尺寸稳定性，保证定位准确、密封可靠。受力较大、要求高强度、受较大