第十一章 材料的選用

1、第十一章第十一章 零部件的失效與選材零部件的失效與選材 第一節(jié)第一節(jié) 零部件的失效零部件的失效 失效失效 零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形零件由于某種原因，導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。地完成指定的功能。表表11.1 零件失效的模式及其失效機(jī)理零件失效的模式及其失效機(jī)理 失效模式失效模式失效機(jī)理失效機(jī)理 彈性變形失效彈性變形失效畸變失效畸變失效 塑性變形失效塑性變形失效 翹曲畸變失效翹曲畸變失效彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形彈、塑性變形彈、塑性變形 韌性斷裂失效韌性斷裂失效 低應(yīng)力脆性失效低應(yīng)力脆性失效斷裂失效

2、斷裂失效 疲勞斷裂失效疲勞斷裂失效 蠕變斷裂失效蠕變斷裂失效 介質(zhì)加速斷裂失效介質(zhì)加速斷裂失效塑性變形塑性變形裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展疲勞疲勞蠕變斷裂蠕變斷裂應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 磨損失效磨損失效表面損傷失效表面損傷失效 表面疲勞失效表面疲勞失效 腐蝕失效腐蝕失效磨粒磨損、粘著磨損磨粒磨損、粘著磨損疲勞機(jī)理疲勞機(jī)理氧化、電化學(xué)氧化、電化學(xué) 一、失效形式一、失效形式 常見的失效形式有常見的失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損失失效變形失效、斷裂失效、表面損失失效及材料的老化失效及材料的老化失效等。等。1 1、變形失效、變形失效 （1 1）彈性變形失效）彈性變形失效 不恰當(dāng)?shù)膹椥宰冃瘟繉?dǎo)致失效。不恰當(dāng)?shù)膹椥宰?/p>

3、形量導(dǎo)致失效。 防止彈性畸變的防止彈性畸變的主要措施主要措施：增加零件截面、采用彈性模增加零件截面、采用彈性模量高的材料，防止超載。量高的材料，防止超載。 （2 2）塑性變形失效）塑性變形失效 外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性外加應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形變形( (永久變形永久變形) )。 防止零件塑性變形失效的措施：防止零件塑性變形失效的措施：采用屈服強(qiáng)度高的材采用屈服強(qiáng)度高的材料，進(jìn)行合理的熱處理，防止超載。料，進(jìn)行合理的熱處理，防止超載。 2 2、斷裂失效、斷裂失效 斷裂失效斷裂失效 機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。機(jī)械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效。（1 1）韌性

4、斷裂失效韌性斷裂失效 斷裂前有明顯的塑性變形。斷裂前有明顯的塑性變形。 宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于宏觀變形方式為頸縮，典型斷口呈韌窩狀，韌窩是由于空洞的形成、長大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的?？斩吹男纬伞㈤L大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的。（2 2）脆性斷裂失效脆性斷裂失效 斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲斷裂前無塑性變形。疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。 疲勞斷裂疲勞斷裂 在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的在交變應(yīng)力作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時間的工作

5、而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致發(fā)生斷裂，稱金屬的疲勞斷裂。稱金屬的疲勞斷裂。v低應(yīng)力脆性斷裂失效低應(yīng)力脆性斷裂失效 v石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應(yīng)力在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)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紋擴(kuò)展導(dǎo)致的無明顯塑性變裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的無明顯塑性變形的突然斷裂形的突然斷裂，稱為，稱為低應(yīng)力脆性斷裂低應(yīng)力脆性斷裂。 v低應(yīng)力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為低應(yīng)力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為解理斷裂解理斷裂和和沿晶斷裂沿晶斷裂。 解理斷口解理斷口

6、沿晶斷口沿晶斷口v3 3、表面損失失效、表面損失失效v由于由于磨損、疲勞、腐蝕磨損、疲勞、腐蝕等原因，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須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為表面損傷失效表面損傷失效。 v 磨損磨損(wear)(wear)失效失效v任何兩個相互接觸的零部件發(fā)生相對運(yùn)動時，其表面會發(fā)生磨任何兩個相互接觸的零部件發(fā)生相對運(yùn)動時，其表面會發(fā)生磨損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失效。象稱為磨損失效。v 腐蝕腐蝕(corrosion

7、)(corrosion)失效失效v由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致的失效稱為腐蝕失效。的失效稱為腐蝕失效。v 表面疲勞失效表面疲勞失效v 表面疲勞失效是指兩個相互接觸的零部件相對運(yùn)動時，在表面疲勞失效是指兩個相互接觸的零部件相對運(yùn)動時，在交變接觸應(yīng)力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造交變接觸應(yīng)力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造成的失效。成的失效。v4 4、材料的老化、材料的老化v 高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象，

8、從而失從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱為，稱為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，主要有設(shè)計(jì)、選材、加工、裝配使用設(shè)計(jì)、選材、加工、裝配使用等因素。等因素。v1 1、設(shè)計(jì)不合理、設(shè)計(jì)不合理 v2 2、選材錯誤、選材錯誤v3 3、加工工藝不當(dāng)、加工工藝不當(dāng) v4 4、裝配使用不當(dāng)、裝配使用不當(dāng)v三、失效分析三、失效分析 v1 1、失效分析的、失效分析的一般程序一般程序v 收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏觀外形與尺寸收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏

9、觀外形與尺寸的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的部位。的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的部位。v 調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。v 查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。計(jì)、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。v 試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究 第二節(jié)第二節(jié) 零部件的選材零部件的選材v一、選材的基本原則一、選材的基本原則 v1 1、使用性能原則、使用性能原則 v材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。使用性使用性能指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的能指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)

10、該具有的機(jī)機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能。械性能、物理性能、化學(xué)性能。v2 2、工藝性能原則、工藝性能原則 v材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求。（1 1）金屬材料的工藝性能）金屬材料的工藝性能 金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜。加工工藝金屬材料加工的工藝路線復(fù)雜。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。金屬材料的加工工藝路線金屬材料的加工工藝路線v（2 2）高分子材料工藝性能）高分子材料工藝性能v高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材

11、料的切削工，成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。但由于高分子加工性能較好，與金屬基本相同。但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。 高分子材料的加工工藝路線高分子材料的加工工藝路線 v（3 3）陶瓷材料的工藝性能）陶瓷材料的工藝性能v 陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。成形、可塑

12、成形等。v 陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進(jìn)行任何其它加工。石砂磨加工外，幾乎不能進(jìn)行任何其它加工。陶瓷材料的加工工藝路線陶瓷材料的加工工藝路線 v3 3、經(jīng)濟(jì)性原則、經(jīng)濟(jì)性原則 v滿足使用性能要求的前提下，滿足使用性能要求的前提下，采用便采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。最大的經(jīng)濟(jì)效益。材料的相對價(jià)格材 料相 對 價(jià) 格材 料相 對 價(jià) 格碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼易切削鋼合金結(jié)構(gòu)鋼鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼滾動軸承鋼彈簧鋼11.21.71.41.521.71.932.12.

13、91.61.9碳素工具鋼低合金工具鋼高合金工具鋼高速鋼鉻不銹鋼鉻鎳不銹鋼普通黃銅球墨鑄鐵1.41.52.43.75.47.213.515820132.42.9選擇材料的基本過程選擇材料的基本過程v二、典型零部件選材及工藝分析二、典型零部件選材及工藝分析 v 齒輪類零件的選材齒輪類零件的選材v1 1、齒輪的工作條件、主要失效形式及對性能的要、齒輪的工作條件、主要失效形式及對性能的要求。求。v 齒輪的齒輪的工作條件工作條件：嚙合齒表面承受較大的既嚙合齒表面承受較大的既有滾動又有滑動的強(qiáng)烈磨擦和接觸疲勞壓應(yīng)力。有滾動又有滑動的強(qiáng)烈磨擦和接觸疲勞壓應(yīng)力。傳遞動力時，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承傳遞動力

14、時，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承受較大的彎曲疲勞應(yīng)力。受較大的彎曲疲勞應(yīng)力。換擋、啟動、制動或換擋、啟動、制動或嚙合不均勻時，承受沖擊載荷。嚙合不均勻時，承受沖擊載荷。v 齒輪的齒輪的主要失效形式主要失效形式：斷齒：除因過載（主斷齒：除因過載（主要是沖擊載荷過大）產(chǎn)生斷齒外，大多數(shù)情況下的要是沖擊載荷過大）產(chǎn)生斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動力時，在齒根部產(chǎn)生的彎曲疲斷齒，是由于傳遞動力時，在齒根部產(chǎn)生的彎曲疲勞應(yīng)力造成的。勞應(yīng)力造成的。齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨擦，使齒厚變小、齒隙加大。擦，使齒厚變小、齒隙加大。接觸疲勞；在交變接觸疲勞；在交變接觸應(yīng)力作

15、用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，遂漸剝落，形接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，遂漸剝落，形成麻點(diǎn)。成麻點(diǎn)。v 對齒輪材料的對齒輪材料的性能要求性能要求：高的彎曲疲勞強(qiáng)度；高的彎曲疲勞強(qiáng)度；高的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度；高的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度；輪齒心部要有足輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。夠的強(qiáng)度和韌性。v2 2、典型齒輪的選材、典型齒輪的選材v 機(jī)床齒輪機(jī)床齒輪 機(jī)機(jī)床變速箱齒輪擔(dān)負(fù)傳遞動力，改變運(yùn)動速度和床變速箱齒輪擔(dān)負(fù)傳遞動力，改變運(yùn)動速度和方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊。作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊。 一般可選中碳鋼一般可選中碳鋼(4

16、5(45鋼鋼) )制造，制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼金鋼(40Cr(40Cr鋼鋼) )。機(jī)床變速箱齒輪機(jī)床變速箱齒輪 工藝路線為工藝路線為： 下料下料-鍛造鍛造-正火正火-粗加工粗加工-調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)-精加工精加工-高頻高頻淬火及低溫回火淬火及低溫回火-精磨。精磨。v（2）汽車、拖拉機(jī)齒輪汽車、拖拉機(jī)齒輪v與機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時與機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時受受力較大，受沖擊頻繁力較大，受沖擊頻繁，因而對性能的要求較高。，因而對性能的要求較高。v這 類 齒 輪 通 常 使 用這 類 齒 輪 通 常 使 用 合 金 滲 碳 鋼合 金 滲

17、 碳 鋼 （ 例 如 ：（ 例 如 ：20CrMnTi20CrMnTi、20MnVB20MnVB）制造。）制造。v其工藝路線為：備料其工藝路線為：備料鍛造鍛造正火正火機(jī)械加工機(jī)械加工滲碳滲碳淬火淬火+ +低溫回大低溫回大噴丸噴丸磨削磨削裝配。裝配。 v 軸類零部件的選材軸類零部件的選材v1 1、軸的工作條件，主要失效形式及對性能的要求。、軸的工作條件，主要失效形式及對性能的要求。v 軸的軸的工作條件：工作條件：傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用。同時也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓荷作用。同時也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。載荷的作用。軸頸承受較大的磨擦。軸頸承受較

18、大的磨擦。承受一承受一定的過載或沖擊載荷。定的過載或沖擊載荷。v 軸的主要軸的主要失效形式失效形式：疲勞斷裂疲勞斷裂 由于受交變由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。斷裂失效斷裂失效 由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。磨損失效磨損失效 軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。寸發(fā)生變化。v 對軸用材料的對軸用材料的性能要求：性能要求：高的疲勞強(qiáng)度，以高的疲勞強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂。

19、防止疲勞斷裂。良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖擊或過載斷裂。擊或過載斷裂。良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。v2 2、典型軸的選材、典型軸的選材 v 機(jī)床主軸機(jī)床主軸 v 主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，載荷和主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，載荷和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機(jī)械性轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機(jī)械性能即可滿足要求。軸頸和錐孔處有磨擦。能即可滿足要求。軸頸和錐孔處有磨擦。 v C620C620車床主軸可選用車床主軸可選用4545鋼鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為硬度為220250HB220250HB，軸頸

20、和錐孔需進(jìn)行表面淬火，軸頸和錐孔需進(jìn)行表面淬火，硬度為硬度為46-54HRC46-54HRC。 v其工藝路線為：其工藝路線為：備料備料鍛造鍛造正火正火粗機(jī)械加工粗機(jī)械加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精機(jī)械加工精機(jī)械加工表面淬火表面淬火+ +低溫回火低溫回火磨削磨削裝配裝配 v 汽輪機(jī)主軸汽輪機(jī)主軸 v汽輪機(jī)主軸尺寸大、工作負(fù)荷大，承受彎曲、汽輪機(jī)主軸尺寸大、工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。 v因此對汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有因此對汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)

21、較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。對于在對于在500500以上工作的主軸還要求其材料具以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高溫強(qiáng)度。有一定的高溫強(qiáng)度。 v對于工作在對于工作在450450以下的材料，如果汽輪機(jī)功率較小以下的材料，如果汽輪機(jī)功率較小12000kW12000kW12000kW），且主軸尺寸較大，則須），且主軸尺寸較大，則須選用選用35CrMo35CrMo鋼鋼，以提高淬透性。對于工作在，以提高淬透性。對于工作在500500以以上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大（上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大（125000kW125000kW），要求），要求高溫強(qiáng)度高，需選

22、用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸高溫強(qiáng)度高，需選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用選用25CrMoVA25CrMoVA或或27Cr2MoVA27Cr2MoVA鋼鋼，低壓主軸選用，低壓主軸選用15CrMo15CrMo或或17CrMoV17CrMoV鋼鋼。對于工作溫度更高，要求更高高溫強(qiáng)。對于工作溫度更高，要求更高高溫強(qiáng)度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼20Cr3MoWV20Cr3MoWV（540540）或鐵基耐熱合金或鐵基耐熱合金Cr14Ni26MoTiCr14Ni26MoTi（650650）、）、Cr14Ni35MoWTiAlCr14Ni35MoWTiAl（680680）制造。）制造。氣輪機(jī)主軸的工藝路線為：氣輪機(jī)主軸的工藝路線為：備料備料鍛造鍛造第一次正火第一次正火去氫處理去氫處理第二次正火第二次正火高溫回火高溫回火機(jī)械加工機(jī)械加工成品。成品。 v 內(nèi)燃機(jī)曲軸內(nèi)燃機(jī)曲軸 v曲軸工作時受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動和曲軸工作時受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動和沖擊力的作用。沖擊力的作用。 v按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料。通常低按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的4545鋼或球黑鑄鐵；中鋼或球黑鑄鐵；中速的內(nèi)燃機(jī)曲軸選用調(diào)質(zhì)