机械零件的失效与选材原则
gc08
二、塑性畸变失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发 生明显的塑性变形(永久变形) 生明显的塑性变形(永久变形)。 ●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯 导致倒塌； 曲，导致倒塌； 螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。 ●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。 防止零件塑性畸变的措施： 防止零件塑性畸变的措施：采用屈服强 度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。 度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。
客车空气压缩机皮带轮断裂失效分析 客车空气压缩机皮带轮断裂失效分析 某大型客车空气压缩 机皮带轮破断， 机皮带轮破断，空气压缩 机停止工作。气压不足、 机停止工作。气压不足、 刹车失灵。 刹车失灵。造成重大交通 事故。 事故。 空气压缩机工作时，皮带轮辐条受弯矩、剪切力 空气压缩机工作时，皮带轮辐条受弯矩、 的联合作用和强烈震动，产生疲劳裂纹。裂纹扩展， 的联合作用和强烈震动，产生疲劳裂纹。裂纹扩展， 辐条断裂。 辐条断裂。 皮带轮断裂过程
3. 其它断裂失效形式 (1) 疲劳断裂 在交变应力作用下， 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力 低于材料的屈服点， 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，称金属的疲劳断裂。 生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。
疲劳断裂实物
疲劳断裂显微形貌
(2) 蠕变断裂 在高温下钢的强度较低， 在高温下钢的强度较低，当受一定应力作 用时，变形量随时间而逐渐增大的过程， 用时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种 过程叫蠕变 产生的断裂叫做蠕变断裂 蠕变， 蠕变断裂。 过程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。
8.1 机械零件的失效及失效分析
零件由于某种原因，导致其尺寸、 失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、 形状、 形状、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。 不能完满地完成指定的功能。
机械零件的选材
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。
2、材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。
机械零件选材原则及工艺设计
机械零件选材原则及工艺设计机械零件的选材原则及工艺设计在机械设计中，选择合适的材料和有效的工艺是非常重要的，因为这直接影响了零件的质量、性能和使用寿命。
下面是一些机械零件选材原则及工艺设计的重要考虑因素。
1. 材料的机械性能：机械零件必须具有足够的强度、硬度和耐磨性，以承受预期的工作载荷和环境条件。
因此，在选择材料时，应该考虑其拉伸强度、屈服强度、断裂韧性和硬度等机械性能指标。
2. 材料的耐腐蚀性：机械零件往往要在各种恶劣的环境条件下工作，如高温、湿度或腐蚀性介质。
因此，应选择具有良好耐腐蚀性能的材料，以保证零件的长期稳定性和可靠性。
3. 材料的热处理性：有些机械零件需要进行热处理，以改善其机械性能和硬度。
因此，在选材时，应选择适合热处理的材料，以便在工艺设计中能够获取所需的材料性能。
4. 材料的可加工性：机械零件的制造通常需要各种加工操作，如切削、铣削、焊接等。
因此，材料的可加工性也是选材的重要因素，应选择易于加工的材料，以保证制造成本和质量。
5. 材料的经济性：在选材时，还必须考虑材料的成本因素。
有时候，高性能材料可能很昂贵，但在某些应用中，可以使用性能适当的低成本材料来替代。
工艺设计也是机械零件设计中重要的一环。
下面是一些常见的工艺设计考虑因素：1. 制造工艺的可行性：在工艺设计中，应考虑零件的复杂度和制造难度。
有时候，可能需要进行多道复杂的加工操作，而在其他情况下，使用简单的加工过程就可以完成。
因此，在工艺设计中应选择最合适和最经济的制造工艺。
2. 精度要求：机械零件的精度直接影响其质量和功能。
因此，在工艺设计中，应根据零件的功能需求和装配要求，确定适当的制造精度和加工工艺。
3. 工艺的可重复性和稳定性：工艺的可重复性和稳定性对零件的质量和一致性至关重要。
因此，在工艺设计中，应选择稳定可靠的加工工艺和设备，以确保批量生产的一致性和质量可控。
总之，在机械设计中，选材和工艺设计是同等重要的。
机械零件的失效分析-学习领悟
机械零件的失效分析失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。
所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。
失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。
根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。
一、零件的失效形式失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。
1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。
金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。
因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。
②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。
一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。
有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。
因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。
2、断裂失效①塑性断裂零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；②脆性断裂脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；③疲劳断裂在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；④蠕变断裂在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效；3、表面损伤①磨损失效磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。
机械零件的选材原则
1.1 使用性能原则
几种常用零件的工作条件、失效形式及 所要求的主要力学性能见下表.
1.1 使用性能原则
如上所述，材料各项力学性能指标可满 足零件不同的使用要求。
材料的刚性和屈服强度是保证零件在使用时 不产生过量变形的前提； 材料的硬度是满足耐磨性的重要指标 耐磨零件应选择具有较高硬度的材料； 为防止零件的疲劳破坏，材料应具有较高的 强度和韧度
热处理工艺性能
包括淬透性、淬硬性、回火稳 定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向 等。碳素钢的淬透性差，强度较低， 合金钢比碳素钢的热处理工艺性好， 故结构复杂或尺寸较大且强度要求较 高的零件要选用合金钢。
1.3 经济性原则
在满足使用性能和工艺性能的前提下， 选用的材料要价格便宜、成本低廉。除考虑 材料本身的价格外，还要考虑包括加工费用和 管理费用。
1.1 使用性能原则
零件的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。
满足使用性能是保证零件完成 规定功能的必要条件。在大多数情况 下，它是选材首先要考虑的问题。
1.1 使用性能原则
由于工况不同，零件的工作条件 是复杂的。
从载荷性质来分，有静载荷、动载荷； 从受力状态来分析，有拉、压、弯、扭 应力；从工作温度来分，有低温、室温、 高温、交变温度等； 从环境介质来看，有加润滑剂的，有接 触酸、碱、盐、海水、粉尘的等。 有时还要考虑物理性能方面的要求，如 电导性、磁导性、热导性、热膨胀性、辐 射等。
在确定了零件的具体力学性能指标和数 值以后，即可利用各种机械手册选材。
1.2 工艺性原则
材料工艺性能的好坏对零件加工的难易 程度，生产效率、生产成本有很大关系。因此 很有必要再从满足使用性的材料中按材料工艺 性进一步选择。
机械工程材料第七章
8. 螺栓、铆钉等冷镦零件 9. 汽车用塑料 （1）汽车内饰用塑料 （2）汽车用工程塑料 （3）汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料 10.汽车用橡胶 11.汽车用陶瓷材料
二、机床零件用材
常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、
刀具等。
1. 机身、底座用材
首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、 HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。
（2）主要失效形式 1）疲劳断裂。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。 2）齿面磨损。3）齿面接触疲劳破坏 。4）过载断裂。
疲劳断裂、齿面磨损、齿面接触疲劳破坏 、过载断裂
（3）齿轮用材性能要求
1）高的弯曲疲劳强度
2）高的接触疲劳强度和耐磨性 3）齿轮心部要有足够的强度和韧性
2. 齿轮零件的选材 3. 典型齿轮选材举例
一、齿轮类零件的选材
1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求
齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调 节速度。 （1）工作时的受力情况 1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。 2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。
3. 活塞、活塞销和活塞环——活塞组
对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热性差、膨胀系数 小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难 找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。 活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。 活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、 Mo的合金铸铁制造。
零件选材的一般原则和方法
有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制 成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手 段紧密结合起来综合考虑。此外，当材料进行预选后，还 应当进行试验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等， 进一步验证材料机械性能选择的可靠性。
2 零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求
任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工 艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟 悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺 性能包括以下内容。 ➢ 铸造性能：包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。 ➢ 压力加工性能：指材料的塑性和变形抗力等。 ➢ 焊接性能：包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其他 缺陷倾向等。 ➢ 切削加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量 等。 ➢ 热处理性能：指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变 形和开裂倾向等。
工程材料及热处理
零件选材的一般原则和方法
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。选材不当，严重 的可能导致零件的完全失效。
1.1 选材的一般原则
判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否 实现最低成本。选材的任务就是求得上述三者之间的统一。
齿的折断，过度磨损或出 现疲劳麻点
抗弯强度，疲劳强度， 接触疲劳强度，硬度
交变弯曲应力，扭转应力，冲 击负荷，磨损
交变应力，振动
点或线接触下的交变压应力， 滚动摩擦
机械零件的失效与选材原则
8.3 典型零件的选材与工艺 8.3.1 提高疲劳强度与耐磨性的选材与工艺
•1
8.3.2 齿轮类与轴类零件的选材与工艺
1. 齿轮类零件的选材与工艺
① 性能要求 a. 传递扭矩和调节速度，齿根承受很大的交变弯曲应力。 b. 换挡、启动，齿部承受一定冲击载荷。 c. 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力和摩
2. 工艺性能原则 1. 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考
虑的问题。
3. 经济性原则 ① 尽量降低材料及其加工成本 1. 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关
资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%～70%。 ② 用非金属材料代替金属材料 ③ 零件的总成本 1. 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费
粘着磨损
1. 两个金属表面的微凸部分在高压下产生局部粘结、焊合， 使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在 两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。
粘着磨损磨痕
b. 表面疲劳 1. 两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接
触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料疲劳而 剥落的现象称为表面疲劳磨损。 c. 腐蚀失效 1. 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面 损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学 作用的结果。
1. 零件的失效形式 ① 变形失效与选材 a. 弹性变形失效：不恰当的弹性变形量导致失效。受拉、
压的杆类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承) 过载；受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成 轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常，甚至咬死，导致 传动失效；某些控制元件，如温控元件，过大的弹性畸 变量使精度无法保证。 • 防止弹性变形的主要措施：增加零件截面、采用弹性模 量高的材料，防止超载。
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二、塑性畸变失效
外加应力超过零件材料的屈服极限时发生 明显的塑性变形(永久变形)。
●钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲， 导致倒塌；
●螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。
防止零件塑性畸变的措施：采用屈服强度 高的材料，进行合理的热处理，防止超载。
三、翘曲畸变失效
尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲， 导致失效。
“十五”国家级规划教材《工程材料》第3版配套 课件
第8章
第8章 机械零件的失效 与选材原则
内容提要：
介绍各种失效形式：畸变失效、断裂失效 、磨损失效及腐蚀失效。
阐述机械零件选材原则。
学习目标：
了解各种失效形式特点。掌握机械零件选材 原则。
8.1 机械零件的失效及失效分析
失效 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 而不能完满地完成指定的功能。
塑性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变失效断裂
二、断口的分析方法 断口分析是断裂失效分析的关键。
金属材料的室温拉伸或冲击
试样的断口宏观观察，可以看到
断口分为：
F - 纤维状区
R - 放射状区
S - 剪切唇区
断口
三、断裂形式
1. 韧（塑）性断裂 断裂前有明显的塑性变形。 (1) 宏观特征 宏(2观) 微变观形特方征式为颈缩，典型断口为杯锥状 断口韧，窝底是部金成属纤韧维性状断剪裂切的断微口观，主其要平特面征和，拉是 伸塑轴 性大 变致 形成产4生5的角显。微空洞生成、长大、聚集 、相互连结导致断裂留下的痕迹。
失效导致严重事故
失效因素
一、设计因素
为了保证产品质量，必须精心设计，精心施 工。
根据零件工作条件、可能发生的失效模式， 提出技术指标，确定合适的材质、尺寸、结构 ，提出必要的技术文件。
如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用 或过早失效。
ห้องสมุดไป่ตู้
二、制造(工艺)因素
工艺缺陷是零件失效的重要因素。 ●零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣； ●锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹； ●焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹； ●机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合 适； ●热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、 回火脆性； ●精加工磨削中的磨削裂纹等。
三、安装调试因素
安装过程达不到要求的质量指标，导致零件 失效。
●啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不 合适(过松或过紧，接触状态未调整好)；
●连接零件必要的“防松”不可靠； ●铆焊结构的必要探伤检验不良； ●润滑与密封装置不良等； ●初步安装调试后，未按规定进行逐级加载 跑合。
四、材质因素
●选材不当使零件达不到设计要求而导致失 效。
脆性断裂 (1) 宏观特征 断(2口) 微一观般特与征正应力垂直，断口表面平齐， 断口脆边性缘断没裂有的剪微切观“判唇据口是”解(理或花很样小和)。沿晶断 口形态。
脆性断裂实物 脆性断裂断口(解理花样) 沿晶断口(冰糖花样)
解理断裂 因原子间结合键的破坏而造成 的穿晶断裂。
断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是 1030 m/s，在低温和三向应力状态时更快 ；
8.2 零件失效形式
8.2.1 畸变失效
畸变有两种类型： 尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小) 形状畸变(如弯曲或翘曲)
发生畸变的零件不能承受所规定载荷，不能 起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰 ，导致零件失效。
一、弹性畸变失效
不恰当的弹性变形量导致失效。 ●受拉、压的杆类零件，过大的弹性畸 变量导致支承件(如轴承)过载。 ●受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸 变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮 合失常，甚至咬死，导致传动失效； ●某些控制元件，如温控元件，过大的 弹性畸变量使精度无法保证。 防止弹性畸变的主要措施：增加零件截面 、采用弹性模量高的材料，防止超载。
客车空气压缩机皮带轮断裂失效分析 某大型客车空气压缩机 皮带轮破断，空气压缩机 停止工作。气压不足、刹 车失灵。造成重大交通事 故。
空气压缩机工作时，皮带轮辐条受弯矩、剪切力的 联合作用和强烈震动，产生疲劳裂纹。裂纹扩展，辐 条断裂。
皮带轮断裂过程
汽车板簧断裂失效分析
某货车板簧断裂，发生交 通事故。
疲劳断裂实物
疲劳断裂显微形貌
(2) 蠕变断裂 在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用 时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过 程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。
蠕变断裂
引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的 性能需要综合考虑。如屈服强度、塑性、断 裂韧性、疲劳强度等。
防止断裂的措施： 采用材质好、强度高、韧性好的材料。 防止超载。 注意环境的影响。
沿着特定的晶面(称为解理面)发生，这些 晶面一般是属于低指数的。
在不同高度的平行解理面之间产生解理台 阶。裂纹扩展过程中，台阶相互汇合，形成 河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致 。
3. 其它断裂失效形式
(1) 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。
翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力 截面、材料组成等不均匀性引起。特别是高 温所导致的形状翘曲最为严重。
●受力钢架翘曲变形； ●壳体在高温下形状翘曲。
增加零件截面、截面形状设计合理。采用 弹性模量高、屈服强度高的材料，防止超载 。
8.2.2 断裂失效
断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效 。
一、断裂失效的分类
●材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊)工艺或 冷热加工(特别是热处理)工艺过程产生的材料 内部缺陷导致失效。
五、运转维修因素
●不正确的运转工况参数(载荷、速度等 )导致零件失效。
●忽视维修，未进行定期大、中、小检 修
●润滑条件未保证, 润滑剂和润滑方法不 合适
老师提示 在影响失效的基本因素中，特 别要强调人的因素，即注意人的素质条件 的影响。
韧性（塑性）断裂实物
韧性断裂断口（韧窝）
2. 脆性断裂
断裂前无塑性变形。 脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材 料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力， 所以又称为低应力脆断。 脆性断裂以零件内部存在的宏观裂纹(如肉 眼可见的0.1 mm～1 mm)作为源开始的。 中、低强度钢在10 ℃～15 ℃以下会由韧性 状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。