11第十一章 工程材料的选用

第十一章 工程材料的选用
第一节 零部件的失效 第二节 零部件的选材
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第一节 零部件的失效
一、失效概念
所谓失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、 形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的 现象。 零部件的失效，会使机床失去加工精度，输气管
道发生泄漏，飞机出现故障等。
分析零部件的失效原因，研究失效机理，提出失
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4．材料老化失效
高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变 黏等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的 老化。 老化是高分子材料不可避免的现象。
综述：
一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用，但其他因 素也有一定影响。另外，各种失效因素相互交叉作用，组合 成更复杂的失效形式。例如，应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨 损、蠕变疲劳交互作用等。
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(2)腐蚀失效 由于化学或电化学腐蚀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。 预防： 合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂敷防护层，采用电化 学保护及采用缓蚀剂等可有效地提高材料的抗腐蚀能力。 (3)表面疲劳失效 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成 的失效。
用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，不得不放弃某
些使用性能合格的材料，工艺性能实际上成为选择材料的主 导因素。 接下来简要介绍一下金属材料、高分子材料、陶瓷材料的 工艺性能。
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(1)金属材料的工艺性能——铸造性能、锻造性能、切削加 工性能、焊接性能、热处理工艺性能等。
铸造性能最好的是共晶成分附近的合金，铸造铝合金和铜合金 的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。 锻造性能最好的是低碳钢，中碳钢次之，高碳钢则较差。变 形铝合金和加工铜合金的锻造性较好，而铸铁、铸造铝合金不 能进行冷热压力加工。 低碳钢焊接性能最好，随碳和合金元素含量增加，焊接性能下 降，铸铁则很难焊接，铝合金和铜合金的焊接性比碳钢差。 钢的含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选用渗碳钢时， 要注意钢的过热敏感性；选用调质钢时，要注意钢的第二类回 火脆性；选用弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。
断裂。
对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能 指标——断裂韧性(K1C)来衡量，以确保安全。
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3．表面损伤失效 ——由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零
部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成 的失效。 (1)磨损失效 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 现象称为磨损失效。 例如，轴与轴承、齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦副在 服役时表面产生的损伤。 工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。 提高材料耐磨性的主要途径之一是进行表面强化。 另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小地 分布；选择合理的摩擦副硬度配比；提高零部件表面加工质量； 改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。
裂等，都是产生失效的重要原因。
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4. 环境介质 5．装配使用不当、操作不当等
在将零部件装配成机器或装臵的过程中，由于装配不当、
对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动， 使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用维护不良， 不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转， 造成零部件过早失效。
略或低估了温度、介质等因素的影响等，都会造成零部件过 早失效。
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2．选材错误 选材所依据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的 抗力，不能满足工作条件的要求。另外，材料的冶金质量太差，
如存在夹杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的
发源地。 3．加工工艺不当 零部件在加工或成形过程中，采用的工艺不当将产生各种质 量缺陷。 例如：较深的切削刀痕、磨削裂纹等，都可能成为引发零部 件失效的危险源。 零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开
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2．失效分析实例
(1)锅炉给水泵轴的断裂分析 泵轴工作状况如书本P205所述。 成分分析表明，泵轴材料的含碳量 高于标准的上限(0.45%)，达到0.4 8％。泵轴的心部组织为魏氏组织， 表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。 显然，泵轴材料为不合格材料。泵 轴表面机械加工粗糙，断口 部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着刀痕之一整齐地发 生脆性断裂。断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂 区为较小的椭圆形区域，并且偏心。断口边缘存在许多撕裂台 阶，为多源断裂。
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结论：
①泵轴的断裂为低载荷高应力 集中的旋转弯曲疲劳断裂。 ②深的车刀痕是高应力集中源， 也是引起泵轴断裂的主要原因。 ③泵轴材料是成分和热处理组 织不合格材料。
根据这一分析结论，国外厂商
对化肥厂进行了赔付。
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(2)气化炉氧管线内壁裂纹分析 某化工厂进口装臵气 化炉的氧管线因多次泄 漏影响生产而被换下。 将氧管剖开后，发现其 内壁存在大量裂纹，氧 管内通有314℃、105 atm的饱和蒸汽和150℃、 100 atm纯氧的混合气体。 氧管材质为1Cr19Ni11Ti，其成分符合ASTM标准，组织正常， 无明显塑性变形。显微观察发现，裂纹起源于内壁并穿晶向 外壁扩展，裂纹分支很多，尖端尖锐且存在腐蚀产物，其在径 向上的形态为枯树枝状（图(b)]），这些都是应力腐蚀裂纹的典 型特征。 结论：氧管内壁损伤是应力腐蚀开裂，开裂原因是选材不当。 19 返回
1．变形失效
(2)塑性变形失效 零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑 性变形。塑性变形会造成零部件间相对位臵变化，致使整 个机械运转不良而失效。 例如，压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过 载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，
导致螺栓失效。
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2．断裂失效
断裂失效是零部件失效的主 要形式，按断裂原因可分为两
第二节 零部件的选材
一、选材的基本原则
1．使用性能原则 保证使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。 使用性能是指零部件在工作过程中应具备的力学性能、物 理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。对于机械零 件，最重要的使用性能是力学性能。对零部件力学性能的 要求，一般是在分析零部件的工作条件(温度、受力状态、 环境介质等)和失效形式的基础上提出来的。根据使用性 能选材的步骤如下：
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(2)高分子材料的工艺性能 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 易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料 烧焦。 (3)陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为 备料 成形加工(配料、压制、烧结) 磨加工 装配 陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。按零部 件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加 工方法(粉浆、热压、挤压、可塑)。陶瓷材料的切削加工性差， 除了采用SiC或金刚石砂轮进行磨削加工以外，几乎不能进行任 何切削加工。
效的预防措施具有十分重要的意义。
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二、失效形式——零部件常见的失效形式有变形失效、断裂
失效、表面损伤失效及材料老化失效等。
1．变形失效
(1)弹性变形失效
一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发 生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作
能力。
例如，镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅 会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使 轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。 产生原因：引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚 度不足。 预防：要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料。 3
种。
(1)韧性断裂失效 材料在断裂之前所发生的宏
观塑性变形或所吸收的能量较
大的断裂称为韧性断裂。工程 上使用的金属材料的韧性断口
多呈韧窝状，如图所示。
韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致塑性变形或塑性变形很小(<2％～5％) 的断裂称为脆性断裂。 包括：疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断 裂等形式。 ①疲劳断裂失效 零部件在交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下 发生的突然脆断，称为疲劳断裂。 由于疲劳断裂是在低应力、无先兆情况下发生的，因此，具 有很大的危险性和破坏性。
析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本
的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。
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二、典型零部件选材及工艺分析 1．齿轮类零件的选材 (1)齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求 齿轮在传递动力时，由于与其他齿轮等零件接触，轮齿 表面承受着强烈的摩擦和接触疲劳应力，轮齿根部承受着 较大的弯曲疲劳应力。同时，由于换挡、启动、制动或啮 合不均匀等原因使轮齿承受着冲击载荷。 齿轮的主要失效形式为断齿、齿面磨损和接触疲劳破坏。 除过载(主要是冲击载荷过大)外，轮齿根部的弯曲疲劳应 力是造成断齿的主要原因。齿面接触区的强烈摩擦，会使 齿厚减小、齿隙加大，从而引起齿面磨损失效。在交变接 触应力作用下，齿面产生微裂纹，并逐渐剥落，形成麻点， 造成接触疲劳失效。 为适应齿轮的工作条件，避免过早失效，要求齿轮材料 具有高的弯曲疲劳强度、高的耐磨性和接触疲劳强度，轮 26 齿心部要有足够的强度和韧性。
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3．经济性原则 选材的经济性原则是指在满足使用性能要求的前提下， 采用便宜的材料，使零部件的总成本达到最低，以取得 最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势， 尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本，
减少运输、实验研究费用。
当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最便宜 的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分
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显著特征：是断口上的疲劳裂 纹扩展区比较平滑，通常存在 疲劳休止线或疲劳纹。 产生部位： 疲劳断裂的断裂源多发生在 零部件表面的缺陷或应力集中 部位。 预防：提高零部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表 面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。