工程材料学 第11章 机械材料设计与选材
机械工程材料 第11章 其它工程材料
第二节 陶瓷材料
（2）氮化硅陶瓷（以Si3N4为主晶相 ）
性能：“像钢一样强、金刚石一样硬、铝一样轻” 制备方法：
热压烧结Si3N4 ： Si3N4粉为原料+添加剂 高温、高压下烧结成型 加工较困难，用于制造形状简单的耐磨耐热零件和 刀具
第二节 陶瓷材料
由含氟单体共聚而成。 • 优点：耐高温达300℃，耐酸碱，耐油性最好，抗辐射；电绝
缘性、机械性能、耐化学腐蚀性、耐臭氧、耐大气老化 性均优良。 • 缺点：加工性差，耐寒性差，弹性透气性较低，价格昂贵。 • 使用温度范围：－20℃~＋200℃。 主要用于制造飞机、火箭 上的耐真空、耐高温、耐化学腐蚀的密封材料、胶管或其他零件 及汽车工业。
即 M=m×n
第一节 高分子材料
2、高分子化合物的合成方法
大分子链通过分子键结合在一起形成聚合物，聚合物的 相对分子量必须要达到一定的数量才能显示某种力学性能。
单体通过聚合反应形成聚合物。
常见的聚合反应有：
均聚反应：加聚反应的单体只有一种
➢加聚反应
共聚反应：加聚反应的单体有两种或多种
➢缩聚反应
第一节 高分子材料
(2) 按功能可分为
通用塑料：产量大，应用广，力学性能一般，如聚氯乙烯、聚 苯乙烯、 酚醛塑料等
工程塑料：力学性能较高或具有特殊性能 ，如聚甲醛、聚酰胺 、ABS、聚碳酸酯等
类别
热塑性 塑料
热固性 塑料
第一节 高分子材料
热塑性塑料与热固性塑料
典型塑料及代号
特征
聚氯乙烯（PVC） 聚乙烯（PE） 聚丙烯（PP） 聚酰胺（PA） 缩醛塑料（POM） 聚碳酸脂（PC）
华南理工大学机械工程材料课件-第十一章教程
第一节机械零件的失效形式第二节选材的基本原则
第三节热处理方案的选择及热处理技术的标注第四节预防和控制热处理变形的方法及措施第五节
典型零件选材与工艺分析
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失效分析是机械产品设计、制造的依据；
1943年美国T-2油轮发生断裂
形的情况下突然发生的脆性断裂往往会造成灾难性事故
形的情况下突然发生的脆性断裂，往往会造成灾难性事故。
防止脆断的方法：准确分析零件所受应
防止脆断的方法
力及应力集中的情况，选择满足强度要
求并具有定塑性和韧性的材料
求并具有一定塑性和韧性的材料。
断口分析：是断裂失效分析的核心，同
时又是断裂失效分析的向导，指引断裂
时又是断裂失效分析的向导指引断裂
失效分析少走弯路。
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2）初始成本↓，质量↓，附加成本↑。
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组织要求等。
C620车床主轴及热处理技术条件
建议加厚槽底
开工艺孔危险截面
攻丝凸轮及其变形情况
开艺孔
合理安排孔洞位置变不通孔为通孔
采用封闭结构采用对称结构弹簧卡头
镗杆截面
磨床顶尖45钢齿轮
汽车变速箱齿轮
3. 机床齿轮
轴的失效形式：
直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断
⑴车床主轴
C620车床主轴简图
e)时效:消除磨削应力，稳定组织及尺寸，满足精度要求；
内燃机曲轴
175A型柴油机曲轴简图
热锻模机床床身手术等
5CrNiMo热锻模、机床床身、手术刀等。
刃具材
刃具选材。
工程材料第11章选材
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 只要发生上述任何一种情况，都认为零件已经失效
失效分析的目的就是找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施
主讲教师 马艳萍
材料的选用
机械工程材料
零件失效形式分类
主讲教师 马艳萍
材料的选用
机械工程材料
失效分析与选材
弹性变形失效与选材：指标是σe。在容易发生弹性变形失效 时，应选用具有高弹性模量的材料。
塑性变形失效与选材：指标是材料的σs。在经典设计中，σs 是衡量材料承载能力的最重要指标。 脆性断裂失效与选材：指标是ak、韧脆转变温度和断裂韧性 疲劳断裂失效与选材：疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿 命两种。 蠕变失效与选材：主要考虑材料的工作温度和工作应力。 表面损伤失效与选材：在有摩擦应力存在的场合，应考虑表 面损伤的影响。
主讲教师 马艳萍
材料的选用
机械工程材料
机床变速箱齿轮选材及工艺
一般选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可 选用中碳合金钢(40Cr钢)。
工艺路线为：
下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工 →高频淬火及低温回火→精磨
冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT5005、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外, 有 的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿 轮, 工作时传动平稳, 噪声减少, 长期使用磨损很小。
材料的选用
机械工程材料
第 11 章
材料的选用
主讲教师 马艳萍
材料的选用
华中科技大学工程材料学课件第11章机械设计与选材
击应力，不能断裂或超量的变形。 • 适应工作环境 温度、电、磁、热、腐蚀等作用下，热
膨胀不能超限，绝缘或导电，合理的外观。 • 保证零件经久耐用 即零件要有一定的寿命。
工程材料学
二、使用性能原则
零件根据使用性能选材的步骤
通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零 件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应关
三、零件失效形式与性能之间的关系
1．变形失效
过量弹性变形失效：由于发生过大的弹性变形而造成的零件 失效。弹性变形超过了工作能容许的范围，造成与其配合
的零件相撞而破坏E；v细al长ua杆ti的on弹o性n失ly稳. 而发生塑性弯曲或 eated w断小i裂。th。A材sp料o的se弹.S性li模de量s仅fo决r 定.N于E成T分3，.5热C处lie理n对t P其r影of响ile较5.2.0
要考虑Co材p料yr的ig韧h性t 2，0特19别-2是0冲19击A韧s性po的s脆e P性t转y 变Lt温d.度。
疲劳断裂失效：在低于屈服应力的交变循环应力作用下发生的 断裂，是机械零件的主要失效形势之一。机械设计的校核 用σ-1（疲劳强度），材料的实质是裂纹扩展速率，它要求 材料有良好的强韧性配合。但在设计中应考虑工作时实际 发生的循环次数，不可都以无限次校核。
1、使用性能原则
使用性能主要指E零v件alu在a使tio用n状o态nl下y.应具有的力学性 eated能w、i物th理A性s能po和se化.S学li性de能s。for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0
第十一章机械工程材料的选择及应用
92第十一章 机械工程材料的选择及应用掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，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，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。
当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。
这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。
所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。
一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标，时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标， 则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
§11.1 零件的失效形式与提高材料性能的途径一、零件的失效与失效分析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。
工程材料课件 第十章 机械设计与选材
2020/10/22
机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
三、经济性廉、寿命高，是保证产品具有竞 争力的重要条件；在选择材料和制定相应的 加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。
所谓经济性选材原则，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， 而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料 对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的 技术经济效益。
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机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§3 典型零件选材与工艺分析
一、工程材料的应用概况
复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足， 综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、 比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤 其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是 最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除 在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要 结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。 但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其 应用潜力巨大、前景极其广阔。
➢②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变 温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；
➢③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面 分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如 交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求 韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。
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机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
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机电工程 赵华洋
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第十一章 材料的选用
§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
2.压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，
产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说， 铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能 有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高， 其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一 般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高 铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热 压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金， 像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用机械设计是机械工程学科的核心领域之一，它涉及到机械元件的设计、制造与应用。
而在机械设计的过程中，材料的选择与应用是至关重要的因素之一。
本文将探讨机械设计中常用的工程材料以及它们的特点与应用。
一、金属材料金属材料是机械设计中最常用的材料之一。
常见的金属材料包括钢、铁、铝、铜等。
钢具有高强度、刚性和耐磨性的特点，广泛应用于制造机械零件和结构件。
铝材轻巧、导热性好，常用于制造轻型机械零件和外壳。
铜材具有良好的导电性和导热性，适用于电子元器件的制造。
在选择金属材料时，需要考虑其强度、耐腐蚀性、导电性等特性，以及成本和可加工性等因素。
二、合成材料合成材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料。
常见的合成材料有复合材料、聚合材料、陶瓷复合材料等。
复合材料由纤维和基质组成，具有高强度、高刚度和低密度的特点，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。
聚合材料如塑料、橡胶等具有良好的抗腐蚀性和绝缘性能，常用于制造密封件和电气元件。
陶瓷复合材料具有高温耐磨性和绝缘性能，适用于高温和腐蚀环境下的应用。
三、非金属材料非金属材料包括塑料、橡胶、玻璃等。
塑料具有良好的韧性和绝缘性能，广泛应用于电器、家具等领域。
橡胶具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造密封件和减震器等。
玻璃具有透明的特性，适用于制造光学元件和仪器。
四、选材原则在机械设计中，选材的原则是根据机械零件所处的工作环境和工作要求来选择合适的材料。
首先，要考虑材料的强度和刚度，以保证机械零件在工作负荷下不发生变形和破坏。
其次，要考虑材料的耐磨性和耐腐蚀性，以延长机械零件的使用寿命。
同时，还需考虑材料的导热性、导电性和绝缘性能，以满足特定工作要求。
最后，成本和可加工性也是选材的考虑因素之一。
五、材料应用案例1. 在汽车制造领域，使用高强度的钢材制造车身和车架，以提高碰撞安全性能。
2. 在飞机制造领域，使用复合材料制造机翼和机身，以提高飞机的轻量化和燃油效率。
《机械工程材料》-机械工业出版社-第3版内容总结
《机械工程材料》机械工业出版社第3版目录第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=σ/ε= ，即EA=F/εAF /纯剪切时：G=τ/γ= ，即GA=F τ/γγτAF /弹性模量E （或切变模量G ）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限σp ，弹性极限σe ，屈服强度σs ，抗拉强度σb ，断裂强度σk2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u ：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=σe εe=21E e 221σ（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： %10000⨯-=L L L δ断面收缩率： %10000⨯-=A A A ψ越大，材料塑性越好ψδ、3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW （硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC （锥角为120°的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV （锥角为136°的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量△l 或θ（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。
即△l ≤[△l]或θ≤[θ]材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标A K 、a K冲击韧性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功A K ，单位J冲击韧度a K =A K /F K ，单位J ·cm -2 。
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齿轮的工作条件
2 齿轮的失效形式及性能要求
4
齿轮选材实例
工程材料学
齿轮的工作条件
（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，承受较大的接触应力，
并发生强烈的磨檫。 3)由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的
冲击。
工程材料学
失效形式以及性能要求
齿轮工作性能要求
齿轮要求的主要是高 的弯曲疲劳强度以及 高的接触疲劳强度
表面硬度高，疲劳强度高； 而心部应该要有足够的韧性
2.选材
备选材料一：可 以选取低中碳钢 或者合金钢。 原因：其经过表 面强化处理可以 达到要求。
工程材料学
• 备选材料2：高分子材料。 • 重量轻，摩擦系数小，减震性能强，噪音小，不
需润滑。但是强度低不能受较大载荷
工程材料学
2. 弹簧零件的选材 （1）汽车板簧 一般选用65Mn、60Si2Mn钢制造。重型 载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnMoVNb钢制造。 工艺路线： 热轧钢带（板）冲裁下料→压力成形→淬火→中温回火→ 喷丸强化
热处理工艺：淬火温度为850-860℃（60Si2Mn钢为870℃），采用油冷， 组织为马氏体。回火温度为420-500℃，组织为回火屈氏体。 σ0.2不低于 1100MPa,硬度为42-47HRC,冲击韧度αK为250-300kJ/m2
5. 腐蚀磨损 金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产
生表层金属的损失或迁移现象。化学反应会增强机械磨损作用。
工程材料学
失效案例1：中间轴疲劳断裂
故障现象
•
中间轴零件形状见图1，在做台架试验的过程中，
累计运行18.9万次后发生断裂，其部位在螺纹与齿部
台阶的根部。
• 中间轴设计技术要求
工程材料学
实例（1）机床齿轮
机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，工作平稳无强烈冲 击。一般可选中碳钢制造，如45钢；为了提高淬透性，也可选 用中碳合金钢，如40Cr、45MnB、35CrMo等。
工程材料学
• 机床齿轮的加工路线
工艺路线为： 下料一锻造一正火一粗加工一调质一精加工一轮齿高频淬
工程材料学
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第三节：选材原则
使用性原则
力学性能 物理Leabharlann 能选 材 原 工艺性原则 则
化学性能 铸造性能 锻造性能
焊接性能
经济及环境 友好性原则
材料的价格 资源与环境
切削加工性能
热处理性能
零件的总成本 材料的环境友好
与循环使用
工程材料学
机械零件选材的一般程序
工程材料学 26
第四节：选材的典型实例分析 4-1 齿轮选材
第十一章 机械材料设计及选材
主讲人：胡树兵
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Outline
1
机械设计与选材的关系
2
机械产品的失效问题
3
选材原则
4
选材的典型实例分析
第一节：机械设计与选材的关系 1.1机械产品的设计过程
机构设计
材料设计
提出 设计 任务
技术 功能 设计
总体 结构 设计
零件形 状尺寸
设计
设
选
工艺
计
过程
总
材
设计
概念 变断裂。
初始蠕变阶段 稳态蠕变阶段 加速蠕变阶段
影响断裂的因素和防止断裂的措施
影响因素多而复杂，如屈服强度，塑性， 断裂韧性，疲劳强度等。通常采用强度 高、韧性好、疲劳强度高的材料；防止 超载，注意环境的影响。
工程材料学
工程材料学
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2.3.3磨损失效
磨损失效的基本类型有：粘着磨损、磨料 磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损、腐蚀磨 损等五种基本类型。
由于脆性断裂 造成的失效
工程材料学
• 脆性断裂宏观形貌：断裂前没有观察到明显的塑
性变形，如下图所示，断口一般与正应力垂，断 口表面平齐，端口颜色较为光亮。
工程材料学
• 脆性断裂微观断口形貌：解理花样和沿晶断口形态
金属在正应力的作用下，因原
河
子之间结合键的破坏而造成穿
流 花
晶断裂称为解理断裂。河流花
样
失效 形式
断裂 失效
韧性断裂 脆性断裂 低应力断裂
疲劳断裂 蠕变断裂 应力腐蚀断裂
表面损 伤失效
磨损 接触疲劳
腐蚀
工程材料学
2.3.1 过量变形失效（畸变失效）
• 过量弹性变形失效：由于发生过大的弹
性变形而造成的零件失效。
例如：
轴瓦材质为青铜 轴的材料为2Cr13不锈钢
钢的线膨胀系数约为青 铜一半
温度低时，会出现 “抱轴现象”
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
工程材料学
工程材料学
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2.齿轮零件的选材
根据工作条件和性能要求，齿轮一般选用低、中碳钢或其合金 钢，下表给出了一般齿轮的选材情况。
2016/4/6
工程材料学
工程材料学
齿轮选材典型实例
1.齿轮零件
1. 粘着磨损
两个金属表面的微凸部分在局部高压下产 生局部粘结(固相粘着)，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。
2. 磨料磨损
配合表面之间在相对运动过程中， 因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成 表面损伤的磨损称为磨粒(料)磨损。磨 料磨损的主要特征是表面被犁削形成沟 漕。
图
服役条 件分析
失效形式估计，确定 失效抗力和性能指标
3
工程材料学
1.2设计与制造工艺的关系 用GCr15制造量规的加工工艺路线
锻造→球化退火→机加工→粗磨→淬火→低温回火→精磨→时效
改善和稳定 量规内部组织
保证量规 外形尺寸
4
工程材料学
第二节：机械产品的失效问题
2.1 失效的概念
• 零件完全破坏不能继续工作 1
《热卷圆柱螺旋弹簧技术条件
》的相关规定
正常热处理组织： 回火屈氏体
工程材料学
失效案例2 螺旋弹簧断裂失效
断口电镜形貌：疲劳裂纹扩展区
弹簧表层有0.2mm的脱碳层
分析结论：弹簧未达到预期寿命产生疲劳断裂 的主要原因是弹簧热卷过程表层存在严重的脱 碳层，降低了表层的疲劳极限，导致实际应力 远超过了脱碳层的疲劳极限，易使裂纹萌发和 扩展。 措施：弹簧热卷过程中应加以保护，避免脱碳
火及回火一精磨
工艺路线中热处理的作用
正火 调质 高频淬火
回火
消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料具有相同的 硬度，便于切削加工，改善齿轮表面加工质量。
得到回火索氏体，可使齿轮具有较高的综合力学性能， 心部有足够的强度和韧性，并可减少齿轮的淬火变形。
通过高频淬火，提高轮齿表面硬度，提高表面耐磨性， 并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破 坏的能力。
• 能够完成工作，达不到预期作用 2
• 零件严重破损，失去安全工作能力 3
定义：产品丧失其规定功能的现象称为失效
工程材料学
机械产品的失效问题
2.2零件失效的原因
设计阶段
①其工作条件估计错误，如对工作时的过载估计不足，散热、 润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理；
②计算错误，但现在很少发生因计算错误造成的设计事故；
工艺路线：
锻造一正火一粗加工一调质一精加工一表面淬火及低 温回火--磨削加工。
补充： 如果机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。
当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢 制造，如20Cr或20CrMnTi等。
工程材料学
4.3弹簧选材
工作条件 1）弹簧在外力作用下，材料将承受弯曲应 力或扭转应力。 2）承受交变应力和冲击载荷的作用。 3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。 主要失效形式 1）塑性变形 2）疲劳断裂 3）快速脆性断裂
宏观断口形貌
微观断口 疲劳条带 工程材料学
失效案例2 螺旋弹簧断裂失效
• 故障现象
• 用户反馈螺旋弹簧在做台架疲劳实验时，四个弹簧试样
分别运行约17-18万次后疲劳断裂，未达到设计预期寿命
是20万次。
制造要求：
1）材料60Si2CrVA
2）热处理：淬火+中温回火，硬
度45-53HRC
3）弹簧的其他制造和质量应满足
• 1、材料：42CrMo
• 2、 热处理：调质，硬度 255-285HB, 花键部分感应
淬火：53-55HRC
• 3、 台架试验，输入扭矩20000 N.M，要求寿命40万次
工程材料学
案例1、中间轴疲劳断裂
• 分析结论
• 1造成疲劳断裂的主要原因是台阶处根部圆角半径太小，只有R1, 引起极
大的应力集中，实际应力远大于疲劳极限，造成裂纹源易形成，并形成多 疲劳源。 • 2 螺纹部分本身也相当于一个裂纹源，应力集中程度大，而且离台阶 根部太近，只有2-3mm。有两处疲劳裂纹从螺纹根部萌生。断口分析表明 台阶根部和螺纹根部是两个薄弱环节，多疲劳源的形成和扩展主要是这两 个部位应力集中程度太大。 • 改进措施：改进设计，加大根部圆角，取消螺纹部分，避免过大应力集中
工程材料学
实例1：机床主轴选材
工程材料学
工程材料学
分析：该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转 速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即 可满足要求。但有摩擦部位要求有较高的硬度和耐磨性。
工程材料学
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