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1、第九章 工程材料的选用内容提要： 本章按照失效模式与失效机理对零件失效形式进行分 类，介绍各种失效形式，包括畸变失效、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（畸变失效、断裂失效、磨损失效 及腐蚀失效）的特点。掌握机械零件选材原则 学习建议： 在学习了有关材料的基本知识和各种工程材料之后， 本章开始接触到材料的实际应用，学习如何正确选材 及工艺路线设计。应当综合应用前面几章的基础知识 。 失效：主要指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状 或材科的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的 功能。失效导致严重事故事例l失效几种情况：(1)零件完全破坏，不能
2、继续工作；(2)虽仍能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。(3)零件严重损伤，继续工作不安全。第一节：机械零件的失效一 、 失效的形式按失效模式和其相应的失效机理分类。失效模式：是指失效的外在宏观表现和规律，失效机理：是指引起失效的微观的物理、化学变化过程的本质，这种失效模式和失效机理相结合的分类就是 宏观和微观相结合由表及里地揭示失效的物理本质的过 程。表是根据机械零件最常见的失效模式进行的分类，归纳为畸变失效、断裂失效、表面损伤失效三大类型，每一 类型又可分为几种不同的情况，同时列出了各种类型的 失效所相应的失效机理。第一节 零件失效形式 一、 过量变形失效l体现： (1)不能承受所规定
3、载荷；(2)不能起到规定的作用；(3)与其他零件的运转发生干扰例如：车间用的大型吊车，其大车横粱通过两边的各两 个车轮跨支于两边的钢轨上。当其吊物工作时，横粱必产 生一定的挠度，如果超过规定的许用挠度，两边车轮由于 梁的弯曲变形以及相应粱的两端过大转角变形导致车轮挤 住了轨道造成畸变失效(运行干扰)。1弹性畸变失效l弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，不恰当的变 形量导致失效。l拉、压变形的杆、柱类零件，过大的弹性畸变量导致 支承件(如轴承)过载，机械因丧失尺寸精度造成动作失 误。l 弯、扭变形的轴类零件，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。如轴承的严重偏 载，甚至咬死，
4、导致传动失效；l 某些控制元件，如温控元件，予定的弹性变形(挠度) 是温控装置的精度的保证。l 影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材料 的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。2 塑性畸变失效是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)。l影响因素：(1)材质缺陷它包括材料本身的冶金缺陷和热加工缺陷，其中较为常见的是热处理不良 造 成的缺陷。如淬火时，加热温度或冷却速度不合适，导致较软的组织的 形， 从而未达到所需的硬度和屈服强度。导致零件在工作时发生塑性畴变 失效。(2)使用不当这是导致塑性畸变的另一原因。使用不当主要是严重过载和润滑不当。如 齿轮传动是在过高的
5、压力或润滑不足的条件下运行，齿面很可能出现如鳞皱 、起脊等塑性畸变，导致齿轮失效。(3)设计失误它主要表现为对载荷估计不足，对温度的影响、材质缺陷估计太低，以及 缺少对一些重要零件的全面质量管理要求。3 翘曲畸变失效是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而 最终形成了翘曲的外形，从而导致严重的翘曲 畸变失效。这种畸变往往是由温度、外加裁荷 、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的 组合，其中以温度变化，特别是高温所导致的 形状翘曲最为严重。二、表面损伤失效l磨损 相互接触的一对金属表面，相对运动时 金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金 属表面状态和尺寸改变的现象。1. 粘着磨损 两个金属表
6、 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。 粘着磨损示意图粘着磨损磨痕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（被犁削 形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。磨粒磨损示意图磨粒磨损磨痕3.犁削磨损硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面 ，在较软材料的表面形成“犁沟”。活塞环与 缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现象） 、磨料磨损。 犁削磨损磨痕犁削磨损示意图4. 表面疲劳磨损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
7、疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。 5. 冲刷磨损冲刷磨损是由于含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损 失的磨损。6. 腐蚀磨损 腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，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。 冲刷磨损示意图 三、 断裂失效机械零件因断裂而产生的失效称为断裂失效。1、断裂失效的分类塑性断裂脆性断裂疲劳断裂蠕变失效断裂2、断口的分析方法断口分析是断裂失效分析的关键，是断裂失效分 析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。例：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 脆性断裂实物
8、 脆性断裂断口(解理花样)沿晶断口(冰糖花样)疲劳断裂显微形貌汽车板簧断裂失效板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠。折叠造成了表面裂纹。疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况分析，板簧断裂位置处于应力 集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。四.腐蚀失效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。一）均匀腐蚀均匀腐蚀 ： 在整个金属的表面均匀地发生腐蚀。腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的 化学成分和显微组织，腐蚀环境包围金属表面是均匀 而且不受限制。均匀腐蚀可在大气、液体以及土壤里产生
9、。钢材在大气中所产生的锈蚀；铜在土壤里的锈蚀。二)点腐蚀腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度 扩展成孔穴甚至穿透(孔蚀)。 金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部 电池”，其中受破坏处是阳极，未受破坏处 是阴极，腐蚀电流由阳 极流向周围的阴极，阳 极处很快被腐蚀成小孔。点腐蚀示意图 三) 晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。晶间腐蚀示意图 腐蚀失效举例（汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效分析）弹簧材料为碳素弹簧钢.长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡 ，受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧 丝的截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。 在阀芯受到向上的作用力F 时，
10、弹簧破断。阀芯失去密封作用。使气体泄漏，造成气压降 低，刹车失灵，造成严重事故。二、失效的基本因素1。设计因素为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。根据零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发生的失效模式，建 立给定条件下正常工作的准则，确定合适的材质、尺寸、结构，提 出必要的技术文件。技术文件 设备图纸和设计计算说明书。如设计有误, 则机械设备或零件将不能使用或过早失效。2。制造(工艺)因素工艺缺陷往往是使零件达不到设计要求而导致失效的重要因素。 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
11、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。3、安装调试因素安装过程达不到所要求的质量指标，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。 4、材质因素 选材不当使零件达不到设计要求而导致失效。 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5、运转维修因素 不正确的运转参数、忽视维修，导致零件失效。 运转工况参数(载荷、速度等)的监
12、控是否准确； 定期大、中、小检修的制度是否合理、执行； 润滑条件是否保证, 润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑装置冷却、加热和过滤系统功能是否正常。第三节机械零件选材原则 一、使用性能原则一）机械零件正确选材的使用性能原则使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能 、物理性能和化学性能。机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下 工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。二）零件使用时的工作条件（1）受力状况 主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等) 和大小；载荷的形式；载荷的特点等。（2）环境状况 主要是温度特
13、性、介质情况等。（3）特殊要求 如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。三）零件根据使用性能选材的步骤对零件工作条件和失效形式全面分析，确定零件 对使用性能的要求；根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命、安全性等，确定要求性能的具体数值；利用材料手册根据使用性能选材。常用零件的工作条件和失效形式 零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的数据完全相同，必须注意以 下情况：材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。材料的性能与试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。材料的化学
14、成分、加工处理的工艺参数都有一定波动范围。二、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。一）高分子材料零件选材的工艺性能原则高分子材料成形容易，方法较多。 高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热 ，易使工件温度急剧升高，使其变焦(热固性塑料)或 变软(热塑性塑料)。高分子材料主要成形工艺的比较工艺适用材料形状表面 粗糙度尺寸精度模具费 用生产率热压成形范围较广复杂形状很低好高中等喷射成形热塑性塑料复杂形状很低非常好很高高热挤成形热塑性塑料棒类低一般低高真空成形热塑性塑料棒类一般一般低低高分子材料的加工工艺路线 二）陶瓷材料零件选材的工艺性能原
15、则 陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料各种成形工艺比较工 艺优 点缺 点粉浆成形可做形状复杂件、薄塑件，成本低收缩大，尺寸精度低，生产率低压制成形可做形状复杂件，有高密度和高强 度，精度较高设备较复杂，成本高挤压成形成本低，生产率高不能做薄壁件，零件形状需对称可塑成形尺寸精度高，可做形状复杂件成本高陶瓷材料的加工工艺路线 三）金属材料零件选材的工艺性能原则 金属材料加工的工艺路线复杂，变化多。加工工 艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。金
16、属材料的加工工艺路线性能要求不高的金属零件的工艺路线：毛坯正火或退火切削加工零件。性能要求较高的金属零件的工艺路线：毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬 火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工零件。性能要求较高的精密金属零件的工艺路线：这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺 寸精度和表面光洁度。毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬 火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处 理或氮化精加工稳定化处理零件。三、经济性原则一）、材料的价格 零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的比率，一般可占产品价格的 30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。二）、零件的总成本 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。三）、国家的资源随着工业的发展，资源和
