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1、第一节 零件失效分析,第二节 材料选择原则,第三节 典型零件选材与工艺分析,第四节 材料与环境及可持续发展,第十四章 工程材料的选用与发展,第五节 新材料研究的发展趋势,第一节 零件失效分析,任何零件均具有一定的设计功能与寿命。当其在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。就选材而言，由于选材过程在很大程度上依赖于对以往使用经验的分析，特别是对失效原因和机制的分析，找出零件的最薄弱环节，进
2、而可直接确定零件的某种（或某些）必要性能，并推断出材料应达到的性能指标。,一、基本概念,零件失效形式多种多样，通常按零件的工作条件及失效的特点将失效分为四大类：即过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级。对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。失效形式不同，则对材料的主要性能要求也不相同，如零件发生过量弹性变形失效时，其主要性能应是材料的刚度（刚性），就选材而言，应选高弹性模量（E、G）的材料。,二、失效形式,造成零件失
3、效的原因错综复杂、多种多样，一般将其分为四个主要方面：设计、材料、加工与使用，见表14-2。,三、失效原因,表14-2 零件失效的主要原因,失效原因,设计与失效之间关系密切，如结构形状不合理导致的应力集中、安全系数选择过大或过小均是常见的设计错误。,（一）设 计,失效原因,材料是零件安全工作的基础，因材料而导致失效的原因主要表现在两方面：其一是选材不当，这是最重要的原因；其二是材质欠佳，如各种冶金缺陷（气孔、疏松、夹杂物、杂质含量等）的存在且超过规定的标准。,（二）材 料,失效原因,产品在加工制造过程中，若不注意工艺质量，则会留下各种冷、热加工缺陷而导致零件早期失效。如各种裂纹缺陷（铸、锻、焊
4、、热与磨削裂纹）、组织不均匀缺陷（粗大组织、带状组织等）、表面质量（刃痕等）与有害残余应力分布等。,（三）加 工,失效原因,零件安装时配合不当、对中不良等，维修不及时或不当，操作违反规程均可导致工件在使用中失效。据报道，在260例压力容器失效中，属操作不当而造成失效的高达75%。 应该说明的是：工件失效的原因可能是单一的，也有可能是多种因素共同作用的结果，但每一失效事件均应有一导致失效的主要原因，据此可提出防止失效的主要措施。,（四）使 用,失效分析工作涉及到多门学科知识。其实践性极强，快速准确的分析结果要求有正确的失效分析方法。一般认为失效分析的基本步骤如下： （一）调查取证 调查取证是失效
5、分析最关键、最费力、也是必不可少的程序，主要包括两方面内容：其一是调查并记录失效现场的相关信息、收集失效残骸或样品；其二是查询有关背景资料，如设计图样、加工工艺等文件、使用维修情况等。,四、失效分析的基本步骤与方法,失效分析的基本步骤与方法,对所收集的资料、证据进行整理，并从零件的设计、加工及使用等多方面进行分析，为后续试验明确方向。,（二）整理分析,对失效试样进行宏观与微观断口分析以及必要的金相分析，确定失效的发源地与失效形式，初步指示可能的失效原因。,（三）断口分析,失效分析的基本步骤与方法,包括成分及均匀性分析、组织及均匀性观察、与失效方式有关的各种性能指标的测试等，并与设计要求进行比较
6、，找出其不符合规范之处。,（四）成分组织性能的分析与测试,综合各方面的证据资料及分析测试结果，判断并确定失效的具体原因，提出防止与改进措施，写出报告。,（五）综合分析得出结论,第二节 选 材 原 则,研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采用的材料和加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断、优化过程。毫无疑问，所选材料应满足产品（零件）使用的需要，经久耐用，易于加工，经济效益高。因此，选材一般应遵循三个基本原则：使用性能、工艺性能和经济性能，它们是辩证的统一体。在大多数情况下，使用性能是选材的首要
7、原则与依据，然后再综合考虑工艺性能和经济性能，得出优化结果。,（一）使用性能简要分类 使用性能是材料满足使用需要所必备的性能，它是保证零件的设计功能实现、安全耐用的必要条件，是选材的最主要原则。不同用途的零件要求的使用性能是不同的，见表14-3。对结构零件而言，其使用性能要求以力学性能为主，物理性能和化学性能要求为辅；对功能元件而言，其使用性能则以各种功能特性为主，以力学性能、化学性能为辅。实际上零件对材料的使用性能要求是多因子的，因而必须首先准确判断零件所要求的某个（或某几个）使用性能，然后方可进行具体的选材工作。,一、使用性能选材原则,使用性能选材原则,（一）使用性能简要分类,表14-3
8、使用性能要求的简单分类,使用性能选材原则,1）分析零件的工作条件，确定其使用性能。零件的工作条件分析包括：受力情况，如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小、应力状态（含残余应力）；工作环境，如工作温度（常温、高温、低温或变温）、工作介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；其它特殊要求，如导热性、密度（重量要求）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。,（二）按使用性能选材的具体方法与步骤,使用性能选材原则,2）进行失效分析，确定主要使用性能。
9、在工程应用中，失效分析能暴露零件的最薄弱环节，找出导致失效的主导因素，直接准确地确定零件必备的主要使用性能。如过去人们认为发动机曲轴的主要使用性能是高冲击抗力（韧性），必须采用锻钢制造。而失效分析结果表明：曲轴的失效形式主要是疲劳断裂，以疲劳抗力为主要性能要求来设计制造曲轴，其质量和寿命可显著提高，故可采用价格便宜、工艺简单的球墨铸铁来制造。,（二）按使用性能选材的具体方法与步骤,使用性能选材原则,3）将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体数值的要求。通过分析、计算，将使用性能要求指标化、量化，例如使用性能要求为“高硬度”时，应将其转化为如“60HRC”或“6266HRC”等。再按这些
10、性能指标数据查找有关手册中各类材料的性能数据及大致应用范围，进行判断、选材。,（二）按使用性能选材的具体方法与步骤,使用性能选材原则,1.材料性能与零件性能的关系 2.力学性能指标在选材中的应用意义 3.材料强度与塑性、韧性的合理配合 4.注意提高零件的结构效率,（三）按力学性能指标选材需注意的问题,材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。,二、工艺性能选材原则,工艺性能选材原则,总体来说，金属材料能适应的加工工艺方法最多，且工艺性能良好，这也是金属材料广泛应用的原因之一。但不同类型、
11、不同成分和组织的金属材料对不同的加工方法表现出来的工艺性能是不同的，甚至有着相当大的差异。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,1.铸造性能 凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良。在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢；在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用作铸件。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,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
12、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。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,3.焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之、高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不太好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,4.机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工
13、性最重要。一般来说，材料的硬度越高，加工硬化能力越强，切屑不易断排，刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢（如高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢）的切削加工性能较差。铝合金、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,5.热处理工艺性能 各种材料的热处理工艺性能已在本书有关章节详细介绍过。这里需要强调的是，必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化。对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当
14、地重要。,（一）金属材料的工艺性能,工艺性能选材原则,与金属材料相比，高分子材料的加工工艺路线较简单。其主要工艺为成型加工，且工艺性能良好，所用工具为成型模（其中主要为塑料模）。具体的成型方法很多，如注射成型、吹塑成型、挤压成型等。高分子材料也易于进行切削加工，但因其导热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑料）现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接与热处理，其工艺简单易行。,（二）高分子材料的工艺性能,工艺性能选材原则,陶瓷材料硬而脆且导热性较差，其制品的工艺路线也比较简单。主要工艺为成形（包括高温烧结），根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺
15、寸精度及生产率不同，可选用粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外（如氮化硼陶瓷），其它陶瓷均不可切削加工。陶瓷虽可磨削加工，但其磨削性能也不佳，且必须选用超硬材料砂轮（如金刚石砂轮）。陶瓷也可进行热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小心，否则极易产生裂纹。,（三）陶瓷材料,质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件，这就要求工程师正确处理产品的技术性与经济性（或者说功能与成本）两者间的关系。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。这对适应经济全球化的形势，对量大面广的民用产品的开发与应用，显得尤为重要。
16、所谓经济性选材原则，主要是指选择价格便宜、加工成本低的材料，其中材料成本问题是经济性选材原则的核心。,三、经济性能选材原则,（一）价值工程的基本原理 价值工程（Value Engineering，简称VE）要求以最低的寿命周期成本（C ），可靠地实现产品（或过程）的必要功能（F ），以提高其价值（V ），从而取得最佳的技术与经济效果。价值工程从当初简单的“价值分析”、“功能替代”发展到今天。提出了“以最低的费用获取所需要的功能”这一科学的思想方法，反映了在广义的技术经济问题中存在的普遍规律，即凡是实现功能就要支付费用，因而应用领域越来越广泛。,三、价值工程选材原则,价值工程选材原则,价值选材时技术与经济紧密结合的产物，是价值工程在材料选择方法中的应用。价值选材的最终目的是提高产品的价值，而衡量价值的高低要求有一套评价产品价值的方法。 价值选材一般包括选材对产品的功能分析、成本分析和价值评价三个基本要素。,（二）价值选材的基本要素,由于选材时需要考虑的因素众多，而不同的材料又具有各自的优缺点。对某个确定的零件选材时，常需对两种或两种以上的材料进行对比分析
