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1、机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 l 1.7.1 机械零件的失效机械零件的失效 l 1.7.2 失效形式与分析失效形式与分析l 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤l 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.1 机械零件的失效机械零件的失效 机械零件在工作中要承受各种载荷和介质的作用，机械零件在工
2、作中要承受各种载荷和介质的作用，会造成机械零件在使用过程中发生尺寸、形状和表面质会造成机械零件在使用过程中发生尺寸、形状和表面质量的变化。这种变化超过允许值使机器达不到设计效能量的变化。这种变化超过允许值使机器达不到设计效能时即称为零件失效时即称为零件失效 。 零件在以下情况下都认为已经失效：零件在以下情况下都认为已经失效：l1 1）零件可工作但不能完成指定的功能。）零件可工作但不能完成指定的功能。l2 2）零件有损伤而不能继续完全使用。）零件有损伤而不能继续完全使用。l3 3）零件完全不能工作。）零件完全不能工作。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概
3、述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.1 机械零件的失效机械零件的失效 l达到预定寿命的失效称为达到预定寿命的失效称为正常失效正常失效。远低预定寿命的不正。远低预定寿命的不正常失效称为常失效称为早期失效早期失效。l不论何种失效，都是在外力或能量或介质作用下对零件的不论何种失效，都是在外力或能量或介质作用下对零件的损害。零件的早期失效会带来经济损失，甚至会造成设损害。零件的早期失效会带来经济损失，甚至会造成设备和人身事故。备和人身事故。l在机械产品的设计、制造过程中，正确地选择机械零件材在机械产品的设计、制造过程中，正确地选择机械零件材料和加工方法
4、，对于保证零件的使用性能，降低成本、料和加工方法，对于保证零件的使用性能，降低成本、提高生产率和经济效益，有着重要的意义。提高生产率和经济效益，有着重要的意义。 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.2 失效形式与分析失效形式与分析 引起失效的原因很多，与零件的结构设计、材料、制造、安引起失效的原因很多，与零件的结构设计、材料、制造、安装使用等有关。零件失效的诸多原因可归纳为如图所示关系装使用等有关。零件失效的诸多原因可归纳为如图所示关系 冷加工缺陷计算错误选材不当过载
5、使用安装不良焊接缺陷材料材质低劣安装使用操作失误设计加工工作条件估计错误结构外型不合理铸锻造缺陷热处理缺陷零件失效高温蠕变低温脆性腐蚀零件失效原因示意图零件失效原因示意图 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 机械零件常见的失效形式有：机械零件常见的失效形式有：l变形失效变形失效: :表现为过度的弹性或塑性变形（整体或局表现为过度的弹性或塑性变形（整体或局部的）、蠕变等。部的）、蠕变等。l磨损失效磨损失效: :过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等。过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等。
6、l断裂失效断裂失效: :包括在静载荷、交变载荷、冲击载荷作用包括在静载荷、交变载荷、冲击载荷作用下引起零件断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。下引起零件断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。1零件失效形式与失效过程分析零件失效形式与失效过程分析 1.7.2 失效形式与分析失效形式与分析 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 2失效分析过程失效分析过程 1.7.2 失效形式与分析失效形式与分析 材料成分冷热加工质量失制造过程的执行情况服役条件现场调查失效特征原始资料的正确性查阅相关原始
7、资料性失效部位取样分析综合分析解决方案正在使用和库存件的解决方案性新生产件的解决方案台架试验使用考验机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤 1 1选材的原则选材的原则 （1 1）选材的使用性原则）选材的使用性原则：l使用性能是指机械零件或构件在正常服役条件下材料应具备的性使用性能是指机械零件或构件在正常服役条件下材料应具备的性能。满足零件的使用要求是保证零件完成规定功能的必要条件，能。满足零件的使用要求是保证零件完成规定功能的
8、必要条件，是选择材料的主要依据。是选择材料的主要依据。 l在设计选材时，主要从三方面考虑：零件的承载和工况；对零件在设计选材时，主要从三方面考虑：零件的承载和工况；对零件尺寸和重量的限制；零件的重要程度。尺寸和重量的限制；零件的重要程度。l设计时，根据零件的工作条件，分析计算或测定出力学性能指标设计时，根据零件的工作条件，分析计算或测定出力学性能指标值后，即可借助手册选材。但还应注意以下问题：值后，即可借助手册选材。但还应注意以下问题：注意手册中数注意手册中数据的测定条件据的测定条件 ； 材料的尺寸效应材料的尺寸效应 ；材料成分的波动材料成分的波动。并在设。并在设计时必须考虑一定的安全系数。计
9、时必须考虑一定的安全系数。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤 （2 2）选材的工艺性原则）选材的工艺性原则：l材料的工艺性能是指材料适应某种加工的能力。材料的工艺性能是指材料适应某种加工的能力。l材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、质量、生产效率、材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、质量、生产效率、生产成本等方面有着十分重要的影响，是选材时必须同时考虑的生产成本等方面有着十分重要的影响，是选材时必须同时考虑的重
10、要因素。重要因素。l一般情况下，材料的工艺性能相对于使用性能处于从属地位。但一般情况下，材料的工艺性能相对于使用性能处于从属地位。但某些产品中，在满足使用性能的前提下，特别是在大批量生产时，某些产品中，在满足使用性能的前提下，特别是在大批量生产时，材料的工艺性能可能成为选材的主要依据。材料的工艺性能可能成为选材的主要依据。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤 （3 3）选材的经济性原则）选材的经济性原则：l在满足零件性能要求
11、的前提下，选材应使零件的生产和使用的总在满足零件性能要求的前提下，选材应使零件的生产和使用的总成本降至最低，经济效最高。成本降至最低，经济效最高。l总成本包括材料价格、零件成品率、加工费用、零件加工过程中总成本包括材料价格、零件成品率、加工费用、零件加工过程中材料的利用率、回收率、零件寿命以及材料的货源、供应、储运材料的利用率、回收率、零件寿命以及材料的货源、供应、储运综合因素。综合因素。l选材的经济性主要从以下几个方面考虑：选材的经济性主要从以下几个方面考虑：选择材料时，应在满选择材料时，应在满足使用性能前提下，尽可能选用价廉材料；足使用性能前提下，尽可能选用价廉材料；选材时要考虑材料选材时
12、要考虑材料来源，符合国情厂情；来源，符合国情厂情；用非金属材料代替金属材料；用非金属材料代替金属材料；材料的材料的利用率和再生利用率，注意节约能源，保护环境；利用率和再生利用率，注意节约能源，保护环境；材料的确定材料的确定也是产品零件销售经营，特别是来料加工的重要依据。也是产品零件销售经营，特别是来料加工的重要依据。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤 （4 4）对产品轻量化、高寿命的要求）对产品轻量化、高寿命的要求 ：l为
13、了满足某些产品高的使用寿命、轻的重量要求，在为了满足某些产品高的使用寿命、轻的重量要求，在选材时，应予充分考虑。选材时，应予充分考虑。l在选材时应尽量选择和应用最新科技成果和新型材料，在选材时应尽量选择和应用最新科技成果和新型材料，以适应现代生产的要求。以适应现代生产的要求。 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.3 材料的选择原则与步骤材料的选择原则与步骤 零件材料的合理选择通常是按照以下步骤进行的：零件材料的合理选择通常是按照以下步骤进行的：l1 1）在分析零件的服
14、役条件、形状尺寸与应力状态后）在分析零件的服役条件、形状尺寸与应力状态后, , 根据力学计算，提出抗力指标并确定技术条件。根据力学计算，提出抗力指标并确定技术条件。l2 2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，）通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中主要和次要的失效抗力指标找出零件在实际使用中主要和次要的失效抗力指标, ,以以此作为选材的依据。此作为选材的依据。l3 3）审核所选材料的生产经济性。）审核所选材料的生产经济性。 2选材的步骤选材的步骤机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失
15、效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 1轴类零件选材轴类零件选材 （1 1）轴类零件的工作条件、失效形式及对材）轴类零件的工作条件、失效形式及对材料性能要求：料性能要求：l1 1）载荷的大小、转速的高低。）载荷的大小、转速的高低。l2 2）无冲击载荷。）无冲击载荷。l3 3）滚动轴承或滑动轴承中运转。）滚动轴承或滑动轴承中运转。l4 4）滑动轴承的材料和性质。）滑动轴承的材料和性质。l5 5）精度等级要求等。）精度等级要求等。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的
16、选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 （2 2）轴类零件选材实例）轴类零件选材实例1 1：机床主轴选材：机床主轴选材l机床主轴除了承受扭转、弯曲和一定冲击载荷外，轴的一些部位还机床主轴除了承受扭转、弯曲和一定冲击载荷外，轴的一些部位还承受着不同程度的摩擦，如轴颈部位，所以应具有较高的硬度和耐承受着不同程度的摩擦，如轴颈部位，所以应具有较高的硬度和耐磨性。磨性。 l对带内锥孔或外锥体的主轴，工作时和配合件并无相对滑动摩擦，对带内锥孔或外锥体的主轴，工作时和配合件并无相对滑动摩擦，但与其配件装拆频繁，装拆过程中防止磨损，硬度应在但与其配件装拆频繁，装拆过程中防止
17、磨损，硬度应在45HRC45HRC以上；以上；高精度机床应提高到高精度机床应提高到56HRC56HRC以上以上 。l机床主轴在高速运转时要受到各种载荷的作用，如弯曲、扭转、冲机床主轴在高速运转时要受到各种载荷的作用，如弯曲、扭转、冲击等。故要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。当弯曲载荷较大、转击等。故要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。当弯曲载荷较大、转速又很高时，主轴还承受着很高的交应力。因此要求主轴具有较高速又很高时，主轴还承受着很高的交应力。因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合机械性能的疲劳强度和综合机械性能 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材
18、料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 例题例题 ：分析如图所示的车床主轴的选材和热处理：分析如图所示的车床主轴的选材和热处理机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 工作条件分析：工作条件分析： 车床主轴承受交变弯曲与扭转应力，但承受的车床主轴承受交变弯曲与扭转应力，但承受的载荷与转速不太高，冲击也不大，故材料具有一载荷与转速不太高，冲击也不大，故材料具有一般的综合机
19、械性能即可。般的综合机械性能即可。 在主轴大端的内锥孔和外锥体处，因经常与卡在主轴大端的内锥孔和外锥体处，因经常与卡盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性。动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性。 该主轴在滚动轴承中运转，轴颈硬度为该主轴在滚动轴承中运转，轴颈硬度为220220250HBW250HBW。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 材料与热处理选择材
20、料与热处理选择: : 根据上述工作条件分析，该主轴可选根据上述工作条件分析，该主轴可选4545钢。热处理技术钢。热处理技术条件为整体调质，硬度条件为整体调质，硬度220220250HBW250HBW；内锥孔与外锥体淬火，；内锥孔与外锥体淬火，硬度硬度454550HRC50HRC；花键部位高频淬火，硬度；花键部位高频淬火，硬度484853HRC53HRC 车床主轴的加工工艺路线：车床主轴的加工工艺路线： 下料下料锻造锻造正火正火机械粗加工机械粗加工调质调质机械半精加工机械半精加工局部淬火、回火（锥孔及外锥体）局部淬火、回火（锥孔及外锥体）粗磨（外圆、外锥体及粗磨（外圆、外锥体及锥孔）锥孔）铣花键
21、铣花键花键高频淬火、回火花键高频淬火、回火精磨精磨 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 轴类零件选材实例轴类零件选材实例2 2：汽车半轴选材：汽车半轴选材 工作条件及技术要：汽车半轴主要起传递扭矩使车轮转动的作用。工作条件及技术要：汽车半轴主要起传递扭矩使车轮转动的作用。工作时主要承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用。因此，要工作时主要承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用。因此，要求材料具有足够的强度和韧性，高的疲劳强度。求材料具
22、有足够的强度和韧性，高的疲劳强度。 热处理技术要求：盘部与杆心部调质热处理技术要求：盘部与杆心部调质252535HRC35HRC，为回火索氏体，为回火索氏体组织，杆部表面淬火并低温回火组织，杆部表面淬火并低温回火505058HRC58HRC，为回火马氏体组织。，为回火马氏体组织。 选材及工艺路线的制定：一般中轻型汽车的半轴选选材及工艺路线的制定：一般中轻型汽车的半轴选4545或或40Cr40Cr、40MnB40MnB钢。重型汽车的半轴用钢。重型汽车的半轴用40CrNiMo40CrNiMo钢。对于钢。对于40Cr40Cr钢制造半轴的加钢制造半轴的加工工艺路线为：下料工工艺路线为：下料锻造锻造正火
23、正火机械（粗）加工机械（粗）加工调质调质机械机械加工加工杆部中频淬火低温回火杆部中频淬火低温回火磨削。磨削。 机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 （1 1）齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求：）齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求： l1 1）齿轮的工作条件：齿轮工作时，有高的接触载荷与强烈的摩）齿轮的工作条件：齿轮工作时，有高的接触载荷与强烈的摩擦；传递动力时，接触作用力在齿根处产生很大的力矩，使齿根擦；传递动
24、力时，接触作用力在齿根处产生很大的力矩，使齿根部承受较高的弯曲应力；换挡、启动和啮合不均匀时，将承受较部承受较高的弯曲应力；换挡、启动和啮合不均匀时，将承受较大冲击载荷。大冲击载荷。l2 2）齿轮的主要失效形式：在通常情况下齿轮的主要失效形式为）齿轮的主要失效形式：在通常情况下齿轮的主要失效形式为断齿、齿面的损伤（麻点剥落和磨损等）。断齿、齿面的损伤（麻点剥落和磨损等）。l3 3）材料性能的要求材料性能的要求：高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度，高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；有足够的塑韧性特别是齿根处要有足够的强度；有足够的塑韧性。2齿轮零件选材齿轮零件选材
25、机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 （2 2）齿轮的选材分析：）齿轮的选材分析：l1 1）机床齿轮选材：机床中齿轮的工作条件和矿山机械、动力机械）机床齿轮选材：机床中齿轮的工作条件和矿山机械、动力机械中的齿轮相比，其运转较平稳、载荷较小。选材主要是由齿轮的中的齿轮相比，其运转较平稳、载荷较小。选材主要是由齿轮的具体工作条件来确定的具体工作条件来确定的 。l2 2）汽车、拖拉机齿轮选材：其耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲）汽车、拖拉机齿轮
26、选材：其耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击吸收功等各方面都比机床齿轮要求更高。实践证明，选用合金击吸收功等各方面都比机床齿轮要求更高。实践证明，选用合金渗碳钢（渗碳钢（20CrMnTi20CrMnTi）经渗碳（或碳氮共渗）、淬火及低温回火后）经渗碳（或碳氮共渗）、淬火及低温回火后使用最为合适。使用最为合适。l3 3）对于工作条件十分繁重的大模数齿轮（特别是坦克传动齿轮），）对于工作条件十分繁重的大模数齿轮（特别是坦克传动齿轮），可选用可选用18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA渗碳钢，通过渗碳淬火、低温回火、其强度、渗碳钢，通过渗碳淬火、低温回火、其强度、塑性、韧性可达到很好的配合。塑性、韧性
27、可达到很好的配合。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 3机架和箱体类零件的选材机架和箱体类零件的选材 （1 1）机架类零件的选材：）机架类零件的选材：l各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、导轨等均为典型机架类零件。轴承座、阀体、导轨等均为典型机架类零件。l机架类零件的特点是形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，机架类零件的特点是形状不规则，结构比较复杂并带
28、有内腔，工作条件相差很大。工作条件相差很大。l其中一般的基础零件，如机身、底座等应有较好的刚度及减其中一般的基础零件，如机身、底座等应有较好的刚度及减振性；工作台和导轨等，要求有较好的耐磨性和良好的刚度振性；工作台和导轨等，要求有较好的耐磨性和良好的刚度和密封性，在多数情况下选用灰铸铁或合金铸钢，个别特大和密封性，在多数情况下选用灰铸铁或合金铸钢，个别特大型的还可采用铸钢和焊接联合结构型的还可采用铸钢和焊接联合结构 。机械制造技术基础机械制造技术基础主编主编 李长河李长河 第第1章章 金属材料概述金属材料概述 1.7 机械零件的失效与材料的选择机械零件的失效与材料的选择 1.7.4 典型零件的选材典型零件的选材 （2 2）箱体类零件的选材：）箱体类零件的选材： 床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等都可视为箱体类零件。箱体类零件是机器中缸体等都可视为箱体类零件。箱体类零件是机器中很重要基础零件。由于箱体结构复杂，常用铸造的很重要基础零件。由于箱体结构复杂，常用铸造的方法制造毛坯，故箱体几乎都用铸造金属。方法制造毛坯，故箱体几乎都用铸造金属。
