零部件的失效与选材.ppt

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1、第十三章第十三章 零部件的失效与选材零部件的失效与选材第一节第一节 零部件的失效零部件的失效第二节第二节 零部件的选材零部件的选材1 1第一节第一节 零部件的失效零部件的失效一、失效概念一、失效概念 所谓失效是指零部件在使用过程中，由于所谓失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状尺寸、形状或或材料的组织与性能材料的组织与性能等的变化而等的变化而失去预定功能失去预定功能的现象。的现象。零部件的失效，会使机床失去加工精度，输气管道发零部件的失效，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。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，提出失效的分析零部件的失效原因，研究

2、失效机理，提出失效的预防措施具有十分重要的意义。预防措施具有十分重要的意义。2 2二、失效形式二、失效形式零部件常见的失效形式有零部件常见的失效形式有变形失效、断裂变形失效、断裂失效、表面损伤失效失效、表面损伤失效及及材料老化失效材料老化失效等。等。1变形失效变形失效 (1)弹性变形失效弹性变形失效 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。能力。例如，镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅例如，镗床的镗杆，如果工作中产生

3、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。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：产生原因：引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚刚度不足度不足。预防：预防：要预防弹性变形失效，应要预防弹性变形失效，应选用弹性模量大的材料选用弹性模量大的材料。3 31变形失效变形失效(2)塑性变形失效塑性变形失效 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

4、形会造成零部件间相对位置变化，致使整性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。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，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。导致螺栓失效。4 42断裂失效断裂失效 断裂失效是零部件失效的主断裂失效是零部件失效的主要形式要形式，按断裂原因可分为两，按断裂原因可分为两种。种。(1)韧性断裂失效韧性断裂失效 材料在断裂之前所发生的宏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观

5、塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程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上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图所示。多呈韧窝状，如图所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。5 5(2)脆性断裂失效脆性断裂失效 材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小(25)的断裂称为脆性断裂。的断裂称为脆性断裂。包括：包括：疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和和蠕变断蠕变断裂裂等形式。等形式。疲劳断裂失效疲劳断裂失效 零部件在

6、交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下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，称为发生的突然脆断，称为疲劳断裂疲劳断裂。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。有很大的危险性和破坏性。6 6显著特征：显著特征：是断口上的疲劳裂是断口上的疲劳裂纹扩展区比较平滑，通常存在纹扩展区比较平滑，通常存在疲劳休止线疲劳休止线或或疲劳纹疲劳纹。产生部位：产生部位：疲劳断裂的断裂源多发生在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零部件表面的缺陷或应力集中部位。部位。预防：预防：提高零

7、部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表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。面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。7 7低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应工作应力远远低于材料的屈服应力作用下力远远低于材料的屈服应力作用下，由于，由于材料自身固有的裂材料自身固有的裂纹扩展纹扩展导致的导致的无明显塑性变形的突然断裂无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性，称为低应力脆性断裂。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

8、能对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标指标断裂韧性断裂韧性(K1C)来衡量，以确保安全。来衡量，以确保安全。8 8分类：分类：低应力脆性断裂低应力脆性断裂按其断口的形貌按其断口的形貌可分为可分为解理断裂解理断裂和和晶间断裂晶间断裂。金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶断裂称为断裂称为解理断裂解理断裂。解理断裂的解理断裂的主要特征主要特征是：其断口上存在河流花样是：其断口上存在河流花样(图图1 33)，它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成的。它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成

9、的。晶间断裂的断口呈冰糖状晶间断裂的断口呈冰糖状(图图134)。9 93表面损伤失效表面损伤失效 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零由于磨损、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的失效。(1)磨损失效磨损失效 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，这种现象称为现象称为磨损失效磨损失效。例如，轴与轴承、齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩

10、擦副在例如，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。服役时表面产生的损伤。工程上主要是通过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提高材料耐磨性的主要途径之一是进行表面强化表面强化。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；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。改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力

11、。1010(2)腐蚀失效腐蚀失效 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。的失效称为腐蚀失效。预防：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。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 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变接触应力作用下

12、，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。的失效。11114材料老化失效材料老化失效 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。老化是高分子材料不可避免的现象。老化是高分子材料不可避免的现象。综述：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

13、杂的失效形式。例如，应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨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。损、蠕变疲劳交互作用等。1212三、失效原因三、失效原因造成零部件失效的原因很多，主要有设计、造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。选材、加工、装配使用等因素。1设计不合理设计不合理 零部件设计不合理主要表现在零部件设计不合理主要表现在零部件尺寸和结构设计零部件尺寸和结构设计上。上。例如：例如：过渡圆角太小、尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集过渡圆角太小、尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。中而导致失效。另外，对零部件的工作条件及

14、过载情况估计不足，所设计另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够，或对环境的恶劣程度估计不足，忽的零部件承载能力不够，或对环境的恶劣程度估计不足，忽略或低估了温度、介质等因素的影响等，都会造成零部件过略或低估了温度、介质等因素的影响等，都会造成零部件过早失效。早失效。13132选材错误选材错误 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，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如存在夹

15、杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的发源地。发源地。3加工工艺不当加工工艺不当 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。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。件失效的危险源。零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等，都是产生失效的重要原因。裂等，都是产生失效的重要原因。14144装配使用不当装配使用不当 在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、在将

16、零部件装配成机器或装置的过程中，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，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，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，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。造成零部件过早失效。1515四、失效分析四、失效分析 零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈来愈受到重视。失效分析是一个涉及面很广的交叉学科，来愈受到重视。失效分析是一

17、个涉及面很广的交叉学科，掌握了正确的失效分析方法，才能找到真正合乎实际的掌握了正确的失效分析方法，才能找到真正合乎实际的失效原因，提出补救和预防措施。失效原因，提出补救和预防措施。1.失效分析的一般程序失效分析的一般程序(1)收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。(2)调查零部件的服役条件和失效过程。调查零部件的服役条件和失效过程。(3)查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。工、安

18、装、使用维护等方面的资料。1616(4)试验研究试验研究材料成分分析及宏观与微观组织分析。材料成分分析及宏观与微观组织分析。检查材料成分是否符合检查材料成分是否符合标准，组织是否正常标准，组织是否正常(包括晶粒度，缺陷，非金属夹杂物，相的包括晶粒度，缺陷，非金属夹杂物，相的形态、大小、数量、分布，裂纹及腐蚀情况等形态、大小、数量、分布，裂纹及腐蚀情况等)。宏观和微观的断口分析。宏观和微观的断口分析。确定裂纹源及断裂形式确定裂纹源及断裂形式(脆性断裂或脆性断裂或韧性断裂，穿晶断裂或沿晶断裂，疲劳断裂或非疲劳断裂等韧性断裂，穿晶断裂或沿晶断裂，疲劳断裂或非疲劳断裂等)。力学性能分析。力学性能分析。

19、测定与失效形式有关的各项力学性能指标。测定与失效形式有关的各项力学性能指标。零部件受力及环境条件分析。零部件受力及环境条件分析。分析零部件在装配和使用中所承分析零部件在装配和使用中所承受的正常应力与非正常应力，是否超温运行，是否与腐蚀性介质受的正常应力与非正常应力，是否超温运行，是否与腐蚀性介质接触等。接触等。模拟试验。模拟试验。对一些重大失效事故，在可能和必要的情况下，应对一些重大失效事故，在可能和必要的情况下，应作模拟试验，以验证经上述分析后得作模拟试验，以验证经上述分析后得Ltl的结论。的结论。(5)综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进措施，综合各方面的分析资料，最终确定失效

20、原因，提出改进措施，写出分析报告。写出分析报告。17172失效分析实例失效分析实例(1)锅炉给水泵轴的断裂分析锅炉给水泵轴的断裂分析成分分析表明，泵轴材料的含碳量成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限高于标准的上限(0.45%)，达到，达到0.4 8。泵轴的心部组织为魏氏组织，。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。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。泵显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口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

21、裂。断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂生脆性断裂。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。阶，为多源断裂。1818结论：结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，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。也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。不合格材料。根据这一分析结论，国外厂商对根据这一分析结论，国外厂商对化肥

22、厂进行了赔付。化肥厂进行了赔付。1919(2)气化炉氧管线内壁裂纹分析气化炉氧管线内壁裂纹分析 某化工厂进口装置气某化工厂进口装置气化炉的氧管线因多次泄化炉的氧管线因多次泄漏影响生产而被换下。漏影响生产而被换下。将氧管剖开后，发现其将氧管剖开后，发现其内壁存在大量裂纹，氧内壁存在大量裂纹，氧管内通有管内通有314、105 atm的饱和蒸汽和的饱和蒸汽和150、100 atm纯氧的混合气体。纯氧的混合气体。氧管材质为氧管材质为1Cr19Ni11Ti，其成分符合，其成分符合ASTM标准，组织正常，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无明显塑性变形。显微观察发现，裂纹

23、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（图向上的形态为枯树枝状（图(b)），这些都是应力腐蚀裂纹的），这些都是应力腐蚀裂纹的典型特征。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。结论：氧管内壁损伤是应力腐蚀开裂，开裂原因是选材不当。返回返回2020第二节 零部件的选材一、选材的基本原则一、选材的基本原则1使用性能原则使用性能原则 保证使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。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

24、能、物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。理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。对于机械零对于机械零件，最重要的使用性能是件，最重要的使用性能是力学性能力学性能。对零部件力学性能的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要求，一般是在分析零部件的工作条件(温度、受力状态、温度、受力状态、环境介质等环境介质等)和失效形式的基础上提出来的。根据使用性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：能选材的步骤如下：2121根据使用性能选材的步骤：根据使用性能选材的步骤：(1)分析零部件的工作条件，确定使用性能分析零部件的工

25、作条件，确定使用性能(2)分析零部件的失效原因，确定主要使用性能分析零部件的失效原因，确定主要使用性能(3)将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求(4)材料的预选材料的预选22222工艺性能原则工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。在满足使用性在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、生产效率和成本。当工艺性能与使直接影响零部件的质量、生产效率和成本。当工艺性能与使用性能相矛盾时，有

26、时正是从工艺性能考虑，不得不放弃某用性能相矛盾时，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，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工艺性能实际上成为选择材料的主导因素。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。工艺性能。2323(1)金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能铸造性能、锻造性能、切削加铸造性能、锻造性能、切削加工性能、焊接性能、热处理工艺性能等。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性能最好的是共晶成分附近的合金，铸造铝合金和铜合金，铸造铝合金

27、和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。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锻造性能最好的是低碳钢，中碳钢次之，高碳钢则较差。变，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。能进行冷热压力加工。低碳钢焊接性能最好，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。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。钢的含碳量越高

28、，其淬火变形和开裂倾向越大。选用渗碳钢时，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。火脆性；选用弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。2424(2)高分子材料的工艺性能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，在切削过程中属基本相同；但由于高分子材料

29、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。烧焦。(3)陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为陶瓷材料的加工工艺路线为备料备料 成形加工成形加工(配料、压制、烧结配料、压制、烧结)磨加工磨加工 装配装配 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工方法(粉浆、热压、挤压、可塑粉浆、热压、挤压、可塑)。陶瓷材料

30、的切削加工性差，。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用除了采用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。何切削加工。25253经济性原则经济性原则 选材的经济性原则是指在满足使用性能要求的前提下，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，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，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本，

31、减少运输、实验研究费用。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，而是指运用价值分的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本析、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。的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。2626二、典型零部件选材及工艺分析二、典型零部件选材及工艺分析1齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材(1)齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求齿轮的工作条件、主要失效形式及对性

32、能的要求 齿轮在传递动力时，由于与其他齿轮等零件接触，齿轮在传递动力时，由于与其他齿轮等零件接触，轮齿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。较大的弯曲疲劳应力。同时，由于换挡、启动、制动或啮同时，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。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。齿轮的主要失效形式为断齿、齿面磨损和接触疲劳破坏。除过载除过载(主要是冲击载荷过大主要是冲击载荷过大)外，轮齿根部的弯曲疲劳应外，轮齿根部的弯曲疲劳应力是造成断齿的主要原因

33、。齿面接触区的强烈摩擦，会使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，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。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，轮具有高的弯曲疲劳强度、高的耐磨性和接触疲劳强度，轮齿心部要有足够的强度和韧性。齿心部要有足够的强度和韧性。2727(2)典型齿轮的选材典

34、型齿轮的选材机床齿轮机床齿轮 机床齿轮的选材机床齿轮的选材是依其工作条件是依其工作条件(圆周速度、载荷圆周速度、载荷性质与大小、精度性质与大小、精度要求等要求等)而定的。而定的。右表列出了机床右表列出了机床齿轮的选材及热处齿轮的选材及热处理工艺。理工艺。2828分析：分析：机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高。击，对强度和韧性的要求都不太高。一般用中碳钢一般用中碳钢(例如例如4 5钢钢)经正火或调质处理，再进行高频经正火或调质处理，再进行高频感应加热表面淬火强化，以提高耐磨性，表面硬度可达感应加热表面

35、淬火强化，以提高耐磨性，表面硬度可达5 25 8 HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢(例如例如4 0 Cr等等)。2929分析：分析：机床齿轮的加工工艺路线为机床齿轮的加工工艺路线为 备料备料 锻造锻造 正火正火 粗机械加工粗机械加工 调质调质 精机械加工精机械加工 高频高频淬火淬火+低温回火低温回火 装配装配正火工序正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做组织准备。正火后硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做组织准备。正火后硬度一般为硬度一般

36、为180207H B。经经调质处理调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为为3 34 8 HRC。高频淬火高频淬火+低温回火低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面的接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火轮表面的接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2 H RC，表面形成

37、压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。在使用状态下，在使用状态下，齿轮表面的显微组织为回火马氏体，心部为回齿轮表面的显微组织为回火马氏体，心部为回火索氏体。火索氏体。3030汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗合金渗碳钢碳钢(例如例如20CrMnTi、20 MnVB)制造。制造。其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料 锻造锻造 正火正火 机械加工机械加工 渗碳渗碳

38、 淬火淬火+低温回火低温回火 喷丸喷丸 磨削磨削 装配装配正火处理正火处理的作用与机床齿轮相同。的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火经渗碳、淬火+低温回火低温回火后，齿面硬度可达后，齿面硬度可达5 862 HRC，心部硬度为心部硬度为3545 HRC。喷丸处理喷丸处理能使齿面硬度提高能使齿面硬度提高23 HRC，并提高齿面的压应，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。力，进一步提高接触疲劳强度。在使用状态下，齿轮表面的显微组织为回火马氏体在使用状态下，齿轮表面的显微组织为回火马氏体+残余奥残余奥氏体氏体+颗粒状碳化物，心部淬透时为低碳回火马氏体颗粒状碳化物，心部淬透时为低碳回火马氏体(+铁

39、素铁素体体)，未淬透时为索氏体，未淬透时为索氏体+铁素体。铁素体。31312.轴类零部件的选材轴类零部件的选材 轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。零部件并传递运动和动力。(1)轴的工作条件、主要失效形式及对轴用材料的性能要求轴的工作条件、主要失效形式及对轴用材料的性能要求 轴的工作条件轴的工作条件 a传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。b轴颈承受较强的摩擦作用。轴颈承受较强的摩擦作用。c

40、承受一定的过载或冲击载荷。承受一定的过载或冲击载荷。3232轴的主要失效形式轴的主要失效形式 a疲劳断裂疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式这是最主要的失效形式。b断裂失效断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。断或扭断。c磨损失效磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。生变化。3333对轴用材料的性能要求对轴用材料的性能要求 a高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。高的疲劳强度，

41、以防止疲劳断裂。b良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。c良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。3434(2)典型轴的选材典型轴的选材对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。对于承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢对于承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢(例如例如4 5钢钢)进行调质或正火处理进行调质或正火处理；对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢(例如例如4 0 Cr)并进行调并进行调质处理质处理；对要

42、求耐磨的轴颈和锥孔部位，在对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火调质处理后需进行表面淬火；当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢(例如例如20 CrMnTi)进行渗碳淬火处理进行渗碳淬火处理。3535(2)典型轴的选材典型轴的选材机床主轴机床主轴如图所示为如图所示为C620车床主轴车床主轴简图。该主轴简图。该主轴承受承受交变扭转交变扭转和弯曲载荷和弯曲载荷，但载荷和转速但载荷和转速不高，冲击载不高，冲击载荷也不大，轴荷也不大，轴颈和锥孔处有颈和锥孔处有摩擦。摩擦。按以上分析，按以上分析，C620车床主轴可选用车床主轴

43、可选用4 5钢，经调质处理钢，经调质处理后，硬度后，硬度为为2 2 02 5 0 H B，轴颈和锥孔需进行表面淬火轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为，硬度为4 654 HRC。3636机床主轴机床主轴其工艺路线为：其工艺路线为：备料备料 锻造锻造 正火正火 粗机械加工粗机械加工 调质调质 精机械加工精机械加工 表面淬火表面淬火+低温回火低温回火 磨削磨削 装配装配正火可改善组织，消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加正火可改善组织，消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质处理做组织准备。工，并为调质处理做组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提调质可获得回火索氏体，具有较高的综合

44、力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。低温回火可获得高硬度和高耐磨性。3737汽轮机主轴汽轮机主轴汽轮机主轴尺寸大，工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离汽轮机主轴尺寸大，工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。心力和温度的联合作用。其其主要失效方式主要失效方式是是蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂。对汽轮机。对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，主轴材料除要求其在性

45、能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在对于在500以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。强度。3838根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同，所选用的材料也不根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同，所选用的材料也不同。同。对于工作在对于工作在450以下的材料，可不必考虑高温强度。如果汽以下的材料，可不必考虑高温强度。如果汽轮机功率较小轮机功率较小(12000 kW)，且主轴尺寸较大，则须选，且主轴尺寸较大，则须选用用35 CrMo钢，以提高淬

46、透性。钢，以提高淬透性。对于工作在对于工作在500以上的主轴，由于汽轮机功率大以上的主轴，由于汽轮机功率大(12500 kW)，要求高温强度高，需选用，要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢珠光体耐热钢；通常高中压主；通常高中压主轴选用轴选用25 CrMoVA或或27 Cr2MoVA钢，低压主轴选用钢，低压主轴选用15 CrMo或或17 CrMoV钢。钢。对于工作温度更高，要求更高的高温强度的主轴，可选用珠对于工作温度更高，要求更高的高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢光体耐热钢20 CrMoWV(540)或铁基耐热合金或铁基耐热合金Crl4Ni26MoTi(650)、Cr14Ni35MoWTiAl

47、(680)制造。制造。3939汽轮机主轴的工艺路线为汽轮机主轴的工艺路线为:备料备料 锻造锻造 第一次正火第一次正火 去氢处理去氢处理 第二次正火第二次正火 高温高温回火回火 机械加工机械加工 成品成品第一次正火可消除锻造内应力；第一次正火可消除锻造内应力；去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散出去，防止产生白点；去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散出去，防止产生白点；第二次正火是为了细化组织，提高高温强度；第二次正火是为了细化组织，提高高温强度；高温回火是为了消除正火产生的内应力，使合金元素分高温回火是为了消除正火产生的内应力，使合金元素分布更趋合理布更趋合理(V、Ti充分进入碳化物，充分进入碳化物，

48、Mo充分溶入铁素体充分溶入铁素体)，从，从而进一步而进一步提高高温强度提高高温强度。4040内燃机曲轴内燃机曲轴曲轴是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以曲轴是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。及振动和冲击力的作用。按内燃机的转速不同可选用不同的材料按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球墨铸铁钢或球墨铸铁；中速的内燃机曲轴选用中速的内燃机曲轴选用调质态的调质态的45钢钢、调质态的中碳合金调质态的中碳合金钢钢(例如例如40Cr)或球墨铸铁。或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用高速内燃机曲轴选

49、用强度级别再高一些的合金钢强度级别再高一些的合金钢(例如例如42CrMo)。4141内燃机曲轴的工艺路线为内燃机曲轴的工艺路线为:备料备料 锻造锻造 正火正火 粗机械加工粗机械加工 调质调质 精机械加精机械加工工 轴颈表面淬火轴颈表面淬火+低温回火低温回火 磨削磨削 装配装配各热处理工序的作用与机床主轴的相同。各热处理工序的作用与机床主轴的相同。近年来常采用近年来常采用球墨铸铁球墨铸铁代替代替45钢制作曲轴，其工艺路线为：钢制作曲轴，其工艺路线为：备料备料 熔炼熔炼 铸造铸造 正火正火 高温回火高温回火 机械加工机械加工 轴颈表面淬火轴颈表面淬火+低温回火低温回火 装配装配铸造质量是球墨铸铁的

50、关键。铸造质量是球墨铸铁的关键。首先要保证铸铁的首先要保证铸铁的球化良好、无铸造缺陷球化良好、无铸造缺陷，再经再经风冷正火风冷正火，以增加组织中的珠光体含量并细化珠光体，以增加组织中的珠光体含量并细化珠光体，提高其强度、硬度和耐磨性，提高其强度、硬度和耐磨性，高温回火的目的是消除正火所造成的内应力。高温回火的目的是消除正火所造成的内应力。4242 3汽轮机叶片的选材汽轮机叶片的选材 (1)叶片的工作条件、失效方式及性能要求叶片的工作条件、失效方式及性能要求叶片的工作条件叶片的工作条件 a受蒸汽或燃气弯矩的作用。受蒸汽或燃气弯矩的作用。b承受中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀承受中、高压