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1、第第6 6章章失效与选材失效与选材6.16.1选用选用材料的一般原则材料的一般原则 、高分子材料强度、弹性、疲劳抗、高分子材料强度、弹性、疲劳抗力、韧性比较低；减振性较好，密度很小，力、韧性比较低；减振性较好，密度很小，耐磨性较好，弹性变形大。在机械工程中耐磨性较好，弹性变形大。在机械工程中常用于制造轻载传动的齿轮、轴承和密封常用于制造轻载传动的齿轮、轴承和密封垫圈等。垫圈等。、陶瓷材料硬而脆、耐高温、耐腐、陶瓷材料硬而脆、耐高温、耐腐蚀。用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零蚀。用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件。件。、金属材料综合力学性能好，工艺、金属材料综合力学性能好，工艺性好，用来制造重要的
2、机器零件和工程结性好，用来制造重要的机器零件和工程结构件。构件。第第6章失效与选材章失效与选材6.1.1 6.1.1 材料的使用性能材料的使用性能零件的工作条件：零件的工作条件：n（）（）受力状态受力状态：拉、压、弯、扭。：拉、压、弯、扭。n（）（）载荷性质载荷性质：静载、冲击载荷、交：静载、冲击载荷、交变载荷。变载荷。n（）（）工作温度工作温度：低温、室温、高温、：低温、室温、高温、交变温度。交变温度。n（）（）环境介质环境介质：有润滑剂，接触酸、：有润滑剂，接触酸、碱、盐、海水、粉尘、磨粒等。碱、盐、海水、粉尘、磨粒等。n（）（）特殊要求特殊要求：导电、磁性、导热、：导电、磁性、导热、膨胀
3、、辐射、密度等。膨胀、辐射、密度等。6.1选用材料的一般原则选用材料的一般原则6.1.1 6.1.1 材料的使用性能材料的使用性能 使用性能：使用性能：材料在使用过程中所体现材料在使用过程中所体现出的性能出的性能。包括力学性能、工作温度、工作介质包括力学性能、工作温度、工作介质及其它特殊性能。取决于材料本身及其组及其它特殊性能。取决于材料本身及其组织。织。在利用手册上的力学性能数据时应注在利用手册上的力学性能数据时应注意零件的使用性能，由零件的工作应力、意零件的使用性能，由零件的工作应力、使用寿命或安全性与力学性能指标的关系，使用寿命或安全性与力学性能指标的关系，确定对力学性能指标要求的具体数
4、字。确定对力学性能指标要求的具体数字。6.1选用材料的一般原则选用材料的一般原则6.1.2 6.1.2 材料材料的工艺性的工艺性加工的难易程度加工的难易程度。n、高分子复合材料、高分子复合材料成形工艺比较简单，但导热差。成形工艺比较简单，但导热差。n、陶瓷材料、陶瓷材料成形后很难加工。成形后很难加工。n、金属材料、金属材料加工复杂，方法有铸造、压力加工、焊接、加工复杂，方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工及热处理。切削加工及热处理。n 4 4、铸造合金应有高的流动性，小的疏松、缩孔、偏析和吸铸造合金应有高的流动性，小的疏松、缩孔、偏析和吸气性倾向；气性倾向；n 5 5、塑性加工材料应有高的塑性
5、和低的变形抗力；、塑性加工材料应有高的塑性和低的变形抗力；n 6 6、切削加工材料应有小的切削力，切屑易处理；、切削加工材料应有小的切削力，切屑易处理；n 7 7、热处理过敏性小，氧化和脱碳倾向小，淬透性高变形和、热处理过敏性小，氧化和脱碳倾向小，淬透性高变形和开裂倾向小。开裂倾向小。机械零件切削加工硬度控制在机械零件切削加工硬度控制在170170230HBS230HBS之间，可通过热之间，可通过热处理达到。处理达到。6.1选用材料的一般原则选用材料的一般原则6.1.3 6.1.3 材料材料的经济性的经济性在满足使用性能的前提下，注意降在满足使用性能的前提下，注意降低成品零件的总成本。低成品零
6、件的总成本。零件的总成本零件的总成本：包括材料本身的价：包括材料本身的价格、加工费用及其他费用。格、加工费用及其他费用。选材原则选材原则：在满足使用性能的前提：在满足使用性能的前提下，尽可能选用价格低、工艺性能好的下，尽可能选用价格低、工艺性能好的材料；考虑我国的生产和供应情况，选材料；考虑我国的生产和供应情况，选材种类、规格应尽可能少而集中，以便材种类、规格应尽可能少而集中，以便于采购和管理。于采购和管理。6.1选用材料的一般原则选用材料的一般原则6.26.2零件零件的失效形式的失效形式6.2.1 6.2.1 零件零件的失效分析的失效分析失效失效：指零件完全破坏、严重损伤、不能继续：指零件完
7、全破坏、严重损伤、不能继续安全工作。安全工作。失效方式失效方式：变形、断裂、腐蚀、磨损。：变形、断裂、腐蚀、磨损。失效的原因失效的原因：设计、选材、加工和安装使用不：设计、选材、加工和安装使用不当。当。6.2零件的失效形式零件的失效形式6.2.1 6.2.1 零件零件的失效分析的失效分析零件的失效分析步骤：零件的失效分析步骤：n收集失效零件的残体资料；收集失效零件的残体资料；n整理失效零件的有关资料；整理失效零件的有关资料；n确定失效的发源地及失效方式；确定失效的发源地及失效方式；n测定样品的必要数据；测定样品的必要数据；n确定失效的具体原因，提出改确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报
8、告。进措施，写出分析报告。6.2零件的失效形式零件的失效形式 6.2.2 6.2.2 失效形式失效形式n弹性变形失效弹性变形失效由于发生过大的弹性由于发生过大的弹性变形而造成零件的失效变形而造成零件的失效。弹性变形的大小取决弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。的弹性模量。6.2零件的失效形式零件的失效形式 6.2.2 6.2.2 失效形式失效形式塑性变形失效塑性变形失效由于发生过量的塑性变形而造成零件的失效由于发生过量的塑性变形而造成零件的失效。塑性变形发生与否取决于零件的塑性变形发生与否取决于零件的几何尺寸几何尺寸及材料及材料的的屈服强度屈服强度。在选择
9、金属材料时，不但要选定材料的牌号，而在选择金属材料时，不但要选定材料的牌号，而且要确定热处理工艺。且要确定热处理工艺。6.2零件的失效形式零件的失效形式3 3 断裂断裂失效失效n）延性断裂失效）延性断裂失效零件承载截面已进入延性状态，产零件承载截面已进入延性状态，产生塑性变形，最后导致断裂。生塑性变形，最后导致断裂。6.2零件的失效形式零件的失效形式3 3 断裂断裂失效失效 ）低应力脆性断裂）低应力脆性断裂零件在低于材料屈服强度时发生的断零件在低于材料屈服强度时发生的断裂裂。6.2零件的失效形式零件的失效形式产生原因产生原因：零件存在尖缺口或裂纹，：零件存在尖缺口或裂纹，特别是工作在低温或受冲
10、击时。特别是工作在低温或受冲击时。预防措施预防措施：n（）保证低、中强度钢不在低应力（）保证低、中强度钢不在低应力脆断的温度范围内工作；脆断的温度范围内工作；n（）选用工作温度下冲击韧性好的（）选用工作温度下冲击韧性好的高强度钢。高强度钢。3 3 断裂断裂失效失效n）疲劳断裂失）疲劳断裂失效效零件在交变循环应零件在交变循环应力多次作用后发生的断力多次作用后发生的断裂裂。6.2零件的失效形式零件的失效形式产生原因产生原因：加工、：加工、冶炼。冶炼。断口特征断口特征：有发源：有发源区（疲劳源）、扩展区区（疲劳源）、扩展区和终断区。和终断区。3 3 断裂断裂失效失效n）蠕变断裂失效）蠕变断裂失效n
11、材料在固定载荷下，随时间的延材料在固定载荷下，随时间的延长，变形增加，最后由于变形过大或长，变形增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效断裂而导致的失效。6.2零件的失效形式零件的失效形式n 特点特点：具有永久变形。：具有永久变形。蠕变抗力的大小与熔点有关，熔蠕变抗力的大小与熔点有关，熔点越高，蠕变发生的温度越高。点越高，蠕变发生的温度越高。4 4 表面损伤表面损伤失效与选材失效与选材表面损伤失效表面损伤失效：零件在工作过程中，：零件在工作过程中，由于机械的和化学的作用，使工作表面及由于机械的和化学的作用，使工作表面及其附近的材料受到严重损伤以致失效。其附近的材料受到严重损伤以致失效。n）磨损
12、失效）磨损失效在机械力的作用下，产生相对运动接在机械力的作用下，产生相对运动接触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗，使触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗，使零件尺寸变小而失效零件尺寸变小而失效。特点特点：零件表面变得粗糙，出现许多：零件表面变得粗糙，出现许多擦伤的痕迹。擦伤的痕迹。6.2零件的失效形式零件的失效形式）磨损失效）磨损失效分类分类：n（）（）磨粒磨损磨粒磨损：由硬粒对零件表面的切由硬粒对零件表面的切削作用造成；削作用造成；6.2零件的失效形式零件的失效形式（）（）粘着磨损粘着磨损：由相对运动物体表面的由相对运动物体表面的微凸体，在摩擦时发生微凸体，在摩擦时发生焊合，然后撕开，产生焊合，然
13、后撕开，产生磨屑造成。磨屑造成。）磨损失效）磨损失效选材与防止选材与防止：n（）为降低磨粒磨损，要求材料（）为降低磨粒磨损，要求材料的硬度高，并有较多的耐磨相。的硬度高，并有较多的耐磨相。n（）在冲击载荷下，应选用较软（）在冲击载荷下，应选用较软的高锰钢。的高锰钢。n（）摩擦副选用不同材质，且摩（）摩擦副选用不同材质，且摩擦因数小，并具有一定的自润滑能力或擦因数小，并具有一定的自润滑能力或利于保存润滑剂。利于保存润滑剂。6.2零件的失效形式零件的失效形式）表面疲劳失效）表面疲劳失效相互接触的两个运动表面，相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应在工作过程中承受交变接触应力的作用，使表
14、层材料发生疲力的作用，使表层材料发生疲劳破坏而脱落，造成零件的失劳破坏而脱落，造成零件的失效。效。选材与防止选材与防止：n（）材料应有足够的硬（）材料应有足够的硬度，一定的塑性和韧性。度，一定的塑性和韧性。n（）材料含夹杂物少。（）材料含夹杂物少。n（）进行表面强化处理。（）进行表面强化处理。6.2零件的失效形式零件的失效形式）腐蚀失效）腐蚀失效由于化学或电化由于化学或电化学腐蚀引起表面损伤，学腐蚀引起表面损伤，造成零件失效。造成零件失效。选材与防止选材与防止：n）根据介质的）根据介质的成分性质选材。成分性质选材。n）零件进行各）零件进行各种表面强化处理。种表面强化处理。反应釜反应釜 6.2零
15、件的失效形式零件的失效形式6.36.3典型典型零件选材与分析零件选材与分析n1.1.轴轴的选材与工艺的选材与工艺轴的作用轴的作用：支承传动零件并传递运动和动力。：支承传动零件并传递运动和动力。轴类零件的特性轴类零件的特性：n（）都要传递一定的扭矩；承受一定的交变弯矩或拉压载荷。（）都要传递一定的扭矩；承受一定的交变弯矩或拉压载荷。n（）都用轴承支持，在滑动轴承轴颈处应有较高的耐磨性。（）都用轴承支持，在滑动轴承轴颈处应有较高的耐磨性。n（）大多要承受一定的冲击载荷；（）大多要承受一定的冲击载荷；n （4）特殊条件下受高温或介质作用。特殊条件下受高温或介质作用。1 1 轴轴的选材与工艺的选材与工
16、艺材料特性材料特性：n（）具有优良的综合力学性能。（）具有优良的综合力学性能。n（）具有高的疲劳抗力。（）具有高的疲劳抗力。n（）局部具有高的硬度和耐磨性。（）局部具有高的硬度和耐磨性。n（）其他的特殊性能（蠕变抗力、（）其他的特殊性能（蠕变抗力、耐腐蚀性）。耐腐蚀性）。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析1 1 轴轴的选材与工艺的选材与工艺按受力情况选材按受力情况选材：n（）受力不大，主要考虑刚度和（）受力不大，主要考虑刚度和耐磨性，用球墨铸铁或碳钢制造。耐磨性，用球墨铸铁或碳钢制造。n（）主要受弯曲、扭转的轴，用（）主要受弯曲、扭转的轴，用4545钢、钢、40Cr40Cr制造。
17、制造。n（）同时承受弯曲（或扭转）及（）同时承受弯曲（或扭转）及拉压载荷的轴，整个截面应力分布均匀，拉压载荷的轴，整个截面应力分布均匀，选用淬透性好的钢种。选用淬透性好的钢种。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析1 1）机床）机床主轴的选材与工艺路线主轴的选材与工艺路线特点特点：n）受弯曲、扭转。）受弯曲、扭转。n）承受的应力和）承受的应力和冲击不大，运转平稳。冲击不大，运转平稳。n）滑动轴承、锥）滑动轴承、锥孔、外圆锥面处应有一孔、外圆锥面处应有一定的耐磨性。定的耐磨性。采用采用4545号钢或号钢或40Cr40Cr钢。钢。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析1 1）机
18、床）机床主轴的选材与工艺路线主轴的选材与工艺路线工艺路线工艺路线：下料下料锻造锻造粗加工粗加工调质调质磨削磨削精车精车表面淬火表面淬火低温回火低温回火正火正火6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析1 1）机床）机床主轴的选材与工艺路线主轴的选材与工艺路线正火的目的正火的目的：得到合适的硬度，便：得到合适的硬度，便于机加工；去除内应力，改善锻造组织，于机加工；去除内应力，改善锻造组织，为调质处理作准备。为调质处理作准备。调质的目的调质的目的：得到良好的综合力学：得到良好的综合力学性能；性能；表面淬火的目的表面淬火的目的：提高硬度，增加：提高硬度，增加耐磨性，延长使用寿命。耐磨性，延长使
19、用寿命。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析2 2 齿轮齿轮的选材与工艺的选材与工艺齿轮工作特点齿轮工作特点：n）由于传递扭矩，）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲齿根承受较大的交变弯曲应力。应力。n）齿面承受较大的）齿面承受较大的接触应力，强烈的摩擦和接触应力，强烈的摩擦和磨损。磨损。n）由于换挡、启动）由于换挡、启动或啮合不良，轮齿受到冲或啮合不良，轮齿受到冲击。击。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析2 2 齿轮齿轮的选材与工艺的选材与工艺齿轮材料主要性能齿轮材料主要性能：n（）高的弯曲疲劳（）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。强度和接触疲劳强度。n（）齿面有高的
20、硬（）齿面有高的硬度和耐磨性。度和耐磨性。n（）轮齿心部有足（）轮齿心部有足够的强度和韧性；够的强度和韧性；n （4 4）较好的工艺性）较好的工艺性能。能。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析1 1）机床）机床齿轮的选材与工艺路线齿轮的选材与工艺路线机床齿轮工作时受力不大，转速中机床齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不太高，一般用中碳钢或中韧性要求均不太高，一般用中碳钢或中碳低合金钢。碳低合金钢。工艺路线工艺路线：下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工高频淬火高频淬火低温回火低温回火精磨。精磨。
21、6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析3 3 箱体箱体类的选材与工艺路线类的选材与工艺路线箱体类零件结构复杂，箱体类零件结构复杂，一般只能用铸造的办法生一般只能用铸造的办法生产。受力较大，形状简单产。受力较大，形状简单的，也可选用型钢焊接而的，也可选用型钢焊接而成。成。根据受力情况及自重根据受力情况及自重要求等，可选用铸钢、铸要求等，可选用铸钢、铸铁、铸造铝合金以及工程铁、铸造铝合金以及工程塑料等。塑料等。6.36.3典型典型零件的选材分析零件的选材分析6.46.4典型典型零件和手工工具的热零件和手工工具的热处理分析处理分析n6.4.1 6.4.1 热处理热处理的工序位置的工序位置n
22、预备热处理预备热处理包括退火、正火等。包括退火、正火等。主要作用主要作用：n）消除前一工序造成的缺陷（如）消除前一工序造成的缺陷（如内应力、晶粒粗大、组织与成分不均等）内应力、晶粒粗大、组织与成分不均等）。n）为切削加工作准备。）为切削加工作准备。6.4.1 6.4.1 热处理热处理的工序位置的工序位置 最终热处理最终热处理包括淬火、回火、表面热处理等。包括淬火、回火、表面热处理等。主要作用主要作用：获得所需的使用性能。：获得所需的使用性能。6.4典型零件和手工工具的热处理分析典型零件和手工工具的热处理分析6.4.3 6.4.3 简单简单手工工具的热处理手工工具的热处理n工作条件工作条件 承受较大的局部压力，摩擦和磨损。承受较大的局部压力，摩擦和磨损。n要求要求 具有较高的硬度和耐磨性，及足够的塑具有较高的硬度和耐磨性，及足够的塑性和韧性。性和韧性。n热处理热处理淬火和回火。淬火和回火。6.4典型零件和手工工具的热处理分析典型零件和手工工具的热处理分析作业作业nP79n1、2、4