§11 零件的失效与选材

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1、《工程材料》张建军主编西南大学工程技术学院§11机械零件的选材与工艺分析机械零件由于种种原因丧失其规定功能的现象，称为失效。在以下情况下都认为零件已经失效：①零件可工作但不能完成指定的功能；②零件有损伤而不能继续完全使用；③零件完全不能工作。达到预定寿命的失效称为正常失效。远低于预定寿命的不正常失效称为早期失效。§11.1.1概述§11.1机械零件的失效分析§11.1.2失效的形式②零件过量的塑性变形由于偶然的过载和材料抵抗塑性变形的能力不够，零件会产生塑性变形。过量的塑性变形也会导致机器实效。如精密机床丝杠，产生塑性变形后而使机床精度下降

2、。表现为过度的弹性或塑性变形（整体或局部的）、蠕变等。1.变形失效①零件过量的弹性变形有些零件若发生过量的弹性变形也会造成机器实效。如机床主轴、镗床的镗杆、机床的导轨等。③蠕变材料在恒力作用下，产生塑性变形。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。零件在磨擦过程中其表面损坏造成机器无法工作或失去精度的现象称为表面损伤失效。表面磨损为主要形式。表面磨损可分为:咬合磨损（粘着磨损）、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。为过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等零件的表面损伤。提高构件疲劳寿命的措施:（见下页）断裂是指

3、零件在工作过程中完全断裂，使机器无法工作的现象。断裂的方式有：过量塑性变形后的韧性断裂、低应力作用下的脆性断裂和交变应力作用下的疲劳断裂等。断裂是最危险的一种失效形式，应认真考虑如何防止断裂事故的发生。2.磨损失效3.断裂失效高温蠕变§11.1.3失效原因零件失效加工设计计算错误热处理缺陷焊接缺陷结构外形不合理工作条件估计错误冷加工缺陷铸锻造缺陷安装使用维护环境材料材质低劣选材不当操作失误过载使用维护不良安装不良腐蚀低温脆性也称为晶界强化或细晶强化。金属晶粒越小，其强度越大，韧性和塑性越好。是提高材料性能的最好手段之一。二）提高材料性能的途

4、径机械设计和机器制造者所遇到的大多数问题是材料的强化和选用问题。为防止零件过早实效，应通过各种途径来提高材料的性能。1．提高材料强度的几个途径①固溶强化当二种或二种以上元素形成合金时，溶质原子溶入溶剂的晶格中，使晶格产生很大畸变，从而产生强度升高的现象。大多数材料都不同程度地利用了固溶强化。②加工硬化实质是金属塑性变形时的位错强化。典型的例子如弹簧钢丝的冷拔、零件表面的喷丸处理等。③细化组织强化④相变强化④相变强化通过热处理使材料产生贝氏体相变、马氏体相变来强化。方法是将形变强化（锻、轧等）与热处理强化结合起来，提高材料的综合力学性能。2．

5、提高材料韧化的途径①细化晶粒细化晶粒，不仅提高强度，而且也能提高材料的韧性。②形变热处理③低碳马氏体强韧化§11.1.4失效分析现场调查失效特征服役条件失效部位取样分析查阅相关原始资料原始资料的正确性制造过程的执行情况冷热加工质量材料成分综合分析解决方案正在使用和库存件的解决方案新生产件的解决方案台架试验使用考验选材的首要任务是准确判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料应具备的主要性能指标及具体数值并进行选材。工作条件是指：①零件的受力情况，如载荷形式、载荷性质、摩擦状况等；②环境状况，如工作温度、介质等；③特殊要求，如导热性、导电性

6、、导磁性等。如重要齿轮，应把疲劳强度、抗弯强度、接触疲劳抗力、硬度作为主要性能指标。§11.2机械零件选材的一般原则§11.2.1选材的一般原则一）使用性能原则1．分析零件的工作条件，确定使用性能一般原则是首先保证使用性能，同时兼顾工艺性和经济性。2．进行失效分析，确定使用性能①通过分析、计算，按数值从手册的材料性能数据大致使用性能中进行选材；②对高温和腐蚀介质中工作的零件，应要求有良好的抗氧化性和耐蚀性；③对有特殊性能要求的零件，应依据材料的物理性能和化学性能选材。即要找出产生失效的主导因素，为较准确地确定零件主要性能提供实践的可靠依据。

7、（失效分析过程图）3．从零件使用性能要求提出对材料性能的要求工艺性主要指：①铸造性能包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等；②压力加工性能包括冷加工性能和热加工性能；③焊接性能④切削加工性能⑤热处理工艺性能二）工艺性原则在满足使用性能和工艺性能的前提下，选材时要注意价格便宜、成本低廉，还要注意加工费用。约占零件成本的30%～70%。我国常用金属材料的相对价格如下表所示。三）经济性原则1．材料的价格我国常用金属材料的相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1普通低合金结构钢1.25优质碳素结构钢1.3～1.5易切削钢1.7合金结构钢（Cr-Ni除外）1

8、.7～2.5碳素工具钢1.6低合金工具钢3～4灰铸铁件～1.4球墨铸铁件～1.8可锻铸铁件2～2.2碳素铸钢件2.5～3铸铝合金、铜合金8～102．材料的加工费用一般占零件成本的