第11章机械零件的失效与分析 教学提示:机械零件的失效是指其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役 的现象。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因,并提出相应的改进措施和引出机械 零件选材原则 教学要求:本章让学生在学习了机械零件失效形式的基础上,通过比较和综合分析各 种失效原因,掌握机械零件选材应考虑的主要问题,并通过对各种机械零件常用材料的分析 和课堂讨论,进一步熟悉和掌握针对不同应用场合选择机械零件材料的一般原则和方法。 11.1机械零件的失效与分析 失效是机械或机械零件在使用过程中,由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化 而引起的机械或机械零件不能完成指定功能,或机械构件丧失了原设计功能的现象。机械 零件的失效是其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役的现象。零件具有以下 表现均可视为失效:完全破坏而不能工作;虽然能工作但达不到预定的功能:损坏不严重, 但继续工作不安全。常见的失效形式可分为下列三种:变形失效、破断或断裂失效、表面 损伤引起的失效。 失效分析的目的是找出零件损伤的原因,并提出相应的改进措施。零件的损坏往往会 带来严重的后果,因此对零件的可靠性将提出越来越高的要求。此外,从经济性考虑,也 要求不断提高零件的寿命。所以机械或机械零件的失效分析将越来越重要。失效分析的结 果对于零件的设计、选材、加工以及使用,都有重要的指导意义 11.1.1机械零件的失效形式 零件在工作时的受力情况一般比较复杂,往往承受多种应力的复合作用,因而造成零 件的不同失效形式。零件的失效形式有断裂、过量变形和表面损伤三大类型 1.断裂 断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象,它 是金属构件常见的失效形式之一。断裂是一种严重的失效形式,它不但使零件失效,有时 还会导致严重的人身和设备事故。断裂可分为韧性断裂、低温脆性断裂和疲劳断裂以及蠕 变断裂等几种形式。当零件在外载荷作用下,由于某一危险截面上的应力超过零件的强度 极限或断裂强度,将发生前两种断裂;当零件在循环交变应力作用下,工作时间较长的零 件,最易发生疲劳断裂,此为机械零件的主要失效形式 ①韧性断裂失效:断裂前零件有明显的塑性变形,断口呈纤维状。 ②低温脆性断裂失效:零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时,韧性和塑性大 大降低并发生脆性断裂而失效
第 11 章 机械零件的失效与分析 教学提示：机械零件的失效是指其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役 的现象。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施和引出机械 零件选材原则。 教学要求：本章让学生在学习了机械零件失效形式的基础上，通过比较和综合分析各 种失效原因，掌握机械零件选材应考虑的主要问题，并通过对各种机械零件常用材料的分析 和课堂讨论，进一步熟悉和掌握针对不同应用场合选择机械零件材料的一般原则和方法。 11.1 机械零件的失效与分析 失效是机械或机械零件在使用过程中，由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化 而引起的机械或机械零件不能完成指定功能，或机械构件丧失了原设计功能的现象。机械 零件的失效是其服役期内因受到损伤而使机器低效工作或提前退役的现象。零件具有以下 表现均可视为失效：完全破坏而不能工作；虽然能工作但达不到预定的功能；损坏不严重， 但继续工作不安全。常见的失效形式可分为下列三种：变形失效、破断或断裂失效、表面 损伤引起的失效。 失效分析的目的是找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。零件的损坏往往会 带来严重的后果，因此对零件的可靠性将提出越来越高的要求。此外，从经济性考虑，也 要求不断提高零件的寿命。所以机械或机械零件的失效分析将越来越重要。失效分析的结 果对于零件的设计、选材、加工以及使用，都有重要的指导意义。 11.1.1 机械零件的失效形式 零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零 件的不同失效形式。零件的失效形式有断裂、过量变形和表面损伤三大类型。 1. 断裂 断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象，它 是金属构件常见的失效形式之一。断裂是一种严重的失效形式，它不但使零件失效，有时 还会导致严重的人身和设备事故。断裂可分为韧性断裂、低温脆性断裂和疲劳断裂以及蠕 变断裂等几种形式。当零件在外载荷作用下，由于某一危险截面上的应力超过零件的强度 极限或断裂强度，将发生前两种断裂；当零件在循环交变应力作用下，工作时间较长的零 件，最易发生疲劳断裂，此为机械零件的主要失效形式。 ① 韧性断裂失效：断裂前零件有明显的塑性变形，断口呈纤维状。 ② 低温脆性断裂失效：零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，韧性和塑性大 大降低并发生脆性断裂而失效
242 金属学与热处理 ③疲劳断裂失效:零件在承受交变载荷时,一定周期后仍会发生断裂,疲劳断裂为脆 性断裂 ④蠕变断裂失效:在高温下工作的零件,当蠕变变形量超过一定范围时,零件内部产 生裂纹而导致快速断裂。 ⑤环境破断失效:在负载条件下,由于环境因素(例如腐蚀介质)的影响,往往出现低 应力下的延迟断裂使零件失效 2.过量变形 机械零件受载工作时,必然会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形,对机器 工作影响不大,但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作,有时还会造成较大振动 致使零件损坏。当零件超过材料的屈服强度时,塑性材料还会发生塑性变形。这会造成零 件的尺寸和形状改变,破坏零件与零件间的相互位置和配合关系,使零件或机器不能正常 工作。变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效两种。 弹性变形是加上外载荷后就产生,卸去外载荷即消失的变形。当变形消失后,构件的 形状和尺寸完全恢复到原样。具有可逆性、单质性、变形量小等特点,所以造成的危害性 不大。而塑性变形是不可逆的变形即卸去外载荷后变形不会消失,这样的过量变形将影响 构件的使用功能 为避免上述情况出现可采取以下措施: ①选择合适的材料和构件结构,如采用高弹性模量材料或者增加承载面积。 ②准确确定构件的工作条件,正确进行应力计算 ③严格控制工艺流程,减少残余应力等 3.表面损伤 绝大多数零件都与其他零件具有静或动的接触和配合关系。载荷作用于表面,摩擦和 磨损就发生在表面,环境介质包围着表面,腐蚀就在表面产生,因此,失效大都会出现在 表面。表面损伤包括:磨损失效、腐蚀失效和表面接触疲劳失效。表面损伤后通常都会增 大摩擦,增加能量消耗,破坏零件的工作表面,致使零件尺寸发生变化,最终造成零件报 废。零件的使用寿命在很大程度上受到表面损伤的限制。 必须指出,实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。一般来说,造成一个 零件失效时总是一种方式起主导作用。失效分析的核心问题就是要找出主要的失效方式。 各类基本失效方式可以互相组合成更复杂的复合失效方式,如腐蚀疲劳、蠕变疲劳、腐蚀 磨损等。各类失效特点上都有主导方式,另一种方式为辅助方式。因此在分析时往往把失 效方式归入主导一类中,例如腐蚀疲劳,疲劳特征是主导因素,腐蚀是起辅助作用的,因 此被归入疲劳一类进行分析。 11.12机械零件的失效原因 机械零件在设计寿命内发生失效的原因多种多样,一般认为是由设计不合理、选材不 当或材料缺陷、制造工艺不合理、使用操作和维修不当等方面引起的。 1.设计不合理 由于设计上考虑步骤或认识水平的限制,设计不合理造成机械零件在使用过程中失效
·242· 金属学与热处理 ·242· ③ 疲劳断裂失效：零件在承受交变载荷时，一定周期后仍会发生断裂，疲劳断裂为脆 性断裂。 ④ 蠕变断裂失效：在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产 生裂纹而导致快速断裂。 ⑤ 环境破断失效：在负载条件下，由于环境因素(例如腐蚀介质)的影响，往往出现低 应力下的延迟断裂使零件失效。 2. 过量变形 机械零件受载工作时，必然会发生弹性变形。在允许范围内的微小弹性变形，对机器 工作影响不大，但过量的弹性变形会使零件或机器不能正常工作，有时还会造成较大振动， 致使零件损坏。当零件超过材料的屈服强度时，塑性材料还会发生塑性变形。这会造成零 件的尺寸和形状改变，破坏零件与零件间的相互位置和配合关系，使零件或机器不能正常 工作。变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效两种。 弹性变形是加上外载荷后就产生，卸去外载荷即消失的变形。当变形消失后，构件的 形状和尺寸完全恢复到原样。具有可逆性、单质性、变形量小等特点，所以造成的危害性 不大。而塑性变形是不可逆的变形即卸去外载荷后变形不会消失，这样的过量变形将影响 构件的使用功能。 为避免上述情况出现可采取以下措施： ① 选择合适的材料和构件结构，如采用高弹性模量材料或者增加承载面积。 ② 准确确定构件的工作条件，正确进行应力计算。 ③ 严格控制工艺流程，减少残余应力等。 3. 表面损伤 绝大多数零件都与其他零件具有静或动的接触和配合关系。载荷作用于表面，摩擦和 磨损就发生在表面，环境介质包围着表面，腐蚀就在表面产生，因此，失效大都会出现在 表面。表面损伤包括：磨损失效、腐蚀失效和表面接触疲劳失效。表面损伤后通常都会增 大摩擦，增加能量消耗，破坏零件的工作表面，致使零件尺寸发生变化，最终造成零件报 废。零件的使用寿命在很大程度上受到表面损伤的限制。 必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。一般来说，造成一个 零件失效时总是一种方式起主导作用。失效分析的核心问题就是要找出主要的失效方式。 各类基本失效方式可以互相组合成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳、蠕变疲劳、腐蚀 磨损等。各类失效特点上都有主导方式，另一种方式为辅助方式。因此在分析时往往把失 效方式归入主导一类中，例如腐蚀疲劳，疲劳特征是主导因素，腐蚀是起辅助作用的，因 此被归入疲劳一类进行分析。 11.1.2 机械零件的失效原因 机械零件在设计寿命内发生失效的原因多种多样，一般认为是由设计不合理、选材不 当或材料缺陷、制造工艺不合理、使用操作和维修不当等方面引起的。 1. 设计不合理 由于设计上考虑步骤或认识水平的限制，设计不合理造成机械零件在使用过程中失效
第11章机械零件的失效与分析 243· 的现象时有发生。其中结构和形状不合理,如零件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡 区等高应力区引起的失效均比较常见。 设计中的过载、应力集中、机构选择不当、安全系数过小以及搭配不合理等都会导致 机械零件失效。所以机械零件的设计不仅要有足够的强度、刚度和稳定性,结构设计也要 合理 2.选材不当和材料缺陷 杋械零件的材料选择要遵循使用性能原则、加工工艺性能原则及经济性能原则。使用 性能原则是首先要考虑的,零件在特定环境中使用,对可预见的失效形式要为其选择足够 的能抵抗该种失效的材料。如对韧性材料,可能产生屈服变形或断裂失效,应该选择足够 的屈服强度和抗拉强度;但对可能产生的低应力脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的情况下, 高强度的材料往往适得其反。在保证零件使用性能、加工工艺性能要求的前提下,经济性 也是必须考虑的。 机械零件所用的原材料一般经过冶炼、轧制、锻造、铸造等过程,在制造过程中造成 的缺陷往往也会导致零件的早期失效。冶炼工艺较差时会使金属材料中拥有较多的氧、氢、 氮,并有较多的杂质和夹杂物,这不仅会使钢的性能变脆,甚至还会形成疲劳裂纹源,导 致早期失效。轧制工艺控制不好,会使钢材表面粗糙、凹凸不平,产生划痕、折叠等,这 些缺陷都会导致失效。铸造容易使铸件产生疏松、偏析、内裂纹、夹杂沿晶间析出等引起 脆断,因此高强度的机械零件较少用铸件。由于锻造明显改善材料的力学性能,许多受力 零件尽量采用锻件。 3.制造工艺不合理 机械零件往往要经过冷热成形、焊接、机械加工、装配等制造工艺过程。若工艺规范 制定不合理,则零件在加工成形过程中往往会留下各种各样的缺陷。如冷热成形的表面粗 糙不平;焊接时焊缝的表面缺陷、焊接裂纹;机械加工中岀现的圆角过小、划痕;组装的 错位、不同心度等,所有的这些缺陷如超过一定限度则会导致零件以及装备早期失效 4.使用操作不当和维修不当 使用操作不当是机械零件失效的重要原因之一,如违章操作、超载、超速等:缺乏经 验、粗心大意等。装备必须进行定期维修和保养,如对装备的检査、维修和更换不及时或 没有采取适当的修理、防护措施等,也会引起装备的早期失效。 11.3失效分析的一般方法 在失效分析中,有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料,这是判断失效 原因的重要依据,必要时还要做断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析,确定失 效发源地的性质及失效方式。宏观及微观的断口分析工作最重要,因为它除了能判断失效 的精确地点和应该在该处测定哪些数据外,还对可能的失效原因能提供重要信息。例如 沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题,与设计关系不大。正确的失效分析 是找出零件失效原因,解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性 的技术工作,大致有如下步骤
第 11 章 机械零件的失效与分析 ·243· ·243· 的现象时有发生。其中结构和形状不合理，如零件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡 区等高应力区引起的失效均比较常见。 设计中的过载、应力集中、机构选择不当、安全系数过小以及搭配不合理等都会导致 机械零件失效。所以机械零件的设计不仅要有足够的强度、刚度和稳定性，结构设计也要 合理。 2. 选材不当和材料缺陷 机械零件的材料选择要遵循使用性能原则、加工工艺性能原则及经济性能原则。使用 性能原则是首先要考虑的，零件在特定环境中使用，对可预见的失效形式要为其选择足够 的能抵抗该种失效的材料。如对韧性材料，可能产生屈服变形或断裂失效，应该选择足够 的屈服强度和抗拉强度；但对可能产生的低应力脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的情况下， 高强度的材料往往适得其反。在保证零件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性 也是必须考虑的。 机械零件所用的原材料一般经过冶炼、轧制、锻造、铸造等过程，在制造过程中造成 的缺陷往往也会导致零件的早期失效。冶炼工艺较差时会使金属材料中拥有较多的氧、氢、 氮，并有较多的杂质和夹杂物，这不仅会使钢的性能变脆，甚至还会形成疲劳裂纹源，导 致早期失效。轧制工艺控制不好，会使钢材表面粗糙、凹凸不平，产生划痕、折叠等，这 些缺陷都会导致失效。铸造容易使铸件产生疏松、偏析、内裂纹、夹杂沿晶间析出等引起 脆断，因此高强度的机械零件较少用铸件。由于锻造明显改善材料的力学性能，许多受力 零件尽量采用锻件。 3. 制造工艺不合理 机械零件往往要经过冷热成形、焊接、机械加工、装配等制造工艺过程。若工艺规范 制定不合理，则零件在加工成形过程中往往会留下各种各样的缺陷。如冷热成形的表面粗 糙不平；焊接时焊缝的表面缺陷、焊接裂纹；机械加工中出现的圆角过小、划痕；组装的 错位、不同心度等，所有的这些缺陷如超过一定限度则会导致零件以及装备早期失效。 4. 使用操作不当和维修不当 使用操作不当是机械零件失效的重要原因之一，如违章操作、超载、超速等；缺乏经 验、粗心大意等。装备必须进行定期维修和保养，如对装备的检查、维修和更换不及时或 没有采取适当的修理、防护措施等，也会引起装备的早期失效。 11.1.3 失效分析的一般方法 在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效 原因的重要依据，必要时还要做断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失 效发源地的性质及失效方式。宏观及微观的断口分析工作最重要，因为它除了能判断失效 的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，还对可能的失效原因能提供重要信息。例如， 沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。正确的失效分析， 是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性 的技术工作，大致有如下步骤
244· 金属学与热处理 ①尽量仔细地收集失效零件的残骸,防止碰撞和污染,并拍照记录实况,确定重点分 析的对象,样品应取自失效的发源部位,或能反映失效性质和特点的地方。 ③对所选试样断口进行宏观(用肉眼或立体显微镜)及微观(用高倍的光学或电子显微 镜)分析以及必要的金相组织分析,确定失效的发源点及失效的方式。 ③详细记录并整理失效零件的有关资料,如设计图纸和说明书、实际加工工艺、使用 维修记录等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。 ④对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤,检验材料的性能指标 是否合格,组织是否正常,成分是否符合要求,有无内部或表面缺陷等,全面收集各种必 要的数据。 ⑤断裂力学分析,在某些情况下需要进行断裂力学计算,以便确定失效的原因并提出 改进措施 ⑥综合各方面分析资料作出判断,确定失效的具体原因,提出改进措施,写出相关报告。 11.2工程材料选择的基本原则 机械设计工作的一般程序是:首先根据零件的工作条件(如载荷性质、工作温度、使用 环境等)选择材料,然后根据所选材料的力学性能和工艺性能来确定零件的断面尺寸和结构 形状,最后制定出零件的图样和技术条件。所以材料的正确选择,是保证产品内在质量的 个非常重要的因素。它将直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。 零件选材是一项复杂的工作。因为每个机械零件都有特定的功用,在其服役期内要保 证各项指标均符合设计要求,且零件经久耐用。为此,零件应具有足够的失效抗力。如前 所述,影响零件失效的原因是多方面的,从选材角度,应有三条原则 ①材料应满足相应的力学性能指标。 ②材料应有良好的工艺性能 ③材料的经济性。 1121选材的力学性能原则 在机械设计工作中,选择零件材料的主要依据是零件的工作条件和预期寿命。从零件 的工作条件和预期寿命中找出对材料力学性能的要求,这是材料选择的基本出发点。但不 是任何机械零件的寿命越长越好,这样必然导致生产成本过高,从而使整台设备在价格上 明显缺乏竞争力,同时也违背现代设计思想。每种零件应考虑其用途和自身寿命,同时也 要考虑整个设备的设计使用寿命,使每个零件的寿命不要超过整个设备的寿命。因此确定 零件合理的使用寿命十分重要。 绝大多数零件的失效都是由于力学因素造成的。因此确定力学性能指标后,就要选择 相应的材料来满足。而材料的力学性能指标又取决于材料的化学成分、热处理工艺等因素 在选材中要注意以下问题 1.材料的热处理条件 如果某种材料的力学性能指标的测试条件与零件的热处理条件一致,则可以直接从材
·244· 金属学与热处理 ·244· ① 尽量仔细地收集失效零件的残骸，防止碰撞和污染，并拍照记录实况，确定重点分 析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效性质和特点的地方。 ③ 对所选试样断口进行宏观(用肉眼或立体显微镜)及微观(用高倍的光学或电子显微 镜)分析以及必要的金相组织分析，确定失效的发源点及失效的方式。 ③ 详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计图纸和说明书、实际加工工艺、使用 维修记录等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。 ④ 对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标 是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等，全面收集各种必 要的数据。 ⑤ 断裂力学分析，在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便确定失效的原因并提出 改进措施。 ⑥ 综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出相关报告。 11.2 工程材料选择的基本原则 机械设计工作的一般程序是：首先根据零件的工作条件(如载荷性质、工作温度、使用 环境等)选择材料，然后根据所选材料的力学性能和工艺性能来确定零件的断面尺寸和结构 形状，最后制定出零件的图样和技术条件。所以材料的正确选择，是保证产品内在质量的 一个非常重要的因素。它将直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。 零件选材是一项复杂的工作。因为每个机械零件都有特定的功用，在其服役期内要保 证各项指标均符合设计要求，且零件经久耐用。为此，零件应具有足够的失效抗力。如前 所述，影响零件失效的原因是多方面的，从选材角度，应有三条原则： ① 材料应满足相应的力学性能指标。 ② 材料应有良好的工艺性能。 ③ 材料的经济性。 11.2.1 选材的力学性能原则 在机械设计工作中，选择零件材料的主要依据是零件的工作条件和预期寿命。从零件 的工作条件和预期寿命中找出对材料力学性能的要求，这是材料选择的基本出发点。但不 是任何机械零件的寿命越长越好，这样必然导致生产成本过高，从而使整台设备在价格上 明显缺乏竞争力，同时也违背现代设计思想。每种零件应考虑其用途和自身寿命，同时也 要考虑整个设备的设计使用寿命，使每个零件的寿命不要超过整个设备的寿命。因此确定 零件合理的使用寿命十分重要。 绝大多数零件的失效都是由于力学因素造成的。因此确定力学性能指标后，就要选择 相应的材料来满足。而材料的力学性能指标又取决于材料的化学成分、热处理工艺等因素。 在选材中要注意以下问题。 1. 材料的热处理条件 如果某种材料的力学性能指标的测试条件与零件的热处理条件一致，则可以直接从材
第11章机械零件的失效与分析 245· 料设计手册中选取、否则还要针对具体零件的材料和热处理工艺进行力学性能测试。 2.力学性能指标的综合作用 般情况下,在提高材料的强度的同时,塑、韧性就要下降,当塑、韧性下降到一定 值时,在低应力的作用下材料也易产生微裂纹,从而使得承载能力下降。所以,在对零件 进行选材并确定热处理方案时,一定要考虑力学性能指标的综合作用,充分考虑零件力学 性能的强韧性配合。为了保证零件的安全,要求零件既具有高强度又具有较高的韧性。零 件在不同工作条件下,强、韧性的合理配合至今尚无普遍运用的估算方法。对于实际工作 的各种零件来说,很难准确地确定其强度与塑性、韧性的配合关系,一般只是根据下列原 则定性的确定,其可靠性往往仍需按实际试验来验证 ①对于静载荷,结构上存在非尖锐缺口(如结构小孔、键槽、凸肩等)的零件,高的塑 性可以降低局部的应力集中,防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。 ②对于承受小能量多次冲击的零件,以及结构上存在尖锐缺口和内部存在裂纹的零 件,强度是非常重要的因素,可以不按照传统的方法选择塑性及韧性都很高的材料。 ③对于在低温下工作的零件,常选择韧性较大的材料 应该指出,材料的常规力学性能对零件的承载能力和预期寿命各有其独立作用,但它 们之间又互有影响。因此在选材时就存在取舍问题。对于大多数的零件来说,在保证强度 的同时,应合理地确定塑性与韧性,以充分发挥材料的潜能 3.硬度值的应用 材料的硬度常在一定的范围影响着强度。在实际的产品质量检测时,通常采用对成品 进行硬度测试,以间接估算其他力学性能指标。 一般情况下,金属材料的硬度提高,其强度也同时提高,而其塑性、韧性下降。但对 于高碳钢,如果材料的热处理方法不当,则可能在硬度升高的同时,强度也下降。如过共 析钢加热至Am线以上,然后再缓慢冷却,则会得到网状渗碳体组织,使钢的强度、塑、 韧性严重下降,但硬度由于渗碳体的存在却很高。另外,采取某些热处理工艺,可以得到 细化、超细化的晶粒而使得材料在强度提高的同时,硬度、塑性和韧性也能都得到提高 122选材的工艺性能原则 般材料都需要进行加工才能成为成品零件。因此,要求选择的材料应满足加工工艺 性的要求。 1.切削加工性能 对要求有较高的精度的零件,毛坯成形后还需要进行切削加工。选材时就要考虑到切 削加工的特点,不要选择非常难以切削加工的材料,或者考虑以适当的热处理来改善切削 加工性,否则难以达到所要求的零件表面粗糙度和尺寸精度 2.热处理工艺性能 重要的零件都要进行热处理,选材时就要考虑材料的热处理性能。例如,零件的整个 断面都需要淬火的重要轴类,在选择材料时,就需要选择淬透性很好的材料:对于刀具类 零件,就需要选择有较高回火稳定性的材料:对于需要锻造的零件,最好选择本质细晶粒
第 11 章 机械零件的失效与分析 ·245· ·245· 料设计手册中选取、否则还要针对具体零件的材料和热处理工艺进行力学性能测试。 2. 力学性能指标的综合作用 一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下降，当塑、韧性下降到一定 值时，在低应力的作用下材料也易产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件 进行选材并确定热处理方案时，一定要考虑力学性能指标的综合作用，充分考虑零件力学 性能的强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高强度又具有较高的韧性。零 件在不同工作条件下，强、韧性的合理配合至今尚无普遍运用的估算方法。对于实际工作 的各种零件来说，很难准确地确定其强度与塑性、韧性的配合关系，一般只是根据下列原 则定性的确定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。 ① 对于静载荷，结构上存在非尖锐缺口(如结构小孔、键槽、凸肩等)的零件，高的塑 性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。 ② 对于承受小能量多次冲击的零件，以及结构上存在尖锐缺口和内部存在裂纹的零 件，强度是非常重要的因素，可以不按照传统的方法选择塑性及韧性都很高的材料。 ③ 对于在低温下工作的零件，常选择韧性较大的材料。 应该指出，材料的常规力学性能对零件的承载能力和预期寿命各有其独立作用，但它 们之间又互有影响。因此在选材时就存在取舍问题。对于大多数的零件来说，在保证强度 的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。 3. 硬度值的应用 材料的硬度常在一定的范围影响着强度。在实际的产品质量检测时，通常采用对成品 进行硬度测试，以间接估算其他力学性能指标。 一般情况下，金属材料的硬度提高，其强度也同时提高，而其塑性、韧性下降。但对 于高碳钢，如果材料的热处理方法不当，则可能在硬度升高的同时，强度也下降。如过共 析钢加热至 Acm 线以上，然后再缓慢冷却，则会得到网状渗碳体组织，使钢的强度、塑、 韧性严重下降，但硬度由于渗碳体的存在却很高。另外，采取某些热处理工艺，可以得到 细化、超细化的晶粒而使得材料在强度提高的同时，硬度、塑性和韧性也能都得到提高。 11.2.2 选材的工艺性能原则 一般材料都需要进行加工才能成为成品零件。因此，要求选择的材料应满足加工工艺 性的要求。 1. 切削加工性能 对要求有较高的精度的零件，毛坯成形后还需要进行切削加工。选材时就要考虑到切 削加工的特点，不要选择非常难以切削加工的材料，或者考虑以适当的热处理来改善切削 加工性，否则难以达到所要求的零件表面粗糙度和尺寸精度。 2. 热处理工艺性能 重要的零件都要进行热处理，选材时就要考虑材料的热处理性能。例如，零件的整个 断面都需要淬火的重要轴类，在选择材料时，就需要选择淬透性很好的材料；对于刀具类 零件，就需要选择有较高回火稳定性的材料；对于需要锻造的零件，最好选择本质细晶粒
246 金属学与热处理 度材料:对于表面需要涂(镀)层的零件,就要考虑表面与基体的结合力等 3.成形工艺性能 材料都需要成形才成为零件,材料满足成形工艺性能将是非常重要的。例如,对于铸 造成形的毛坯,使用的材料必须满足流动性及收缩性的要求,对于某些薄壁件还需要材料 有非常高的流动性;对需要压力加工成形的零件,就需要材料具有良好的锻造性能、小的 变形抗力和良好的塑性:对需要焊接成形的零件,应考虑其焊接性能,一般来说,随着钢 材含碳量的増加,材料的焊接性下降,当碳当量>0.45时,其焊接性能显著恶化。 总之,良好的工艺性能是保证零件顺利加工、提高零件的质量、简化零件的生产工艺、 降低零件的生产成本的重要条件。 11.23选料的经济性原则 在满足零件使用性能的前提下,选材时应考虑尽量降低零件的材料费用。零件的总成 本与零件的寿命、质量、加工费用、维修费用和材料价格有关。因此应根据各种资料,对 总成本进行分析,以便选材和设计等工作做得更合 铸铁的价格低于碳钢,碳钢的价格低于合金钢。选材时在满足使用性能要求的条件下, 应避免选择稀有贵重材料,尽可能根据我国的具体情况和富有资源,就近取材。例如,我 国是贫镍、铬的国家,而硅、锰、稀土元素较多,因此选择硅锰类钢代替镍铬类钢从价格 上说要便宜得多。当然作为高镍铬的不锈钢是无法用普通材料代替。选用价格较低的钢种 有时通过适当的热处理完全可以满足零件使用性能的要求。但要通过成本的核算,确定增 加的热处理工序所增加的成本,要比选择价格较高的材料成本低。零件选材时,应尽量选 择可简化加工工序的材料。应合理地选择代用材料、使代用材料既可保证产品的使用性能, 又能大幅度降低其加工费用,简化加工工艺。例如,用球墨铸铁代替锻钢材料做低速柴油 机的曲轴、铣床主轴已成为以铸代锻的成功范例,具有较好的经济效益。 11.3齿轮、轴等工件的选材及工艺路线分析 机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当,特别是一台机器中关键零件 的选材是否恰当,将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当,严重 的可能导致零件的完全失效并导致重大的经济损失,有时甚至要付出生命的代价。零件选 材应该考虑以下几方面问题:选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求;选材应满 足生产工艺对材料工艺性能的要求;选材应力求使零件生产的总成本最低;选材应考虑产 品的实用性和市场需求;选材应考虑实现现代化生产的可行性 11.31齿轮类零件 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求 齿轮是机械工业中应用最广泛的重要传动零件之一,它主要用于传递动力、改变运动 速度和方向。齿轮工作时的受力情况是 ①由于传递扭矩,齿根承受很大的交变弯曲应力。 246
·246· 金属学与热处理 ·246· 度材料；对于表面需要涂(镀)层的零件，就要考虑表面与基体的结合力等。 3. 成形工艺性能 材料都需要成形才成为零件，材料满足成形工艺性能将是非常重要的。例如，对于铸 造成形的毛坯，使用的材料必须满足流动性及收缩性的要求，对于某些薄壁件还需要材料 有非常高的流动性；对需要压力加工成形的零件，就需要材料具有良好的锻造性能、小的 变形抗力和良好的塑性；对需要焊接成形的零件，应考虑其焊接性能，一般来说，随着钢 材含碳量的增加，材料的焊接性下降，当碳当量＞0.45 时，其焊接性能显著恶化。 总之，良好的工艺性能是保证零件顺利加工、提高零件的质量、简化零件的生产工艺、 降低零件的生产成本的重要条件。 11.2.3 选料的经济性原则 在满足零件使用性能的前提下，选材时应考虑尽量降低零件的材料费用。零件的总成 本与零件的寿命、质量、加工费用、维修费用和材料价格有关。因此应根据各种资料，对 总成本进行分析，以便选材和设计等工作做得更合理。 铸铁的价格低于碳钢，碳钢的价格低于合金钢。选材时在满足使用性能要求的条件下， 应避免选择稀有贵重材料，尽可能根据我国的具体情况和富有资源，就近取材。例如，我 国是贫镍、铬的国家，而硅、锰、稀土元素较多，因此选择硅锰类钢代替镍铬类钢从价格 上说要便宜得多。当然作为高镍铬的不锈钢是无法用普通材料代替。选用价格较低的钢种， 有时通过适当的热处理完全可以满足零件使用性能的要求。但要通过成本的核算，确定增 加的热处理工序所增加的成本，要比选择价格较高的材料成本低。零件选材时，应尽量选 择可简化加工工序的材料。应合理地选择代用材料、使代用材料既可保证产品的使用性能， 又能大幅度降低其加工费用，简化加工工艺。例如，用球墨铸铁代替锻钢材料做低速柴油 机的曲轴、铣床主轴已成为以铸代锻的成功范例，具有较好的经济效益。 11.3 齿轮、轴等工件的选材及工艺路线分析 机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件 的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重 的可能导致零件的完全失效并导致重大的经济损失，有时甚至要付出生命的代价。零件选 材应该考虑以下几方面问题：选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求；选材应满 足生产工艺对材料工艺性能的要求；选材应力求使零件生产的总成本最低；选材应考虑产 品的实用性和市场需求；选材应考虑实现现代化生产的可行性。 11.3.1 齿轮类零件 1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求 齿轮是机械工业中应用最广泛的重要传动零件之一，它主要用于传递动力、改变运动 速度和方向。齿轮工作时的受力情况是： ① 由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力
第11章机械零件的失效与分析 247 ②换挡、启动或啮合不均时,齿部承受一定冲击载荷 ③齿面相互滚动或滑动接触,承受很大的接触压应力及摩擦力的作用 齿轮的主要失效形式有:齿根疲劳断裂、齿面局部剥落和过度磨损,根据齿轮的受力 情况和失效分析,一般要求齿轮材料应具有以下性能:高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 高的齿面硬度和耐磨性;良好的心部强度和韧性;较好的工艺性能。 2.齿轮的选材及工艺分析 1)机床齿轮 机床传动齿轮工作时受力不大,转速中等,工作较平稳,无强烈冲击,强度和韧性要 求均不高,一般用中碳钢(如45钢)制造,经调质后心部有足够的强韧性,能承受较大的弯 曲应力和冲击载荷。表面采用高频淬火强化,硬度可达52HRC~55HRC,耐磨性得到提高。 选用45钢,其加工工艺路线如下 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨 该工艺路线中热加工工序的作用是:锻造可成形零件毛坯并得到合理的加工流线;正 火可消除锻造应力,均匀组织,调整硬度,改善切削加工性,改善齿轮表面加工质量;调 质处理可使齿轮心部具有较高的综合力学性能,以承受交变弯曲应力和冲击载荷,还可以 减少高频淬火变形;高频感应加热淬火可提高齿轮表面硬度和耐磨性;回火可采用低温回 火或自行回火,以消除淬火应力,提高抗冲击能力,并可以防止产生磨削裂纹。 2)汽车、拖拉机齿轮 汽车、拖拉机的工作条件较恶劣,受力较大,超载荷和受冲击频繁。因此在耐磨性、 疲劳强度、抗冲击能力等方面的要求比机床齿轮高。一般选用滲碳钢如20 TMnT、 20 CrMnMo等制造,其工艺路线一般为: 下料→锻造→正火→机械加工→滲碳十淬火十低温回火→喷丸→磨内孔及换挡槽→装 配。20 CrMntⅰ钢的热处理工艺性能较好,有较好的淬透性,渗碳淬火后变形小。为改善 20 CrMnti的切削加工性能,锻造后一般要正火。渗碳的作用是提高齿面含碳量(0.8%~ 1.05%),淬火后则可获得0.8mm~1.3mm的淬硬层。喷丸处理使零件表层产生压应力,提 高抗疲劳性能 1132轴类零件 1.轴的工作条件、失效形式及性能要求 轴是各种机械的重要零件之一,大多数作回转运动的零件安装在轴上。轴与轴上的 零件组合成传动部件并传递运动和动力,其工作条件和受力情况比较复杂,主要失效形式 如下 ①受横向力并传递扭矩,承受交变弯曲应力和扭应力,常常发生疲劳断裂 ②轴颈和花键等部位发生相对运动,承受较大的摩擦,轴颈表面产生过量的磨损 ③承受一定的过载和冲击载荷,产生过量弯曲变形,甚至发生折断或扭断。 轴的失效形式是断裂和局部过度磨损,根据轴类零件的工作条件和失效形式,所选择 的材料应满足以下的要求:良好的综合力学性能,以防止过载和冲击断裂:高的疲劳强度 以防止疲劳断裂;良好的切削加工性;高的表面硬度和良好的耐磨性,以防止轴颈磨损
第 11 章 机械零件的失效与分析 ·247· ·247· ② 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷。 ③ 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。 齿轮的主要失效形式有：齿根疲劳断裂、齿面局部剥落和过度磨损，根据齿轮的受力 情况和失效分析，一般要求齿轮材料应具有以下性能：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度； 高的齿面硬度和耐磨性； 良好的心部强度和韧性； 较好的工艺性能。 2. 齿轮的选材及工艺分析 1) 机床齿轮 机床传动齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要 求均不高，一般用中碳钢(如 45 钢)制造，经调质后心部有足够的强韧性，能承受较大的弯 曲应力和冲击载荷。表面采用高频淬火强化，硬度可达 52HRC～55HRC，耐磨性得到提高。 选用 45 钢，其加工工艺路线如下： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨 该工艺路线中热加工工序的作用是：锻造可成形零件毛坯并得到合理的加工流线；正 火可消除锻造应力，均匀组织，调整硬度，改善切削加工性，改善齿轮表面加工质量；调 质处理可使齿轮心部具有较高的综合力学性能，以承受交变弯曲应力和冲击载荷，还可以 减少高频淬火变形；高频感应加热淬火可提高齿轮表面硬度和耐磨性；回火可采用低温回 火或自行回火，以消除淬火应力，提高抗冲击能力，并可以防止产生磨削裂纹。 2) 汽车、拖拉机齿轮 汽车、拖拉机的工作条件较恶劣，受力较大，超载荷和受冲击频繁。因此在耐磨性、 疲劳强度、抗冲击能力等方面的要求比机床齿轮高。一般选用渗碳钢如 20CrMnTi、 20CrMnMo 等制造，其工艺路线一般为： 下料→锻造→正火→机械加工→渗碳＋淬火＋低温回火→喷丸→磨内孔及换挡槽→装 配。20CrMnTi 钢的热处理工艺性能较好，有较好的淬透性，渗碳淬火后变形小。为改善 20CrMnTi 的切削加工性能，锻造后一般要正火。渗碳的作用是提高齿面含碳量(0.8%～ 1.05%)，淬火后则可获得 0.8mm～1.3mm 的淬硬层。喷丸处理使零件表层产生压应力，提 高抗疲劳性能。 11.3.2 轴类零件 1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求 轴是各种机械的重要零件之一，大多数作回转运动的零件安装在轴上。轴与轴上的 零件组合成传动部件并传递运动和动力，其工作条件和受力情况比较复杂，主要失效形式 如下： ① 受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭应力，常常发生疲劳断裂。 ② 轴颈和花键等部位发生相对运动，承受较大的摩擦，轴颈表面产生过量的磨损。 ③ 承受一定的过载和冲击载荷，产生过量弯曲变形，甚至发生折断或扭断。 轴的失效形式是断裂和局部过度磨损，根据轴类零件的工作条件和失效形式，所选择 的材料应满足以下的要求：良好的综合力学性能，以防止过载和冲击断裂；高的疲劳强度， 以防止疲劳断裂；良好的切削加工性；高的表面硬度和良好的耐磨性，以防止轴颈磨损
248· 金属学与热处理 2.轴的选材及工艺分析 1)机床主轴 机床主轴主要承受交变弯曲应力和扭转应力,有时也承受冲击载荷作用,轴颈和锥孔 表面受摩擦。因此,主轴应该具有良好的综合力学性能,花键、轴颈和锥孔表面应有较高 的硬度和耐磨性。如C616车床主轴,工作时承受扭转和弯曲应力,载荷不大,转速中等 可选用45钢,具体加工工艺路线为 下料→锻造亠正火→粗加工→调质→半精车外圆十钻中心孔十铣键槽→局部淬火(锥 孔及外锥体)→车各空刀槽十粗磨外圆十滚铣花键→花键高频淬火十回火→精磨(外圆,外 锥体及内锥孔) 该工艺路线中热加工工序的作用是:锻造可成轴的毛坯和获得合适的加工流线;正火 处理可消除应力,改善锻造组织:调质处理(整体调质)硬度为200HBS~230HBS,为回火 索氏体组织,目的是使主轴得到高的综合力学性能,为了更好地发挥调质的效果,故安排 在粗加工之后:因内锥孔和外圆锥面常与卡盘、顶尖相对摩擦,内锥孔和外圆锥面经盐浴 局部淬火和回火后硬度达到45HRC~52HRC:花键部位采用高频感应加热淬火和回火,以 保证其耐磨性和高的精度 2)内燃机曲轴 内燃机曲轴工作时承受扭转和弯曲及冲击力,要求曲轴具有高的强度,一定的冲击韧 性和弯曲、扭转疲劳强度,在轴颈处要有高的硬度和耐磨性。中小功率内燃机曲轴最常用 的材料是45钢和球墨铸铁,高速大功率内燃机曲轴一般采用合金钢,如35CrMo、42CrMo 等。用45钢制造曲轴的工艺路线 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面淬火十低温回火→精磨 用QT700-2制造曲轴的工艺路线 熔炼→铸造→高温正火(950℃)→高温回火(560℃)→机械加工→轴颈气体渗氮(滲氮温 度570℃)→精磨 1133箱体类零件 箱体是机器的基础零件,其作用是保证箱体内各个零部件的相对位置,使运动零件能 协调运转。当机器工作时,箱体要承受内部零件间的作用力及它们的质量等。因此对箱体 的力学性能要求是:足够的刚度和抗拉强度;良好的减振性。 箱体类零件一般具有形状复杂、体积较大、壁厚较小等特点,所以一般选用铸造毛坯 常用普通灰铸铁、球墨铸铁、铸钢等。 承受中等载荷、工作平稳的箱体,可用灰铸铁HT150、HT200等 承受载荷及冲击较大或单件生产的箱体,可采用焊接结构,如需用焊接性能好的Q235、 0、16Mn等钢焊接而成 无论铸造毛坯还是焊接毛坯,铸造和焊接后内部往往存在较大的内应力。为了避免在 使用过程中发生变形失效,机械加工前通常要进行去应力人工时效或自然时效处理。 248·
·248· 金属学与热处理 ·248· 2. 轴的选材及工艺分析 1) 机床主轴 机床主轴主要承受交变弯曲应力和扭转应力，有时也承受冲击载荷作用，轴颈和锥孔 表面受摩擦。因此，主轴应该具有良好的综合力学性能，花键、轴颈和锥孔表面应有较高 的硬度和耐磨性。如 C616 车床主轴，工作时承受扭转和弯曲应力，载荷不大，转速中等， 可选用 45 钢，具体加工工艺路线为： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精车外圆＋钻中心孔＋铣键槽→局部淬火(锥 孔及外锥体)→车各空刀槽＋粗磨外圆＋滚铣花键→花键高频淬火＋回火→精磨(外圆，外 锥体及内锥孔) 该工艺路线中热加工工序的作用是：锻造可成轴的毛坯和获得合适的加工流线；正火 处理可消除应力，改善锻造组织；调质处理(整体调质)硬度为 200HBS～230HBS，为回火 索氏体组织，目的是使主轴得到高的综合力学性能，为了更好地发挥调质的效果，故安排 在粗加工之后；因内锥孔和外圆锥面常与卡盘、顶尖相对摩擦，内锥孔和外圆锥面经盐浴 局部淬火和回火后硬度达到 45HRC～52HRC；花键部位采用高频感应加热淬火和回火，以 保证其耐磨性和高的精度。 2) 内燃机曲轴 内燃机曲轴工作时承受扭转和弯曲及冲击力，要求曲轴具有高的强度，一定的冲击韧 性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要有高的硬度和耐磨性。中小功率内燃机曲轴最常用 的材料是 45 钢和球墨铸铁，高速大功率内燃机曲轴一般采用合金钢，如 35CrMo、42CrMo 等。用 45 钢制造曲轴的工艺路线： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面淬火＋低温回火→精磨 用 QT700—2 制造曲轴的工艺路线 熔炼→铸造→高温正火(950℃)→高温回火(560℃)→机械加工→轴颈气体渗氮(渗氮温 度 570℃) →精磨 11.3.3 箱体类零件 箱体是机器的基础零件，其作用是保证箱体内各个零部件的相对位置，使运动零件能 协调运转。当机器工作时，箱体要承受内部零件间的作用力及它们的质量等。因此对箱体 的力学性能要求是：足够的刚度和抗拉强度；良好的减振性。 箱体类零件一般具有形状复杂、体积较大、壁厚较小等特点，所以一般选用铸造毛坯， 常用普通灰铸铁、球墨铸铁、铸钢等。 承受中等载荷、工作平稳的箱体，可用灰铸铁 HT150、HT200 等。 承受载荷及冲击较大或单件生产的箱体，可采用焊接结构，如需用焊接性能好的 Q235、 20、16Mn 等钢焊接而成。 无论铸造毛坯还是焊接毛坯，铸造和焊接后内部往往存在较大的内应力。为了避免在 使用过程中发生变形失效，机械加工前通常要进行去应力人工时效或自然时效处理
第11章机械零件的失效与分析 249· 114工程材料的应用举例 114.1汽车零件用材 1.缸体和缸盖 缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。缸盖应采用导热性好、高温、强度高、能承 受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种:一种是灰铸铁 或合金铸铁;另一种是铝合金。 2.缸套 常用缸套材料为耐磨合金铸铁,主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。 3.活塞、活塞销和活塞环 活塞材料一般用20钢或20Cr、20 CrMnti等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或 碳氮共渗处理,以满足外表面硬而耐磨,材料内部韧而耐冲击的要求 4.连杆 连杆材料一般采用用45钢、40Cr或者40MnB等调质钢。 5.气门 气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi 42Mn2ⅴ等合金钢制造:而排气门则要求用高铬耐热钢制造,采用4Cr10Si2Mo 6.半轴 中、小型汽车的半轴一般用45、40Cr钢制造,而重型汽车用40MnB、40CrNi或 40 CrMn Mo等淬透性较高的合金钢制造。 7.保险杠、刹车盘、纵梁等 这些部件通常采用08、20、25和16Mn钢板制造。热轧钢板主要用来制造一些承受一 定载荷的结构件。一些形状复杂、受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件 还用上述钢种的冷轧钢板来制造 142机床零件用材 1.机身、底座用材 机床和底座常采用的灰铸铁制造,其牌号是:HT150、HT200及孕育铸铁HT250、HT300、 HT350、HT400等。 机身、箱体等大型零部件在单件或小批量生产时,也可采用普通碳素钢来制造,如 Q215、Q235、Q255,其中Q235用得最多。 2.齿轮用材 齿轮常采用H1250、HT300和HT400等灰铸铁制造。由于容易制造复杂形状的零件和
第 11 章 机械零件的失效与分析 ·249· ·249· 11.4 工程材料的应用举例 11.4.1 汽车零件用材 1. 缸体和缸盖 缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。缸盖应采用导热性好、高温、强度高、能承 受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一种是灰铸铁 或合金铸铁；另一种是铝合金。 2. 缸套 常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。 3. 活塞、活塞销和活塞环 活塞材料一般用 20 钢或 20Cr、20CrMnTi 等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或 碳氮共渗处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。 4. 连杆 连杆材料一般采用用 45 钢、40Cr 或者 40MnB 等调质钢。 5. 气门 气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用 40Cr、35CrMo、38CrSi、 42Mn2V 等合金钢制造；而排气门则要求用高铬耐热钢制造，采用 4Cr10Si2Mo。 6. 半轴 中、小型汽车的半轴一般用 45、40Cr 钢制造，而重型汽车用 40MnB、40CrNi 或 40CrMnMo 等淬透性较高的合金钢制造。 7. 保险杠、刹车盘、纵梁等 这些部件通常采用 08、20、25 和 16Mn 钢板制造。热轧钢板主要用来制造一些承受一 定载荷的结构件。一些形状复杂、受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件 还用上述钢种的冷轧钢板来制造。 11.4.2 机床零件用材 1. 机身、底座用材 机床和底座常采用的灰铸铁制造，其牌号是：HT150、HT200及孕育铸铁HT250、HT300、 HT350、HT400 等。 机身、箱体等大型零部件在单件或小批量生产时，也可采用普通碳素钢来制造，如 Q215、Q235、Q255，其中 Q235 用得最多。 2. 齿轮用材 齿轮常采用 HT250、HT300 和 HT400 等灰铸铁制造。由于容易制造复杂形状的零件和
250· 金属学与热处理 具有成本低的优点,灰铸铁常常成为首选材料。在无润滑情况下,钢只能制作小齿轮,常 用普通碳素钢Q235、Q255和Q275制造 强度要求高的齿轮多采用40钢、45钢等经正火或调质处理的中碳优质钢制造。高速 重载或受强烈冲击的齿轮,宜采用40Cr等调质钢或20Cr、20CrMn等渗碳钢制造。 3.轴类零件用材 般采用正火或调质处理的45钢等优质碳素钢制造轴类零件。不重要的或受力较小的 轴及一般较长的传动轴,可以采用Q235、Q255或Q275等普通碳素钢制造。承受载荷较 大,且要求直径小、质量小或要求提高轴颈耐磨性的轴,可以采用40Cr等合金调质钢或 20cr等合金渗碳钢制造。曲轴和主轴常采用QT600-2、KTZ600-3等球墨铸铁和可锻铸 铁制造。 4.螺纹联接件用材 螺纹联接件可由螺栓、多头螺栓、紧固螺钉等联接零件构成。无特殊要求的一般螺纹 联接件常用低碳或中碳的普通碳素钢Q235、Q255、Q275制造。用35钢、45钢等优质碳 素结构钢制造的螺栓,常用于中等载荷以及精密的机床上。合金结构钢40Cr、40CV等主 要用于制作受重载高速的极重要的联接螺栓。 5.螺旋传动用材 螺旋传动如丝杠螺旋传动,不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢制造;进行热 处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等钢材制造。 制造螺母的材料用铸造锡青铜 ZCuSn0Zn、 ZCuSn6Zn6Pb3使用得最为广泛。在较小 载荷及低速传动中螺母用耐磨铸铁制造。 6.蜗轮传动用材 制造蜗轮的材料有铸造锡青铜、铸造铝青铜和铸铁。当滑动速度τ≥3m/s时,常采用 造锡青铜 ZCuSnl0Pbl或 Z CuSe6Zn6Pb3等 为节约贵重的铜合金,直径为100mm~200mm的青铜蜗轮,应采用青铜轮缘与灰铸铁 轮芯分别加工再组装成一体的结构。 蜗轮材料一般为碳钢和合金钢,如用15钢、20钢、l5Cr钢、20Cr钢,表面滲碳淬硬 到56HRC~62HRC,或用45钢、40Cr钢,调质后表面高频淬火到45HRC~50HRC。 7.滑动轴承用材 ①金属材料:包括轴承合金(巴氏合金、铜基轴承合金)和铸铁。 ②粉末冶金材料:粉末冶金材料可用于制造含油轴承 ③塑料轴承:常用的塑料轴承有ABS塑料、尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯等。 8滚动轴承用材 滚动轴承的内外圈和滚动体一般用GCr9、GCrl5、GCrl5siMn等高碳铬或铬锰轴承钢 和 GSiMnv等无铬轴承钢制造。 250·
·250· 金属学与热处理 ·250· 具有成本低的优点，灰铸铁常常成为首选材料。在无润滑情况下，钢只能制作小齿轮，常 用普通碳素钢 Q235、Q255 和 Q275 制造。 强度要求高的齿轮多采用 40 钢、45 钢等经正火或调质处理的中碳优质钢制造。高速、 重载或受强烈冲击的齿轮，宜采用 40Cr 等调质钢或 20Cr、20CrMnTi 等渗碳钢制造。 3. 轴类零件用材 一般采用正火或调质处理的 45 钢等优质碳素钢制造轴类零件。不重要的或受力较小的 轴及一般较长的传动轴，可以采用 Q235、Q255 或 Q275 等普通碳素钢制造。承受载荷较 大，且要求直径小、质量小或要求提高轴颈耐磨性的轴，可以采用 40Cr 等合金调质钢或 20Cr 等合金渗碳钢制造。曲轴和主轴常采用 QT600—2、KTZ600—3 等球墨铸铁和可锻铸 铁制造。 4. 螺纹联接件用材 螺纹联接件可由螺栓、多头螺栓、紧固螺钉等联接零件构成。无特殊要求的一般螺纹 联接件常用低碳或中碳的普通碳素钢 Q235、Q255、Q275 制造。用 35 钢、45 钢等优质碳 素结构钢制造的螺栓，常用于中等载荷以及精密的机床上。合金结构钢 40Cr、40CrV 等主 要用于制作受重载高速的极重要的联接螺栓。 5. 螺旋传动用材 螺旋传动如丝杠螺旋传动，不进行热处理的螺旋传动件用 45 钢、50 钢制造；进行热 处理的螺旋传动件用 T10、65Mn、40Cr 等钢材制造。 制造螺母的材料用铸造锡青铜 ZCuSn10Zn2、ZCuSn6Zn6Pb3 使用得最为广泛。在较小 载荷及低速传动中螺母用耐磨铸铁制造。 6. 蜗轮传动用材 制造蜗轮的材料有铸造锡青铜、铸造铝青铜和铸铁。当滑动速度 τ≥3m/s 时，常采用 铸造锡青铜 ZCuSn10Pb1 或 ZCuSn6Zn6Pb3 等。 为节约贵重的铜合金，直径为 100mm～200mm 的青铜蜗轮，应采用青铜轮缘与灰铸铁 轮芯分别加工再组装成一体的结构。 蜗轮材料一般为碳钢和合金钢，如用 15 钢、20 钢、15Cr 钢、20Cr 钢，表面渗碳淬硬 到 56HRC～62HRC，或用 45 钢、40Cr 钢，调质后表面高频淬火到 45HRC～50HRC。 7. 滑动轴承用材 ① 金属材料：包括轴承合金(巴氏合金、铜基轴承合金)和铸铁。 ② 粉末冶金材料：粉末冶金材料可用于制造含油轴承。 ③ 塑料轴承：常用的塑料轴承有 ABS 塑料、尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯等。 8. 滚动轴承用材 滚动轴承的内外圈和滚动体一般用 GCr9、GCr15、GCr15SiMn 等高碳铬或铬锰轴承钢 和 GSiMnV 等无铬轴承钢制造