工程材料的选用(1)

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零件的失效分析
0 [1 x7 M  K3 R; d" E一、失效的概念
凡零件在使用过程中丧失规定功能的现象，我们就称其为失效
* k5 X. S6 l/ O9 \二、零件的失效形式
/ ]5 ]* k' Y6 E3 O% E+ u1、断裂失效　
) q/ `+ Q* k; L7 H4 O: V. G断裂失效是机械零件的主要失效形式。根据断裂的性质和断裂的原因，可分为以下几种：
（1）延性断裂 延性断裂是指零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂。
（2）脆性断裂 脆性断裂发生时，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断。这种断裂经常发生在有尖锐缺口或裂纹的零件中，另外，零件结构中的棱角、台阶、沟槽及拐角等结构突变处也易发生，特别是在低温或冲击载荷作用的情况下。脆性断裂发生前并没有明显的征兆，因此，往往会带来灾难性的后果。
（3）疲劳断裂 在交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂。疲劳的最终断裂是瞬时的，因此危害性较大，常在齿轮、弹簧、轴、模具、叶片等零件中发生。材料的类别、组织、载荷的类型、零件的尺寸、形状及表面状态等对零件的疲劳强度都有影响。
6 d$ B& b. }; `5 C（4）蠕变断裂 蠕变即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现象
$ Y6 c' R0 j" |2、过量变形　
在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变形或塑性变形导致整个机器或设备无法正常工作，或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称之为过量变形。
（1）过量蠕变变形 在高温下工作的金属零件，既使工作应力不变，经过一定时间后，也会缓慢的产生过大的塑性变形而导致失效。
（2）过量弹性变形 如机床传动轴因刚度不足，产生过大的弹性变形后，会使轴上零件（如齿轮）不能正常啮合，轴承发生偏磨等，使整个机器运转不良，导致传动失效。
（3）过量塑性变形 零件在工作中承受的应力超过材料的屈服强度后，就会产生塑性变形失效。
3、表面损伤
（1）磨损失效 主要是相互接触的两个零件在机械力的作用下，其相对运动表面的材料以细屑磨耗，从而使零件的表面状态和尺寸改变的一种失效形式。
" n3 M6 I9 b: h2 Y/ n（2）接触疲劳失效 相互接触的两个运动表面（特别是滚动接触），在工作过程中随交变接触应力的作用，使表层材料发生疲劳破坏而脱落的现象叫接触疲劳失效。接触疲劳可分为麻点剥落和表层压碎两大类。
, `, J, N& T9 B0 G6 ~, \（3）腐蚀失效 是指金属与周围介质发生化学或电化学作用而造成的失效。
6 T2 J7 T- N3 k6 i& S% @+ O5 x三、零件失效的原因
1、零件设计不合理
零件的结构、形状、尺寸设计不合理最容易引起失效。如键槽、孔或截面变化较剧烈的尖角处或尖锐缺口处容易产生应力集中，出现裂纹。另外对零件在工作中的受力情况判断有误，设计时安全系数过小或对环境的变化情况估计不足造成零件实际承载能力降低等均属设计不合理，又如，坚持用以强度条件为主，辅之以韧性要求的传统设计方法，不能有效地解决脆性断裂，尤其是低应力脆断的失效问题。

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2、选材不合理
; v+ b2 K  q2 p2 D- x, u# u选材不合理即选用的材料性能不能满足工作条件要求，或者所选材料名义性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力。另外，所用材料的化学成分、组织不合理、质量差也会造成零件的失效。例如用65Mn 钢制造的长度为2048mm剪刀板，淬火后伸长3～6 mm，使安装孔距超差而报废，后改用CrWMn或Cr12Mo 钢，淬火后伸长变形为1～2 mm ，满足了尺寸要求。
3、工艺不合理
零件在加工和成形过程中，因采用的工艺方法、工艺参数不合理，操作不正确等会造成失效。如热成形过程中温度过高所产生的过热、过烧、氧化、脱碳；热处理过程中工艺参数不合理造成的变形和裂纹、组织缺陷及由于淬火应力不均匀导致零件的棱角、台阶等处产生拉应力；化学热处理后渗层和淬硬层过深，使零件的脆断抗力降低；铸件中的气孔、夹渣及成分偏析；机加中表面粗糙度值过大，存在较深的刀痕或磨削裂纹等均是导致零件早期失效的原因。
) K8 J$ w9 j% H5 p可见，既使选材正确，但热处理工艺不当，使零件在工作过程中组织发生变化，引起零件的形状、尺寸发生改变，也会导致塑性变形失效。
4、安装及使用不正确
, n# C) C6 Y1 c机器在安装过程中，配合过紧、过松、对中不准、固定不牢或重心不稳，密封性差以及装配拧紧时用力过大或过小等，均易导致零件过早失效。在超速、过载，润滑条件不良的情况下工作，工作环境中有腐蚀性物质及维修、保养不及时或不善等均会造成零件过早失效。
( E( G) a* u% t第二节 工程材料的选用原则及方法步骤
一、选材的一般原则
（一）满足使用性能
所谓使用性能，是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。它包括力学性能、物理性能和化学性能。
, l' d6 `: K/ O( ]$ }1、分析零件的工作条件
在分析零件工作条件的基础上，提出对所用材料的性能要求。工作条件是指受力形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复合等）、载荷性质（静载、动载、冲击、载荷分布等）、受摩擦磨损情况；工作环境条件（如环境介质、工作温度等）；以及导电、导热等特殊要求。
2、判断主要失效形式
; s" U2 v2 [. m( r0 x零件的失效形式与其特定的工作条件是分不开的。要深入现场，收集整理有关资料，进行相关的实验分析，判断失效的主要形式及原因，找出原设计的缺陷，提出改进措施，确定所选材料应满足的主要力学性能指标，为正确选材提供具有实用意义的信息，确保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。

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3、合理选用材料的力学性能指标
' U. U+ P9 A0 \: V- n( ~9 P/ A（1）正确运用材料的强度、塑性、韧性等指标
0 _% Q. l& Z% A, U2 I一般情况下，材料的强度越高，其塑性、韧性越低。片面地追求高强度以提高零件的承载能力不一定就是安全的，因为材料塑性的过多降低，遇有短时过载等因素，应力集中的敏感性增强，有可能造成零件的脆性断裂。所以在提高屈服强度的同时，还应考虑材料的塑性指标。塑性和韧性指标一般不直接用于设计计算，而较高的δ和c值能削减零件应力集中处（如台阶、键槽、螺纹、油孔、内部夹杂等处）的应力峰值，提高零件的承载能力和抗脆断能力。
# Y% ]5 b, @9 U. c' S以低应力脆断为主要失效形式的零件，如汽轮机、电机转子这类大锻件以及在低温下工作的石油化工容器、管道等，不应再以传统力学方法用塑性指标粗略估算，而应运用断裂力学方法进行断裂韧度KIC和断裂指标 KI ≥KIC方面的定量设计计算，以保证零件的使用寿命。
（2）巧用硬度与强度等力学指标间的关系
实际零件的力学性能（如σS ，σ-1 ，δ，c， AK ）数值是很难测得的。由于硬度的测定方法简单，又不损坏零件，且材料硬度与强度以及强度与其它力学性能之间存在着一定关系，所以大多数零件在图纸上只标出所要求的硬度值，来综合体现零件所要求的全部力学性能。一般硬度值确定的规律为：对承载均匀,截面无突变，工作时不发生应力集中的零件，可选较高的硬度值；反之，有应力集中的零件，则需要有较高的塑性，硬度值应适当降低；对高精度零件，为提高耐磨性，保持高精度，硬度值要大些；对相互摩擦的一对零件，要注意两者的硬度值应有一定的差别，易磨损件或重要件应有较高的硬度值。例如：轴颈与滑动轴承的配合，轴颈应比滑动轴承硬度高；一对啮合传动齿轮，一般小齿轮齿面硬度应比大齿轮高；螺母硬度应比螺栓低些。多数热作模具和某些冷作模具，切削刀具等，选材时还应考虑其较高的热硬性要求。

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4、综合考虑多种因素
若零件在特殊的条件下工作，则选材的主要依据也应视具体条件而定，如像贮存酸碱的教学内容及步骤：
" }! n# g. X! }容器和管路等，应以耐蚀性为依据，考虑选用不锈钢、耐蚀MC尼龙和聚砜等；而作为电磁铁材料，软磁性又是重要的选材依据；精密镗床镗杆的主要失效形式为过量弹性变形，则关键性能指标为材料的刚度；零件要求弹性、密封、减振防振等，可考虑选择能在－50～150℃温度范围内处于高弹态和优良伸缩性的橡胶材料，如4001耐热橡胶板等；重要螺栓的主要失效形式为过量的塑性变形和断裂，则关键性能指标为屈服强度和疲劳强度；在 600～700℃ 工作的内燃机排气阀可选用耐热钢等；汽车发动机的气缸可选用导热性好，比热容大的铸造铝合金等。选用高分子材料（如用尼龙绳作吊具等），还要考虑在使用时，温度、光、水、氧、油等周围环境对其性能的影响，所以防老化则必须作为其重要的选材依据。
8 ~! ~0 |  k! A5、合理利用材料的淬透性
# K. K' S& C8 w2 o% B7 s淬透性对钢的力学性能有很大的影响，未淬透钢的心部，其冲击韧度、屈强比和疲劳强度较低。对于截面尺寸较大的零件、在动载荷下工作的重要零件以及承受拉、压应力而要求截面力学性能一致的零件（如连接螺栓、锻模等）应选用能全部淬透的钢。对某些承受弯曲和扭转等复合应力作用下的轴类零件，由于它们截面上的应力分布是不均匀的，最大应力发生在轴的表面，而心部受力较小，可用淬透性较低的钢，但要保证淬硬层深度。焊接件等不可选用淬透性高的钢，避免造成焊接变形和开裂。承受冲击和复杂应力的冷镦凸模，其工作部分常因全部淬硬，造成韧性不足而脆断。所以选材及热处理时，不能盲目追求材料淬透性和淬硬性的提高。
6、根据使用性能选材时应注意的问题
( }/ Y7 j+ I% b$ F5 G（1）特别注意性能数据的可靠性和使用范围
（2）充分考虑材料的尺寸效应 随着截面尺寸的增大，金属材料的力学性能将下降的现象，称为尺寸效应。
4 Z! Z& ?  i1 w0 B2 Y（3）零件的力学性能指标受预期寿命的影响 寿命越长，要求的指标越高，零件的生产和使用成本也会越高，所以要辩证处理制造成本与寿命的关系。例如，对滑动轴承而言，由于轴承的结构较简单，容易加工，更换方便，因此应把轴颈的强度和表面硬度指标规定得比轴瓦高，使轴瓦寿命短于轴，维修时只更换轴瓦，降低维护费用。
8 F6 s/ b" B' K2 y3 a（4）工作环境对不同材料组织和性能的影响 如工程塑料、橡胶等，不仅其力学性能受环境条件的影响很大，而且其物理、化学性能也会随环境条件的变化而变化；复合材料、梯度功能材料等是针对特殊、复杂工作环境而发展的新材料，其力学及物理、化学性能不同于一般的金属材料和非金属材料，所以在选材时，应充分了解其特殊性及其适用范围。
（二）兼顾材料的工艺性能
所谓工艺性能，一般是指材料适应某种加工的能力，或加工成零部件的难易程度。任何一个零件都要通过若干加工工序制作而成。加工的难易程度必然要影响到生产率和加工成本以及产品质量。金属材料的工艺性能包括铸造性、压力加工性能、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等；陶瓷零件的形状、尺寸精度和性能要求不同，陶瓷材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能差；同一种塑料因加工方法不同，其制品的使用性能会产生很大的差异。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           
- K, U6 F5 a6 d& Q4 Z（三）充分考虑经济性
8 U4 R) b9 Y, A+ F) f# k$ h1、尽量降低材料及其加工成本
2 T$ E( O% U* {4 f在满足零件对使用性能与工艺性能要求的前提下，能用铁不用钢，能用非合金钢不用合金钢，能用硅锰钢不用铬镍钢，能用型材不用锻件。
) B4 q0 a% i$ x3 m2、用非金属材料代替金属材料
非金属材料的资源丰富，性能也在不断提高，应用范围不断扩大，尤其是发展较快的聚合物具有很多优异的性能，在某些场合可代替金属材料，既改善了使用性能，又可降低制造成本和使用维护费用。