第6章机械零件材料及成型方法选用·1·第6章机械零件材料及成型方法选用 6.1选材的一般原则
在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。本节仅就一般结构零件的选材原则作一简要介绍。 1．零件失效的类型
机械零件由于各种原因造成不能完成规定的功能称为机械零件失效，简称失效。为了使机械零件可靠工作，设计师在设计机械零件时首先要进行失效分析，即在实际工作条件下，按照理论计算、实验和实际观察，充分预计机械零件可能的失效，并采取有效措施加以避免。失效分析是正确设计机械零件的基础，必须充分注意。还应注意，一个机械零件可以有几种失效形式，应全面考虑。 （1）断裂
机械零件在静应力作用下，由于某个危险剖面上的应力超过机械零件材料的强度极限时而发生机械零件的断裂，如螺栓被拧断，铸铁零件在冲击载荷作用下的断裂；机械零件在变应力作用下，机械零件表面应力最大处的应力超过某极限时，产生微裂纹，在变应力作用下，裂纹不断扩展，一旦静强度不够时，机械零件将发生疲劳断裂，如轴的疲劳断裂。机械零件的疲劳断裂占断裂的 80% 以上。疲劳断裂与静应力下的断裂有本质上的不同。疲劳断裂时机械零件所受应力值远远低于材料的抗拉强度极限，甚至远低于材料的屈服极限，材料在疲劳断裂前没有明显的塑性变形，应力集中、机械零件的表面状态和尺寸大小对机械零件的极限应力有很大影响。 毛竹片（2）塑性变形
机械零件在外载荷作用下，当其所受应力超过材料的屈服极限时，就会发生塑性变形。在设计机械零件时，一般不允许发生塑性变形。机械零件发生塑性变形后，其形状和尺寸产生永久的变化，破坏零件间的正常相对位置或啮合关系，产生振动、噪音、承载能力下降，严重时，机械零件，甚至机器不能正常工作。例如，齿轮的轮齿发生塑性变形，不能满足正确啮合条件和定传动比传动，在运转时将产生剧烈的振动和噪音；弹簧发生塑性变形后，直接导致丧失其功能。
（3）表面失效
机械零件的表面失效指磨损、胶合和腐蚀等失效。对于高速重载的齿轮传动，齿面间压力、温度大，
可能造成相啮合的齿面发生粘连，由于齿面继续相对运动，粘连部分被撕裂，在齿面上产生沿相对运动方向的伤痕，称为胶合，胶合也会发生在其它高速重载条件
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下相对运动处。机械零件都与其它零件接触，在许多接触处发生微动或明显的相对运动，而且机械零件还可能工作在环境恶劣的条件下，不可避免的发生磨损、腐蚀，在高速或重载下还可能发生胶合。机器外壳或机架由于腐蚀而缺损；机械零件表面失效引起尺寸、形状的改变和表面粗糙度数值下降，影响机器精度，产生振动和噪音，降低机械零件的承载能力，甚至造成机械零件的卡死（如滚动轴承）或断裂等。
（4）弹性变形过大
零件在载荷作用下，将发生弹性变形，如弯曲变形、扭转变形、拉伸变形等。过大的弹性变形将导致零件失效，如机床主轴弹性变形过大，将造成被加工零件精度下降。
（5）破坏正常工作条件导致的失效
有些机械零件必须在特定的工作条件下才能正常工作，一旦其工作条件被破坏就会失效。例如，V型带传动是依靠带和带轮轮槽表面间的摩擦力工作的，若要传递的圆周力超过带和轮间的最大摩擦力，带传动将发生打滑，传动失效；轴承是机器的关键零件之一，轴承没有润滑或润滑不良会发生剧烈的温升或卡死。
气门座圈（6）振动和噪音过大
对于高速运动的机械零件，可能由于干扰力的频率与零件的固有频率相等或接近，造成机械零件共振，使得振幅急剧增大，导致机械零件或机器损坏。噪音也是一种环境污染，影响人体健康和舒适感觉。限制噪音分贝已成为评定机器质量的指标之一，如空调、汽车等。一般机器的噪音最好控制在 70~80dB 以下。
2．零件失效的具体原因
引起零件失效的具体原因大体可以分为以下几种：
（1）设计方面。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误
（2）材料方面。选材不当或材质低劣
（3）加工方面。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷
（4）安装使用方面。安装不良、维护不善、过载使用、操作失误等。
3．零件失效的分析方法
分析零件失效的原因往往是相当复杂的。例如一根轴断裂，就要分析是属于哪一种断裂，原因是什么?是设计有误，还是材料选用或加工工艺不当等。又如一个零件磨损，应分析是属于哪一种磨损，是材料问题还是使用问题？因此，失效分析是一个涉及面很广的复杂问题，所以分析零件失效必须要有一个科学的方法。它的工作程序大体为：（1）现场调查和信息材料的收集
进行现场调查，收集信息材料，是机械零件失效分析的第一阶段。这一阶段的主要工作如下：
1）观察零件在机器中的部位和具有的规定功能，搞清失效零件与相邻零部件的关系。
2）了解失效零件的服役条件和工况，例如：载荷的类型、大小和频率，运转速度，振动和冲击的情况，可能出现的过载和超速等。
3）了解零件的工作环境状况，例如环境的温度、湿度，有否腐蚀介质，污染程度如何等等。
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4）观察零件失效的情况、失效的部位。用肉眼或放大镜检查断口的形貌、颜，有无化学腐蚀和机械损伤等。进而对零件失效的源区作直观检查和判断。
5）收集失效零件的残骸，或截取试样，供下一步分析研究用。
6）根据以上调查事实，可以初步确定零件失效的性质和类型，如整体失效或表面失效（脆性、塑性、过载、疲劳、磨损、腐蚀、蠕变等）。
7）向有关人.员作询问调查。可以用个别询问或开座谈会等各种方式，向机器操作人员、维修人员、管理人员和失效事故目击者，详细询问零件失效的情况和看法。值得注意的是，由于失效事故涉及到有关人员的责任和利害关系，因此不可能人人都讲真话，有时甚至会有意制象。这就要求调查者多听不同的说法和意见，避免偏听偏信和主观引导对方回答问题时“顺着竿子向上爬”。
8）收集失效零件的历史和信息资料也是现场调查的一项重要工作口这些资料包括设计计算书、设计图样、制造工艺资料、维修记录、运转日记，以及公开出版物中有关同类零件失效的报道等。其中最基本的项目有：零件名称、制造厂家、使用单位、材料牌号、力学性能、到失效时的服役寿命、设计图样、说明书，冷加.毛工艺过程和检验规范、热处理工艺和对金相组织的要求、表面处理工艺、生产厂的质量检查报告、使用单位运转日记、维修记录、操作者的技术水平和工作责任心等
总之，在现场调查阶段，工作要尽可能仔细、全面，可采取照相、录像、录音、笔录、绘图等各种手段，将调查的原始材料记录下来，为下一阶段的分析研究提供可靠的根据，同时也可避免不必要的返工。
（2）分析研究
在现场调查的基础上，就可以对零件作进一步的失效分析和研究，具体的工作如下：1）确定零件失效分析的正确思路和方法。在一般的机械零件失效分析中，采用“撒大网”逐个因素排除法是切实可行的。也就是在失效分析工作开始时，将可能引起零件失效的因素全部列出，然后作深入的分析研究，将与失效无关的因素逐个排除，最后就可能到引起失效的直接原因。
2）失效零件断口的宏观观察。主要依靠肉眼或放大镜仔细观察断口的形貌，用文字、绘图或照相记录断口的特征，如泽、粗糙程度、纹路、边缘情况、裂纹走向、裂纹位跪等，判断失效的性质和可能引起失效的原因。
3）失效零件断口的微观检验。可利用光学显微镜或电子显微镜进行断口形貌观察、微区成分分析、X光结构分析等，以便取得零件失效直接原因的证据。
4）失效零件材料化学成分分析。分析材料的化学成分，可以判定零件材料是否符合标准规范要求。这是一种很重要的常规检验。成分分析的试样要尽可能取自零件的失效处。
5）失效零件的全相检验。检验失效零件的金相组织，可以判别失效零件锻、铸和热处理的质量。如果金相组织不符合要求，材料中夹杂物过多，表面有脱碳现象或晶界氧化等，都可能是零件失效的直接原因。
6）失效零件材料的力学性能测试。对于较重要的机械零件，设计图样上对材料的力学性能都有明确的规定。在失效分析时，如有需要，可以从失效零件上截取试样，进行力学性能测试。在实际毛作中，零件的硬度往往可以在一定程度上反映材料的力学性能。因
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此，测定零件失效部位的硬度就非常重要。
7）其他的检验除了上述各种检验和分析外，还可以针对特定的零件失效进行其他项目的检验，例如探伤检查、残余应力测定、蠕变检验、氢脆、冷脆检查等。
8）使用和维护不当。检查由于使用不当可能使零件超载、超速、超温；由于维护不当可能使零件缺乏润滑，磨损过度，漏电电蚀，环境污染等。这些都可能是零件失效的原因。
综合各方面的分析资料做出判断，确定失效的原因，提出改进措施、写出分析报告。
零件失效的原因是多方面的。就材料而言，通过对零件工作条件和失效形式的分析，确定零件对使用性能的要求，将使用性能具体转化为相应的力学性能指标，根据这些指标来选用材料。
6.1.2材料的选用
选用材料，应考虑的一般原则是：使用性能原则；工艺性能原则；经济性原则。1．使用性能与选材
在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式出所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。
如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，而且拉应力是周期变动的，其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外，多数情况下是由于疲劳破坏而造成断裂。因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。由于是整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。表6-1-1列举了一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标。
表6-1-1 一些零件的工作条件、主要损坏形式及主要机械性能指标
零件名称工作条件失效形式主要性能指标
钢丝绳静拉应力，偶有冲击脆性断裂，磨损抗拉强度、HRC
连杆螺栓交变拉应力塑性变形，疲劳断裂屈服极限、疲劳强度传动轴交变弯、扭应力，轴颈摩擦疲劳断裂、磨损疲劳强度、HRC
齿轮交变弯曲应力、交变接触应
力、冲击载荷、齿面摩擦
轮齿折断，接触疲劳、齿面磨
损、塑性变形
抗弯强度、疲劳强度、
HRC
弹簧交变应力、振动塑性变形、疲劳断裂弹性极限、疲劳强度、屈强比金属卤化物灯镇流器
滚动轴承交变压应力、滚动摩擦磨损、接触疲劳抗压强度、疲劳强度、HRC
机座压应力、复杂应力、振动过量弹性变形、疲劳断裂弹性模量、疲劳强度由上表可见，零件实际受力条件是较复杂的，而且还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等影响因素，因此机械性能
指标成为选材的主要依据。机械性能指标可分为设计指标和安全指标两类。前者有屈服强度σs、抗拉强度σb，疲劳强度σ-
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、弹性模量E，断裂韧性K IC等，用于设计计算，后者有伸长率δ、断面收缩率Ψ，l
冲击韧性值 K(或冲击功A K)等，不直接用于计算，作为安全储备，其作用是增加零件的抗过载能力和安全性。生产上还习惯在图纸上标注硬度值来说明对机械性能的要求，这是因为硬度值和许多机械性能指标间存在一定的对应关系，如低碳钢的σb≈
3.6HBS(σb单位为MPa)，并且不需破坏零件或制作专门试样就可测定硬度，测定方
法简便、迅速。尽管这种传统的硬度标注方法为生产所接受，并成功地应用于许多机
械产品的设计和制造中，但仍应指出这种方法的局限性。对同样硬度的材料，由于处
理状态不同，其他机械性能相应不同。例如，45钢经正火处理，σs =355MPa，经调质处理到同样硬度，σs =490MPa。故在标注硬度值的同时，应注明材料的处理状态，对重要零件则应标注更严格的技术要求。
在特殊环境中使用的材料，必须考虑它们的物理、化学性能。例如，在酸、碱等
介质中工作的化工容器，为防止腐蚀失效，应选择耐蚀性高的不锈钢等材料；长期在
高温条件下工作的汽轮机、锅炉等零件，为防止蠕变断裂，应选择耐热性高的耐热
钢，高温合金等材料；内燃机活塞在气缸内承受高温、高压作用，除要求高温强度
外，还要求材料密度小，以减小往复运动的惯性力，热膨胀系数小，不致因高温膨胀
而卡死在气缸内，故大都采用铸造铅合金制造。
此外，选材时还应注意材料的“尺寸效应”。材料化学成分和热处理状态相同，
由于零件截面尺寸不同，会产生机械性能差异。一般而言，随着零件截面尺寸增加，
则机械性能降低。因钢材的尺寸效应与淬透性有关，钢的淬透性愈低，零件的截面尺
寸愈大，则尺寸效应愈明显。
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2.工艺性能与选材
在选材中，材料的工艺性能常处于次要地位，但在某些特殊情况下，工艺性能也可成
为选材考虑的主要依据。如切削加工中，大批量生产时，为保证材料的切削加工性，而选
用易切削钢便是一个例子。当某一可选材料的性能很理想，但极难加工或加工成本很高
时，选用该材料就没有意义了。因此，选材时必须考虑材料的工艺性能。
高分子材料的成形工艺比较简单，切削加工性尚好，但它的导热性较差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，可能使热固性塑料变焦，使热塑性塑料变软。
陶瓷材料压制、烧结成形后，硬度极高，除了可用碳化硅或金刚石砂轮磨削外，几乎不能进行任何其他加工。
金属材料制造零件的基本方法有：铸造，压力加工，焊接，和切削加工。热处理是作为改善材料的切削加工性能和赋予零件使用性能而安排在有关工序之间。如果零件的毛坯用铸造成形，应选用铸造性能较好的共晶或接近共晶成分的合金。若是锻造成形，最好选用在一定温度范围内呈固溶体的合金，因其可锻性好。如果是焊接成形，最适宜的材料是低碳钢或低碳合金钢，其焊接性能良好。为了便于切削加工，一般希望钢铁材料的硬度控制在170～230HBS之间，以达到改善切削加工性之目的。不同材料的热处理性能是不同的，碳钢的淬透性差，加热时晶粒容易长大，淬火时容易产生变形甚至开裂。
所以制造高强度、大截面、形状复杂的零件，都需要选用合金钢。
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