第十一章金屬零件的選材及工藝分析

§1機械零件的失效分析

§2選用材料的一般原則

§3典型零件的選材與工藝本章在前面各章已介紹過的內(nèi)容的基礎上，通過闡述選材的一般原則和方法、選材時應注意的問題以及與選材密切相關的零件失效分析等內(nèi)容，為選材能力的培養(yǎng)提供必要的基本知識。14:11:5714:11:5714:11:5714:11:5714:11:57概述材料的選擇與應用是機械設計與制造工作中重要的基礎環(huán)節(jié)，自始至終地影響整個設計過程。選材的核心問題是在技術和經(jīng)濟合理的前提下，保證材料的使用性能與零件（產(chǎn)品）的設計功能相適應。掌握各類工程材料的特性、正確選用材料及相宜的加工方法（路線）是對機械設計與制造工程人員（廣義地應是對所有的從事產(chǎn)品設計與制造的技術人員）的基本要求。

14:11:57一、基本概念§1機械零件的失效分析在使用過程中，因零件的外部形狀尺寸和內(nèi)部組織結(jié)構發(fā)生變化而失去原有的設計功能，使其低效工作或無法工作或提前退役的現(xiàn)象即稱為失效。

失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相應的防止和改進措施，其結(jié)論對零件的設計、選材、加工與使用都有重大的指導意義。14:11:57二、失效形式四類：過量變形、斷裂、表面損傷和物理性能降級。

對結(jié)構材料的失效而言，前三種是最主要的；其中斷裂失效（尤其是脆性斷裂）因其危險性而易受重視、且研究最多，疲勞斷裂最普遍，是斷裂失效的主要方式。對于功能材料，物理性能降級是其主要失效形式，但也存在斷裂與腐蝕、磨損等問題。14:11:57下列任何一種情況的發(fā)生，都可以認為零件已經(jīng)失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作零件嚴重損傷，不能保證工作安全零件雖能安全工作，但工作低效14:11:57（一）、零件失效的基本形式零件的失效形式比較復雜，根據(jù)零件破壞的特點、所受載荷的類型以及外在條件，零件的失效形式可歸納為變形失效、斷裂失效和表面損傷失效三大類型。表面損傷失效斷裂失效變形失效應力腐蝕斷裂失效蠕變斷裂失效疲勞斷裂失效低應力脆斷失效塑性斷裂失效塑性變形失效彈性變形失效磨損失效表面疲勞失效腐蝕失效零件失效14:11:57（二）、失效分析的主要方法失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影響失效的因素很多，要利用宏觀和微觀的研究手段進行系統(tǒng)的分析。服役條件失效零件失效分析失效類型失效原因工業(yè)試驗實驗室試驗提高零件失效抗力加強管理改進工藝提高主要抗力指標改進設計工藝使用材料設計

14:11:57失效分析的主要方法1、無損檢測無損檢測是針對材料在冶金、加工、使用過程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋用無損探傷法進行檢查，以查清其狀態(tài)及分布。2、斷口分析

斷口分析是對斷口進行全面的宏觀（肉眼、低倍顯微鏡）及微觀（高倍顯微鏡、電子顯微鏡）觀察分析，確定裂紋的發(fā)源地、擴展區(qū)和最終斷裂區(qū)，判斷出斷裂的性質(zhì)和機理。脆性斷口韌性斷口疲勞斷口14:11:573、金相分析通過觀察分析零件（特別是失效源周圍）顯微組織構成情況，如組織組成物的形態(tài)、粗細、數(shù)量、分布及其均勻性等，辨析各種組織缺陷及失效源周圍組織的變化，對組織是否正常作出判斷。4、化學分析檢驗材料整體或局部區(qū)域的成分是否符合設計要求。5、力學分析檢查分析失效零件的應力分布、承載能力以及脆斷傾向等。14:11:57三、失效原因四個主要方面：設計、材料、加工與使用

14:11:57材料選用原則(一)使用性能原則——首要原則（二）工藝性能原則（三）經(jīng)濟性原則——（四）環(huán)境與資源原則根本原則§2選材的一般原則14:11:57一、使用性能選材原則

分析零件的工作條件，確定其使用性能：①受力情況：如載荷性質(zhì)（靜載、動載、交變載荷）、形式（拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切）、分布（均勻分布、集中分布）與大小，應力狀態(tài)；②工作環(huán)境：如溫度（常溫、高溫、低溫或變溫），介質(zhì)（有無腐蝕介質(zhì)、潤滑劑）；③其它要求：如導熱性、密度與磁性等。在全面分析工作條件的基礎上確定零件的使用性能，如交變載荷下要求疲勞性能、沖擊載荷下工作要求韌性、酸堿等腐蝕介質(zhì)中工作則要求耐蝕性等。

14:11:5714:11:57二、工藝性能選材原則材料的工藝性能可定義為材料經(jīng)濟地適應各種加工工藝而獲得規(guī)定的使用性能和外形的能力，因此工藝性能影響了零件的內(nèi)在性能、外部質(zhì)量以及生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率等。材料選擇與工藝方法的確定應同步進行，工藝性能也是選材時應考慮的因素。理想情況下，所選材料應具有良好的工藝性能，即技術難度小、工藝簡單、能量消耗低、材料利用率高，保證甚至提高產(chǎn)品的質(zhì)量。14:11:57二、工藝性能選材原則（金屬材料）1.鑄造性能

凡相圖上液-固相線間距越小、越接近共晶成分的合金均具有較好的鑄造性能。因此鑄鐵、鑄造鋁合金、鑄造銅合金的鑄造性能優(yōu)良；在應用最廣泛的鋼鐵材料中，鑄鐵的鑄造性能優(yōu)于鑄鋼，在鋼的范圍，中、低碳鋼的鑄造性能又優(yōu)于高碳鋼，故高碳鋼較少用做鑄件。14:11:572.壓力加工性能包括變形抗力，變形溫度范圍，產(chǎn)生缺陷的可能性及加熱、冷卻要求等。一般來說，鑄鐵不可壓力加工，而鋼可以壓力加工但工藝性能有較大差異，隨著鋼中碳及合金元素的含量增高，其壓力加工性能變差；故高碳鋼或高碳高合金鋼一般只進行熱壓力加工，且熱加工性能也較差，如高鉻鋼、高速鋼等；高溫合金因合金含量更高，故熱壓力加工性能更差。變形鋁合金和大多數(shù)銅合金，像低碳鋼一樣具有較好的壓力加工性能。14:11:573.焊接性能

鋼鐵材料的焊接性隨其碳和合金元素含量的提高而變差，因此鋼比鑄鐵易于焊接，且低碳鋼焊接性能最好、中碳鋼次之，高碳鋼最差。鋁合金、銅合金的焊接性能一般不好，應采用一些高級的焊接方法（如氬弧焊）或特殊措施進行焊接。14:11:574.機械加工性能

主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般來說材料的硬度越高、加工硬化能力越強、切屑不易斷排、刀具越易磨損，其切削加工性能就越差。在鋼鐵材料中，易切削鋼、灰鑄鐵和硬度處于180～230HBS范圍的鋼具有較好的切削加工性能；而奧氏體不銹鋼、高碳高合金鋼(高鉻鋼、高速鋼、高錳耐磨鋼)的切削加工性能較差。鋁、鎂合金及部分銅合金具有優(yōu)良的切削加工性能。14:11:575.熱處理工藝性能

必須首先區(qū)分是否可進行熱處理強化，如純鋁、純銅、部分銅合金、單相奧氏體不銹鋼一般不可熱處理強化；對可熱處理強化的材料而言，熱處理工藝性能相當?shù)闹匾?4:11:57三、經(jīng)濟性能選材原則質(zhì)優(yōu)、價廉、壽命高，是保證產(chǎn)品具有競爭力的重要條件；在選擇材料和制定相應的加工工藝時，應考慮選材的經(jīng)濟性原則。所謂經(jīng)濟性選材原則，不僅是指選擇價格最便宜的材料、或是生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品，而是指運用價值分析的方法，綜合考慮材料對產(chǎn)品的功能與成本的影響，以達到最佳的技術經(jīng)濟效益。14:11:57經(jīng)濟性能選材原則舉例價值工程原理：價值=功能/成本Q235A-不銹鋼F-不銹鋼價格/使用年限5000元/年40000元/10年15000元/6年年成本/材料損耗5000400025003000元/停產(chǎn)損失80004300300030000元/停產(chǎn)損失3500070007500？？？14:11:57四環(huán)境與資源原則1.能源和資源消耗少世界能源儲藏量石油天然氣煤鈾可開采儲量9970億桶138萬億m31，039，272噸200萬噸可開采年限45.5年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳>70%重要金屬的世界儲量儲量（106t）可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti1475114:11:572.環(huán)境污染小材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金Eρ/

b24145100~500475-1002710-1029E──生產(chǎn)每公斤材料的能耗 ρ──材料密度

b──抗拉強度生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量14:11:57一、工程材料的應用概況

§3典型零件選材與工藝分析

金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復合材料是目前最主要的四大類工程材料。

高分子材料的強度與剛度低、尺寸穩(wěn)定性較差且易老化，在工程上一般不用于受力較大的、重要的結(jié)構零件。但由于其原料豐富、生產(chǎn)能耗較低（為鋼的1/10、鋁的1/20），密度低、彈性較好且減振、耐磨，故適合于制造受力不大的普通結(jié)構件及減振、耐磨或密封零件，如輕載傳動齒輪、軸承、緊固件、密封件和輪胎等。

14:11:57陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要應用領域是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高熱硬性及化學穩(wěn)定性，可用作耐熱、耐磨、耐蝕的零件，如燃燒器噴嘴、刀具與模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有極其廣闊的應用前景，在高新技術產(chǎn)品中占據(jù)重要地位，故有人認為21世紀是“第二個石器時代”。陶瓷作為結(jié)構材料，目前尚處開發(fā)應用階段。14:11:57

復合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，綜合了各種不同材料的優(yōu)良性能，具有高的比強度、比剛度、抗疲勞、減振、耐磨性能優(yōu)良等特點。尤其是金屬基復合材料，從力學性能角度看，可能是最理想的機械工程材料。但復合材料價格昂貴，除在航天航空、船舶、武器裝備等國防工業(yè)中的重要結(jié)構件上應用外，在一般的民用工業(yè)上應用有限。但應注意的是，隨著復合材料的生產(chǎn)成本降低，其應用潛力巨大、前景極其廣闊。14:11:57金屬材料,尤其是鋼鐵材料，與其它工程材料相比，在力學性能、工藝性能和生產(chǎn)成本這三者之間保持著最佳的平衡，具有最強的競爭力，故金屬材料仍然是機械工程材料的主力軍。從這個意義上來講，人類仍然生活在以鋼鐵材料為主的“鐵器時代”。以載重汽車用材的重量為例，鋼占65％、鑄鐵占20％、有色金屬占3％、非金屬材料約占12％。在輕型汽車和轎車中，非金屬材料的用量雖有所增加，但金屬材料仍占主體。14:11:57二、齒輪類零件選材應用極廣的重要機械零件，其主要作用有傳遞扭矩（力或能），改變運動速度或方向。不同的齒輪，

其工作條件、失

效形式和性能要

求各有不同。14:11:57齒輪類零件的性能要求1．工作條件

①

傳遞扭矩，齒根部承受較大的交變彎曲應力；②

齒面嚙合并發(fā)生相對滑動與滾動，承受較大的交變接觸應力及強烈的摩擦；③

啟動、換檔或嚙合不良，齒輪承受一定的沖擊力；④

有時有其它特殊條件要求，如耐高、低溫要求，耐蝕要求，抗磁性要求等。14:11:572．主要失效形式①

斷裂——包括交變彎曲應力引起的輪齒疲勞斷裂和沖擊過載導致的崩齒與開裂；②齒面損傷——包括交變接觸應力引起的表面接觸疲勞（麻點剝落）和強烈摩擦導致的齒面過度磨損；③

其它特殊失效，如腐蝕介質(zhì)引起的齒面腐蝕現(xiàn)象。14:11:573．主要性能要求①高的彎曲疲勞強度，防止輪齒的疲勞斷裂。②足夠高的齒面接觸疲勞極限和高的硬度、耐磨性，以防齒面損傷。③足夠的齒心部強韌性，以防沖擊過載斷裂。14:11:57（1）鍛鋼

齒輪的主要材料。鍛造可改善鋼的組織并形成有益的加工流線，力學性能優(yōu)良。重要用途的齒輪大多采用鍛鋼制造。

主要包括：

①

低碳鋼及低碳合金鋼20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通過退火或正火來改善切削加工性能，通過滲碳后淬火＋低溫回火來保證齒輪的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的彎曲疲勞極限和接觸疲勞極限，心部具有足夠高的強韌性；故適合于制造高速、大沖擊的中載和重載齒輪。14:11:57

②中碳鋼表面淬火齒輪的工作速度、載荷及受沖擊的程度應低于低碳鋼滲碳淬火齒輪。其中Q275只宜制作低速、輕載、無沖擊的非重要齒輪，一般在正火狀態(tài)直接使用；40、45鋼可用作低中速、輕中載、小沖擊的齒輪，依據(jù)具體工作條件不同，可在正火、調(diào)質(zhì)、表面淬火狀態(tài)下使用；40Cr、40MnB合金鋼的綜合力學性能優(yōu)于40、45碳鋼，可用做相對重要的齒輪，多在表面淬火狀態(tài)使用，少數(shù)情況也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用。③中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后再表面滲氮處理，力學性能優(yōu)良、變形微小，主要用做高精度、高速齒輪。14:11:57（2）鑄鋼

鑄鋼

齒

輪

的

力

學

性

能

比

鍛鋼差，較少使用，但對某些尺寸大(＞Ф500mm)、形狀復雜的齒輪，采用鑄鋼較為合理。常用鑄鋼牌號有ZG270—500、ZG310—570、ZG40Cr等。鑄鋼齒輪加工后一般也是進行表面淬火＋低溫回火處理，但對性能要求不高、低速齒輪，也可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)、甚至正火狀態(tài)下使用。14:11:57（3）鑄鐵

灰鑄鐵齒輪具有優(yōu)良的減摩性、減振性，工藝性能好且成本低，其主要缺點是強韌性欠佳，故多用于制作低速、輕載、不受沖擊的非重要齒輪。常用牌號有HT200、HT250、HT350等；由于球墨鑄鐵的強韌性較好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分鑄鋼齒輪的趨勢越來越大。鑄鐵齒輪的熱處理方法類似于鑄鋼齒輪。14:11:57（4）非鐵金屬

在儀器儀表及某些特殊條件下工作的輕載齒輪，由于有耐蝕、無磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性較好的有色金屬材料制造，其中最主要的是銅合金，如黃銅(如H62)、鋁青銅(如QAl9-4)、錫青銅(如QSn6.5-0.1)、硅青銅(如QSi3-1)等。14:11:57（5）粉末冶金材料粉末冶金齒輪材料可實現(xiàn)精密的少、無切削加工方法，特別是隨著粉末熱鍛新技術的應用，所制造的齒輪力學性能優(yōu)良、技術經(jīng)濟效益高。粉末冶金材料一般適用于大批量生產(chǎn)的小齒輪，如汽車發(fā)動機的定時齒輪（材料Fe-C0.9）、分電器齒輪（材料Fe-C0.9-Cu2.0）、農(nóng)用柴油機中的凸輪軸齒輪（材料Fe-Cu-C）、聯(lián)合收割機中的油泵齒輪。14:11:57對開式傳動齒輪，或低速、輕載、不受沖擊或沖擊較小的齒輪，宜選相對價廉的材料，如鑄鐵、碳鋼等；對閉式傳動齒輪，或中高速、中重載、承受一定甚至較大沖擊的齒輪，則宜選用相對較好的材料，如優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼、并須進行表面強化處理；在齒輪副選材時，為使兩者壽命相近并防止咬合現(xiàn)象，大、小齒輪宜選不同的材料，且兩者硬度要求也應有所差異，通常小齒輪應選相好的材料、硬度要求較高一些。14:11:5714:11:57

1.機床齒輪

運行平穩(wěn)無強烈沖擊、載荷不大、轉(zhuǎn)速中等，對表面耐磨性和心部韌性要求不太高。大多采用碳鋼(40、45鋼)制造，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理后再進行表面淬火＋低溫回火，其齒面硬度可達50HRC，齒心硬度為220～250HBS，可滿足性能要求；對部分性能要求較高的齒輪，也可選用中碳合金鋼(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齒面硬度可提高到58HRC左右、心部強韌性也有所改善；極少數(shù)高速、高精度、重載齒輪，還可選用中碳氮化鋼(如35CrMo、38CrMoAlA等)進行表面滲氮處理制造。14:11:57

機床齒輪的簡明加工工藝路線：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工

→表面淬火＋低溫回火→精磨

正火可使鍛造組織均勻化、便于切削加工、可作為表面淬火前的預備組織、并保證齒心的強韌性。

調(diào)質(zhì)處理可使齒輪具有較高的綜合力學性能，改善齒心的強韌性進而使齒輪能承受較大的彎曲載荷和沖擊載荷。

表面淬火可提高齒輪表面的硬度，耐磨性和疲勞性能。

低溫回火的作用主要是消除淬火應力。

14:11:57

2.汽車、拖拉機齒輪工作條件惡劣，特別是主傳動系統(tǒng)中的齒輪；受力較大，易過載，變速時受到頻繁的強烈沖擊；對材料的耐磨性、疲勞性能、心部強韌性的要求高，采用中碳鋼表面淬火已難滿足使用的需要；通常選用合金滲碳鋼(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，經(jīng)滲碳淬火＋低溫回火處理后，齒面硬度可達58～62HRC，心部硬度30～45HRC。對飛機、坦克等特別重要齒輪，則可采用高淬透性滲碳鋼（如18Cr2Ni4WA）來制造。14:11:57采用20CrMnTi制造汽車齒輪，簡明工藝路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火＋低溫回火→噴丸→磨削加工滲碳淬火處理可使齒面具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞性能，而心部保持良好的強韌性；噴丸作為進一步強化手段，可使齒面硬度提高1～3HRC，增加表層殘余壓應力，進而提高疲勞極限。

14:11:57三、軸類零件選材1．工作條件①交變彎曲載荷，扭轉(zhuǎn)載荷或拉-壓載荷；②相對運動表面(如軸頸、花鍵部位)發(fā)生摩擦；③因機器開-停、過載等，承受一定的沖擊載荷；2．主要失效①疲勞斷裂為多數(shù)、沖擊過載斷裂為少數(shù)；②磨損

相對運動表面過度磨損；③過量變形

極少數(shù)情況下會發(fā)生因強度不足的過量塑性變形失效和剛度不足的過量彈性變形失效。3．性能要求①高的疲勞極限；②綜合力學性能好；③局部承受摩擦部分應具有較高的硬度和耐磨性。14:11:57軸類零件實物14:11:57三、軸類零件常用材料-鋼鐵1．鍛鋼優(yōu)質(zhì)中碳或中碳合金調(diào)質(zhì)鋼是軸類材料的主體：35、40、45、50(45鋼最常見)等碳鋼具有較高的綜合力學性能且價格低廉，故應用廣泛；對受力不大或不重要的軸，為進一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳鋼制造；對受力較大、尺寸較大、形狀復雜的重要軸，可選用綜合力學性能更好的合金調(diào)質(zhì)鋼來制造，如40Cr、40MnVB等，對其中精度要求極高的軸要采用專用氮化鋼（如38CrMoAlA）制造。14:11:57中碳鋼軸的熱處理特點是：正火或調(diào)質(zhì)保證軸的綜合力學性能(強韌性)，然后對易磨損的相對運動部位進行表面強化處理(表面淬火、滲氮或表面滾壓、形變強化等)。

少數(shù)情況下還可選用低碳鋼或高碳鋼來制造軸類零件。如當軸受到強烈沖擊載荷作用時，宜用低碳鋼（如20Cr、20CrMnTi）滲碳制造；而當軸所受沖擊作用較小而相對運動部位要求更高的耐磨性時，則宜用高碳鋼制造（如GCr15、9Mn2V等）。14:11:572．鑄鋼形狀復雜、尺寸較大的軸，可采用鑄鋼來制造，如ZG230-450。鑄鋼軸比鍛鋼軸的綜合力學性能(主要是韌性)要低。3．鑄鐵由于大多數(shù)軸很少以沖擊過載而斷裂的形式失效，故近幾十年來愈來愈多地采用球墨鑄鐵(如QT700-2)和高強度灰鑄鐵(HT350、KTZ550—06等)來代替鋼作為軸(尤其是曲軸)的材料。鑄鐵軸的剛度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、減振減摩、切削加工性好且生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，選材時值得重視。14:11:57軸類零件選材時應注意以下幾點：①

以剛度為主、輕載、非重要軸，為降低成本，可選用碳鋼(如45鋼)、鑄鐵(如QT700-2)、甚至普通質(zhì)量碳鋼(如Q275)制造；一般進行正火或調(diào)質(zhì)處理，若需提高相對運動部位的耐磨性，可對其進行表面淬火。②

以耐磨性為主的軸，可選碳含量較高的鋼(如65Mn、9Mn2V)或低碳鋼(20Cr、20CrMnTi)滲碳制造，對其中精度有極高要求的軸，則應選38CrMoAlA滲氮制造。③

主要受彎扭載荷的軸，無需選淬透性大的鋼種，可選45、40Cr即可；而對受拉-壓載荷的軸，特別當其尺寸較大、形狀較復雜時，則應選用淬透性較高的鋼種，如40CrNiMo。④

主要受明顯、強烈沖擊的軸，宜用低碳鋼滲碳制造。

14:11:57機床主軸：機床主軸承受彎-扭復合交變載荷、轉(zhuǎn)速中等并承受一定的沖擊載荷，一般選用45鋼或40Cr