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