工程材料 第11章 机械设计与选材

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1、第十一章机械设计与选材零件的失效选材原则选材的典型实例分析第一节零件的失效一、失效的概念零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。失效：零件或部件失去应有的功效2失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性

2、事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。3二、零件失效的原因设计：由于零件设计时对①其工作条件估计错误，如对工作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理；②计算错误，但现在很少发生因计算错误造成的设计事故；③结构外形设计不合理，往往容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、缺口、过小的圆角。4材料：①选材不当，如根据材料的常规性能指标作判据，但这些指标可能并不是材料发生失效的抗力，还有为了经济或加工原因，选择的材料不合理，即材料本身没有设计者有求于的能力。问题出在材料上，但责任在设计者。②材料本身的缺陷，如杂质元素

3、过多、夹杂物过多或存在夹层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。5加工：由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。如铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致较大的残余内应力等。值得注意的是零件的结构不合理会造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。6安装与使用：零件安装时的配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载或维护不良(润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期失效。意外事故：人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的载

4、荷。7三、零件失效形式与性能之间的关系1.变形失效弹性变形失效：由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效。弹性变形超过了工作能容许的范围，造成与其配合的零件相撞而破坏；细长杆的弹性失稳而发生塑性弯曲或断裂。材料的弹性模量仅决定于成分，热处理对其影响较小。8塑性变形失效：零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效。材料抵抗塑性变形的能力主要指标是屈服强度，屈服强度愈高，发生塑性变形失效的可能行愈小，而有一些脆性材料可能屈服强度很高，但因为材料太脆，高强度的特点发挥不出来。92.断裂失效快速断裂失效：快速断裂又称为单调断裂，在单调增加载荷的作用下，当载荷

5、超过一定临界值后迅速发生断裂。断裂的形式有塑性断裂和低应力脆断。塑性断裂往往是材料存在缺口或应力的高度集中造成，如断裂前材料有明显的塑性变形，在早期就定为塑性变形失效。低应力脆断发生前没有可见的征兆，往往会带来灾难性后果(飞机坠毁、轮船沉没)，为此要考虑材料的韧性，特别是冲击韧性的脆性转变温度。10疲劳断裂失效：在低于屈服应力的交变循环应力作用下发生的断裂，是机械零件的主要失效形势之一。机械设计的校核用σ-1，材料的实质是裂纹扩展速率，它要求材料有良好的强韧性配合。但在设计中应考虑工作时实际发生的循环次数，不可都以无限次校核。11蠕变断裂失效：蠕变是指

6、材料在固定的应力作用下，随时间的延长变形不断增加的现象，蠕变也可导致零件失效，蠕变失效可能是变形失效或断裂失效。蠕变过程是原子的扩散过程，提高其抗力一方面选用高熔点材料，另一方面是高熔点质点弥散分布减缓扩散的进行。此外大晶粒可以有效提高材料的高温强度。介质加速断裂：在存在应力，特别是有交变应力又有裂纹时，许多介质如盐水可以加速断裂过程，有称为应力腐蚀。123.表面损伤失效磨损失效：磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料

7、表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。13表面疲劳失效：相互接触的两个运动表面(特别是滚动接触),在工作过程中承受交变接触应力的作用，使材料表层发生疲劳破坏而脱落，造成零件失效。接触疲劳按其损伤程度分为麻点(浅层剥落)与剥落(深层剥落)。提高表面接触疲劳抗力要求在一定的层深范围内有高的硬度。14腐蚀失效：由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件失效。腐蚀的种类有多种，如点腐蚀、裂隙腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀。重点在于改善材料的化学性能，不仅材料整体的化学稳定性，特别是晶界的化学稳定性。15第二节选材原则一、所用材料要满足使用性能机械零件应能承受相应要求的载荷零件

8、承受工作时的拉、压、弯、扭、剪、冲击应力，不能断裂或超量的变形。适应工作环境温度、电、磁、热、