機械零件選材及工藝路線分析零件失效：零件喪失工作能力，如齒輪輪齒斷裂；零件能工作，但損傷嚴重、使用不再安全，如齒輪輪齒彎曲；零件能工作，但不能達到設計功能，如齒輪輪齒磨損。

機械零件的常見失效形式主要是變形、斷裂、磨損、疲勞與腐蝕。10.1機械零件的失效與分析

主要包括過量彈性變形失效、塑性變形失效。過量彈性變形失效

零件在工作時要求處于一定量的彈性變形狀態，若發生過量彈性變形就會失效。塑性變形失效

絕大多數零件使用時不允許產生塑性變形。由于偶然過載等原因，零件塑性變形量超過允許值時將導致失效。10.1.1變形主要有過載斷裂和疲勞斷裂。1.過載斷裂

在靜載荷下，零件最大工作應力超過其強度極限而發生的斷裂。

斷裂前有明顯塑性變形（δ＞5%）并消耗較多能量的斷裂為韌性斷裂，反之則為脆性斷裂。10.1.2斷裂

在循環應力長期作用下產生的斷裂。

零件疲勞斷裂承受的循環應力往往低于材料的屈服極限，呈現無塑性變形突然斷裂的特點，具有極大的危害性。2.疲勞斷裂第1階段：形成疲勞源。應力最大部位形成微裂紋（即疲勞源）。第2階段：疲勞裂紋擴展。微裂紋緩慢擴展。第3階段：最終斷裂。有效承載面積減小，當裂紋擴展至一定程度致最終斷裂。a）b)c)

各種循環應力的循環情況

零件與零件間相互摩擦導致零件表面材料發生損耗的現象稱為磨損。當磨損量超過允許值時便不能有效工作。1.粘著磨損

10.1.3磨損

接觸壓應力很大時，不同硬度零件間的接觸點發生粘著，在相對滑動過程中，粘著點不斷形成和破壞，這種損耗稱為粘著磨損。

粘著磨損的磨損率遠大于其它種類的磨損，具有嚴重的破壞性。

硬質磨粒嵌入零件表面并切割表面引起的磨損。其特點為：磨損率較大，零件表面摩擦方向上有劃痕。2.磨粒磨損粘著磨損

磨粒磨損

零件間摩擦接觸點表面的氧化膜不斷形成且不斷脫落所引起的磨損。

氧化磨損是最常見的磨損。磨損率遠小于其他種類的磨損，是機械工程中唯一允許的磨損；磨損表面光亮，有均勻分布的極細微磨紋。3.氧化磨損

在循環載荷或振動作用下，零件嵌合部位以及緊配合處的某些區域，因微小往復滑動而產生的磨損。是粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損共同作用的結果。壓配合軸微動磨損示意圖4.微動磨損

微動磨損會引起應力集中而成為疲勞源易引起疲勞斷裂。

特征為：配合面有大量粉末狀磨損產物，有一定深度的磨痕蝕坑。

防止方法有：提高零件的硬度和耐磨性、減小表面接觸壓應力、降低零件表面粗糙度、改善潤滑條件等。1.表面接觸疲勞

點或線接觸的零件在循環接觸應力作用下，引起表面疲勞并小塊材料剝落的現象（或稱點蝕）。引起振動、噪音增大，產生附加沖擊力、斷裂等。特征為接觸表面出現針狀或痘狀凹坑，坑內有貝紋疲勞裂紋擴展痕跡。10.1.4其它失效輪齒表面接觸疲勞鋼軌表面接觸疲勞

零件在循環溫度反復作用下產生表面裂紋的現象。如壓鑄模、熱鍛模、熱軋輥等。

產生機理是零件表面和內層在加熱和冷卻的循環溫度作用下，因膨脹和收縮變形相互制約，產生了相互作用的交變應力，進而引起疲勞。網狀熱疲勞裂紋2.熱疲勞

循環溫差愈大；具有凸臺、棱角、缺口等結構，或有刀痕、表面粗糙、磨削裂紋等加工缺陷，熱疲勞壽命均降低。分析零件的結構形狀和尺寸設計是否合理；分析選材是否能滿足工作條件的要求；分析加工工藝是否合適；分析安裝是否正確，判斷是否過緊、過松或對中不準、重心不穩等。零件失效原因的分析和確定程序10.2.1選材原則

1.滿足使用性能要求

主要是力學性能。某些零件還要求一定的物理或化學性能。1）零件承載情況

拉應力為主：鋼

承受壓應力為主：鋼或鑄鐵。2）零件工作條件

摩擦條件下：耐磨材料

高溫條件下：耐熱材料

腐蝕介質中：耐蝕材料10.2選材原則與步驟

強度高而尺寸小、質量輕：高強度合金鋼

比強度高的材料：鋁合金、鈦合金等

剛度高而質量輕：復合材料等4）零件重要程度

危及人身、設備安全：綜合力學性能優良材料。2.滿足工藝性能要求1）毛坯種類

鑄件：鑄造性能好的材料（如鑄鐵、鑄鋁等）

焊接件：焊接性能好的材料（如低碳鋼）

鍛件：鍛造性能好的材料（如中、低碳鋼）

沖壓件：冷沖壓性能好的板材（如鋁板、銅板、低碳鋼板等）3）零件尺寸和質量限制

淬火形狀復雜：選淬火變形和淬裂敏感性小的材料。3）切削加工

切削加工零件：選切削加工性好的材料。3.滿足經濟性要求1）盡量采用廉價材料

對于大批量生產零件尤為重要。2）利于降低加工費用

某些單件或小量生產的箱體件，鋼板焊接比灰鑄鐵鑄造成本更低。3）利于提高材料利用率

采用適合于無切屑、少切屑加工（如模鍛、精鑄、沖壓等）的材料，既省工又省料。2）熱處理

對于某些加工工藝復雜、要求使用壽命長的單件、小量生產的零件或工具，采用價格較貴的合金鋼不僅可降低廢品率而且可延長使用壽命，比采用廉價的碳鋼經濟性更好。10.2.2選材步驟4）利于延長使用壽命1.工作條件分析和失效形式預測

工作條件分析：受載分析(載荷性質、種類、分布和大小)、工作環境等。再預測失效形式（斷裂、摩損等）及其部位。

根據工作條件分析和失效形式預測，確定零件的使用性能及其指標。1）強度（Re、Rm）

塑性變形：下屈服強度ReL或規定塑性延伸強度Rp作為設計依據。

以脆性斷裂為主的零

件，常以Rm作為強度指標。2）疲勞極限（σ-1、σN）

疲勞斷裂：疲勞極限σ-1或σN為性能指標。

按σlim

≥σmax×[S]）算出σlim，即為要求的σ-1或σN。2.確定零件材料使用性能3）硬度

表面接觸疲勞或磨損：硬度HBW、HRC為性能指標。

重要零件分為初選材料、裝機試驗和終選材料三個階段。1）初選材料

零件用鋼:一般選結構鋼

工具用鋼：一般選工具鋼

需綜合考慮：截面大小、耐磨性、熱硬性、抗熱疲勞性等。2）裝機試驗

零件的工作狀態與材料試樣的力學性能試驗狀態（形狀、尺寸和受力等）往往存在差異，故應進行裝機試驗或模擬試驗。3.選擇材料3）終選材料

若早期失效，則失效分析，為重新選材提供依據。

對非重要零件選材，一般可借助材料手冊或生產經驗直接選材。10.3.1齒輪零件

作用是傳遞扭矩、改變運動速度和方向，有的齒輪僅起分度定位作用。1.工作條件

齒根：交變彎曲應力、應力集中、震動沖擊

齒面：接觸壓應力、摩擦2.主要失效形式（1）輪齒折斷

多數為疲勞斷裂。過載斷裂是因短時過載或過大沖擊引起，多發生在淬透的硬齒面齒輪或脆性材料齒輪上。10.3典型零件選材及工藝分析實例

（2）齒面點蝕

齒面表層產生點狀、小片剝落的破壞；（3）齒面磨損

齒面產生磨粒磨損、粘著磨損或正常磨損現象。（4）齒面塑性變形

強度不夠和齒面硬度較低時產生。3.主要性能要求（1）齒面有高硬度和耐磨性；（2）齒面具有高接觸疲勞強度，齒根具有高的彎曲疲勞強度；（3）輪齒的心部要有足夠的強度和韌性。

因小齒輪受載次數多，故應比大齒輪硬度高些。一般差值為30~50HBW。

齒輪絕大多數是鋼質，某些開式傳動的低速齒輪可用鑄鐵，特殊情況下還可用非鐵金屬和工程塑料。（1）鋼質

重要齒輪都采用鍛造毛坯。

4．選材及熱處理輕載、低(中)速、沖擊力小、精度較低的一般齒輪中碳鋼,正火或調質,軟齒面,160～200HBW中載、中速、一定沖擊載荷、運動較平穩齒輪中碳鋼（合金鋼）,表面淬火及低溫回火，硬齒面，50～55HRC

齒面硬度≤350HBW：軟齒面齒輪齒面硬度＞350HBW：硬齒面齒輪

（2）非鐵金屬材料齒輪

儀表或接觸腐蝕性介質的輕載齒輪，有黃銅、青銅、硬鋁和超硬鋁。（3）工程塑料齒輪

儀表、小型機械的輕載、無潤滑小齒輪。有尼龍、夾布壓層熱固性樹脂等。具有密度小、摩擦系數小、減震、工作噪聲小等優點；但強度低，工作溫度不高。重載、中（高）速，較大沖擊齒輪低碳合金滲碳鋼或碳氮共滲鋼，滲碳+淬火+低溫回火，58～63HRC齒輪零件的熱處理作用汽車齒輪：下料→鍛造→正火→粗、半精切削加工→滲碳+淬火+低溫回火→噴丸→精磨→檢驗。正火消除毛坯鍛造應力，均勻組織，細化晶粒，為最終熱處理作好組織準備；獲得良好切削性能。滲碳提高表面碳含量，淬火后獲得表面高硬度、高耐磨性的高碳馬氏體。淬火表面獲得高碳馬氏體組織，具有高硬度；同時使心部獲得獲得低碳馬氏體組織，具有足夠的強度和韌性。

噴丸清除表面氧化皮，并產生加工硬化作用、齒面形成壓應力，提高其疲勞強度。

裝配、支承回轉零件，并傳遞運動和扭矩的作用。1.工作條件

轉軸：承受彎曲和扭轉應力

心軸:只承受彎曲應力

傳動軸:主要承受扭轉切應力

作回轉運動的軸都在交變應力狀態下工作。軸在配合部位有摩擦磨損，還會受到一定程度的過載和沖擊。2.主要失效形式（1）斷裂，大多是疲勞斷裂；（2）軸相對運動表面的過度磨損；（3）發生過量扭轉或彎曲變形；（4）有時還可能發生腐蝕失效。10.3.2軸類零件（1）具有高強度、良好韌性，即良好綜合力學性能；（2）具有較高的疲勞強度；（3）軸頸、花鍵等摩擦部位：高的硬度和耐磨性。4.選材及熱處理

多用碳素或合金的結構鋼，鍛件或軋制型材為毛坯。（1）輕載、低速、不重要軸：Q235、Q275等碳素結構鋼，通常不熱處理；（2）中等載荷、精度一般：優質碳素結構鋼，正火或調質。軸頸等處表面淬火和低溫回火。（3）受較大載荷、精度高、低溫等惡劣條件：如20Cr、40Cr等合金鋼。調質+表面淬火；滲碳+淬火+低溫回火、滲氮等熱處理。3.使用性能要求（1）正火為了均勻化微觀組織、細化晶粒，為后續熱處理作組織準備；可消除鍛造應力，調整材料硬度，改善切削加工性能。（2）調質處理可獲得回火索氏體組織，使材料獲得較好的綜合力學性能，為后續的表面淬火作組織準備。（3）淬火及回火軸上錐體和花鍵等局部進行淬火、回火，獲得高硬度、高耐磨性及高疲勞強度，再經低溫回火消除應力，可防止磨削時產生裂紋。

軸類零件的熱處理作用

機床主軸：下料→鍛造→正火→粗切削加工→調質→半精切削加工→局部表面淬火+低溫回火→粗磨→精磨。1.工作條件

外形、內腔結構較復雜，重量從幾千克至數十噸，一般承受靜力，對其他零部件起支撐或保護作用。2.性能要求與選材受力不大，良好剛度和密封性→鑄鐵件受力復雜或受力較大→鑄鋼件受力不大，要求自重輕或要求導熱性良好→鑄鋁合金受力很小，要求自重輕→工程塑料件。單件或工期緊→焊接件受力較大、形狀簡單、尺寸較大→焊接件10.3.3箱體類零件鑄鋼件：消除粗晶粒、偏析、應力，完全退火或正火鑄鐵件：去應力退火或時效處理鋁合金件：退火或淬火+時效處理4.典型零件的選材示例工藝路線為：鑄造毛坯→去應力退火→劃線→切削加工3.熱處理中等尺寸減速器箱體

形狀復雜，要求較好的剛度、減震性和密封性。

軸承孔承受載荷較大：HT250，砂型鑄造模具材料性能要求：（1）耐磨性

坯料與型腔表面存在劇烈摩擦，耐磨性是模具最重要的性能之一。硬度越高，耐磨性也越好。耐磨性與材料中碳化物的種類、數量、形態、大小及分布有關。（2）強韌性

承受一定沖擊載荷，應具有較高強度和一定韌性。韌性主要取決于材料的含碳量、晶粒度及組織狀態。（3）抗疲勞斷裂

循環應力導致疲勞斷裂。有小能量多次沖擊、拉伸、接觸、彎曲等疲勞斷裂。主要取決于材料強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。10.3.4模具類零件（4）高溫性能

模具工作溫度較高時，硬度和強度下降，致磨損或塑性變形。應具有較高耐回火穩定性。（5）耐冷熱疲勞性能

反復加熱和冷卻會引起熱疲勞，導致模腔表面龜裂、剝落，降低尺寸精度。是熱作模具主要失效形式。（6）耐蝕性

如塑料含氯、氟等，受熱分解析出HCl、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模腔，加大表面粗糙度和磨損。

模具材料還應有良好可鍛性、淬硬性、淬透性、切削加工性，

低的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。冷作模具主要性能要求：

高耐磨性、抗疲勞能力，足夠的強度和韌性，良好的抗擦傷和抗咬合性能、良好的加工工藝性能。

九十年代以前，國內常用冷作模具鋼有：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼

、軸承鋼、彈簧鋼、滲碳鋼、不銹鋼等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn、W18Cr4V、3Crl3等。1.冷作模具選材

該類鋼在淬透性、熱處理變形量、強韌性配合等方面均有改善，適用于制造高精度復雜模具。7CrSiMnMoV（CH）：空淬微變形鋼。耐磨性比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗彎強度、抗壓強度和沖擊韌性都優于Cr12MoV和9Mn2V。常用于強韌性要求較高的冷作模具，如沖孔凸模、中薄鋼板（2~5mm厚）修邊落料模等。也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽車模具。6CrMnNiMoVSi：Ni進一步強韌化了基體。淬透性好，也可火焰加熱空冷淬火，具有良好的強韌性。當用于制造易崩及斷裂的冷沖模具時，模具壽命較高。新型冷作模具鋼高強韌耐磨鋼常用的Cr12系列冷作模具鋼具有良好的淬透性、耐磨性，但共晶碳化物偏析較嚴重，韌性較差，淬火后變形較大。為此，開發了高強韌耐磨鋼，如：

此類鋼碳、鉻含量較低，改善了碳化物不均勻性，提高了韌性；增加了W、Mo、V含量，增強了二次硬化能力，提高了耐磨性。主要用于制造承受應力較大、要求高強韌性和耐磨損的各類冷作模具。

7Cr7Mo2V2Si（代號LD）Cr8WmoV3Si（代號ER5）9Cr6W3Mo2V2（代號GM）Cr8MoV2Ti80Cr7Mo3W2V

熱作模具：高溫狀態下進行壓力加工的模具。工作條件較為惡劣，應具有一定的高溫強度，具有韌性、硬度、抗疲勞性等綜合性能，具有一定的抗氧化性。

主要分為：低合金、中合金鉻系及高合金鎢鉬系。（1）低合金熱作模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo20世紀80年代以前常用，低耐熱高韌性鋼。因淬透性不能滿足大截面錘鍛模要求，使用溫度不能超過500℃。目前正逐步被淘汰，僅在普通熱鍛模中選用。4Cr3Mo2V1含有較少量鉻（2.5%）的4Cr3Mo2V1鋼比H13鋼具有更高的熱強性，特別適用于制作既要耐高溫，又需高韌性、