8.4
第8章 材料的选用
零件的失效分析
一个机械零件无论质量多高，都不可能无限期使用，总有一天会因各种原因 而失效报废。到达或超过正常设计寿命的失效是不可避免的，但也有许多零件， 其运行寿命远远低于设计寿命而发生早期失效，给生产造成很大影响，甚至酿成 重大安全事故。因此，必须给予足够的重视。在零件选材初始，就必须对零件在 使用中可能产生的失效方式、原因及对策进行分析，为选材及后续加工的控制提 供参考依据。
2. 零件失效原因 引起零件失效的因素很多且较为复杂，它涉及零件的结构设计、材料选择、 材料的加工、产品的装配及使用保养等方面，通常与下列因素有关。 (1) 设计不合理。设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理， 即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆 角等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不 足，因而设计的零件的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过 选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时， 更是如此。
8.8
第8章 材料的选用
零件的失效分析
(2) 选材不合理。选材不当是材料方面导致失效的主要原因。问题出在材料 上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计中对零件失效的形式判断错误， 使所选材料的性能不能满足工作条件的要求，或者选材时所根据的性能指标不能 反映材料对实际失效形式的抗力，从而错误地选择了材料。另外，所用材料的冶 金质量太差，如含有过量的夹杂物、杂质元素及成分不合格等，这些都容易使零 件造成失效。
8.5
第8章 材料的选用
零件的失效分析
一般机械零件在下列3种情况中的任何一种可认为已失效：零件完全不能工 作；零件虽能工作，但已不能完成设计功能；零件已有严重损伤，不能再继续安 全使用。由此可见，零件失效不等于零件坏了。
零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效，属于正常失效；在低于设 计预期寿命时发生的失效，属于非正常失效。另外，有突发性失效，例如，化肥 厂爆炸、图2.10所示的油轮断裂、图8.1所示飞机的损坏等。
第8章 材料的选用
零件的失效分析
同一零件可能有几种失效形式，例如，轴类零件，其轴颈处因摩擦而发生磨 损失效，在应力集中处则发生疲劳断裂，两种失效形式同时起作用。但一般情况 下，总是由一种形式起主导作用，很少同时以两种形式使零件失效。另外，各类 基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳断裂，蠕 变疲劳，腐蚀磨损等。但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种 方式是辅助的。
一、失效的概念
失效是指零件在使用中，由于形状或尺寸的改变或内部组织及性能的变化而 失去原有设计的效能。零件在工作时，由于承受各种载荷，或者由于运动表面间 长时间地相互摩擦等原因，零件的尺寸、形状及表面质量会随着时间延长而改变。 如果零件尺寸由于磨损超过了零件设计时的尺寸公差范围，表面由于磨损或外界 介质的侵蚀等造成表面质量下降，这些都是零件失效。
图8.1 737喷气式飞机座舱突然破裂
8.6
(事故原因与铝合金座舱罩在含盐大气环境中大面积的腐蚀有关)
第8章 材料的选用
零件的失效分析
二、零件失效类型及原因
1. 零件失效类型 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。机械零件常见的失效形式可归纳为以下几种类型。 (1) 断裂失效。断裂是零件最严重的失效形式，它是因零件承载过大或因疲 劳损伤等发生破断。例如，钢丝绳在吊运中的断裂及在交变载荷下工作的轴、齿 轮、弹簧等的断裂。断裂方式有塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力脆性断 裂等。 (2) 过量变形失效。过量变形失效是指零件变形量超过允许范围而造成的失 效。它主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。例如，高温下工作时，螺 栓发生松脱，就是过量弹性变形转化为塑性变形而造成的失效。 (3) 表面损伤失效。表面损伤失效是指零件的表面及附近材料造成尺寸变化 和表面破坏的失效现象。它主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效。 例如，齿轮经长期工作轮齿表面被磨损，而使精度降低的现象，即属表面损伤失 8.7 效。
8.3
第8章 材料的选用
教学要求： 一、学习要求 了解机械零件常见的失效形式及原因，初步掌握常规零件的选材基本原 则、分析方法和步骤，具备根据零件工作条件和失效方式合理地选择与使用 材料的初步能力。 二、本章应注意以下内容 1. 熟悉选材的三项基本原则(使用性原则、工艺性原则、经济性原则)及 它们之间的关系，根据零件的工作条件和失效形式，对材料的性能正确地提 出要求，合理地选择和使用材料。 2. 常用金属材料的应用情况。 3. 典型零件(轴类)的选材分析方法，同时也应了解机器零件的设计不单 是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。 4. 典型零件的热处理工艺和加工工艺路线。
(3) 加工工艺不当。零件或毛坯在加工和成形过程中，由于工艺方法、工艺 参数不正确等，常会出现某些缺陷，导致失效。如热加工中产生的过热、过烧和 带状组织等；冷加工不良时粗糙度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理 中产生的脱碳、变形及开 裂等。
(4) 安装使用不正确。机器在装配和安装过程中，不符合技术要求，如安装 时配合过松、过紧，对中不准，固定不稳等，都可能使零件不能正常工作，或工 作不安全；使用中不按工艺规程操作和维修，保养不善或过载使用等，均会造成 早期失效。
第8章 材料的选用
第8章 材料的选用
8.1
第8章
材料的选用
本章内容
•零件的失效分析 •材料选用的原则与方法 •常用材料的性能比较 •典型零件的选材 •常用机械用材 •习题
பைடு நூலகம்8.2
第8章 材料的选用
教学提示： 一、学习方法 本章实际上是前几章知识的综合应用，学习时应熟悉已学过的知识，注 重所学知识的灵活运用。 二、重点和难点 本章的关键在掌握前几章知识的基础上，进一步了解常规零件的工作条 件、主要损坏形式及主要力学性能指标，重点是常规零件的选材分析方法和 步骤。 在机械制造中，为生产出质量高、成本低的机械或零件，必须从结构设 计、材料选择、毛坯制造及切削加工等方面进行全面考虑，才能达到预期的 效果。合理选材是其中的一个重要因素。