7第七章汽车零件的选材

几种常用工作零件、失效形式及所要求 的主要力学性能
工作条件 零件 应力 种类 拉、剪 弯、扭 载荷 性质 静载 循环 冲击 循环 冲击 交变 冲击 受载 状态 -轴颈 摩擦 摩擦 振动 振动 常见失效形式 性能要求
螺栓 传动轴
过量变形，断裂 疲劳断裂，过量变 形，轴颈磨损 断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲 劳 弹性失稳， 疲劳破坏

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件失效形式

2 断裂失效 机械零件因断裂（特别是突然断裂）而产 生的失效称为断裂失效。
断裂失效的形式有多种，常见的主要有韧性断裂、 脆性断裂、疲劳断裂及蠕变失效断裂等 从断口可分析断裂失效的种类，是分析的核心， 同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分 析少走弯路。
韧性断裂的特征

宏观特征：宏 观变形方式为 颈缩，典型断 口为杯锥状断 口，底部成纤 维状剪切断口， 其平面和拉伸 轴大致成45 角。
零件失效形式——过量变形失效


弹性变形失效——材料刚度不足，受力过程 中产生过量弹性变形或弹性失稳。 影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、 尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、 载荷的大小。
零件失效形式——过量变形失效

塑性畸变失效——是外加应力超过零件材料 的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变 形 )。
重要金属的世界储量
储量（106t） Fe Al Cu Zn 1×106 1170 308 123 可用年数 109 35 24 18 再生率(%) 31.7 16.9 40.9 21.2
Mo
Ag Cr
5.4
0.2 775
36
14 112 41.0
Ti
147
51
小 结
正确选材是机械设计的一项重要任务，它必 须使: （1）选用的材料保证零件在使用过程中具有 良好的工作能力， （2）保证零件便于加工制造， （3）同时保证零件的总成本尽可能低
引起零件塑性畸变的因素，除在弹性畸变中 所讨论的有关影响因素外，常见的还有材质 缺陷、使用不当、设计有误等，特别是热处 理不良。实际上往往是多种因素的综合结果。

零件失效形式——过量变形失效

翘曲畸变失效——是一种大小与方向上常 产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的 外形，从而导致严重的翘曲畸变失效。 翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力 截面、材料组成等所引起的不均匀性的组 合，其中以温度变化，特别是高温所导致 的形状翘曲最为严重。
三、 经济性原则
1.材料的价格

零件材料的价格无疑应该尽量低。 材料的价格在产品的总成本中占有较大的 比重，据有关资料统计，在许多工业部门 中可占产品价格的30%～70%，因此设计人 员要十分关心材料的市场价格。
三、 经济性原则
2.零件的总成本


零件选用的材料必须保证其生产和使用的总 成本最低。 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费 用、研究费用、维修费用和材料价格有关。
①摩擦副材质



摩擦副的互溶性。相同金属、晶格类型、原子间 距、电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性 大，易于粘着而导致粘着磨损失效。金属与非金 属（如塑料、石墨等），互溶性小，粘着倾向小。 摩擦副的表面强化处理情况。 材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻 造夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将 使各种磨损加剧。
三、 经济性原则
3.国家的资源等因素


随着工业的发展，资源和能源的问题日渐 突出，选用材料时必须对此有所考虑，特 别是对于大批量生产的零件，所用材料应 该来源丰富并顾及我国资源状况。 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗， 尽量选用耗能低的材料。
4、环境与资源原则
—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程 １)减少材料使 用量、延长零件 寿命、材料再利 用。 ２)环境污染小 废气排放少 材料回收及降解
疲劳断裂失效
蠕变断裂失效 介质加速断裂失效 磨损失效 表面疲劳失效 腐蚀失效
疲劳
蠕变断裂 应力腐蚀 磨粒磨损、粘着磨损等 疲劳 氧化、电化学反应
表面损伤失效
导致零件失效的主要原因
设计不合理
材料不合理
加工工艺不当
安装使用不正确
零件失效形式

1 过量变形失效
过量变形失效是指在某种程度上减弱了零件规定 功能的变形。从变形的形貌上看，变形有两种基本类 型：尺寸或体积变化（长大或缩小）和形状变化（如 弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向 拉、压变形，轴的弯曲、壳体的翘曲变形等。 变形后：不能承受所规定载荷，不能起到规定的作 用，与其他零件的运转发生干扰。
通过对零件工作条件和失效形式的全面分 析，确定零件对使用性能的要求；利用使 用性能与实验室性能的相应关系，将使用 性能具体转化为实验室机械性能指标；根 据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受 的载荷，计算出零件中的应力分布；由工 作应力、使用寿命或安全性与实验室性能 指标的关系，确定对实验室性能指标要求 的具体数值；利用手册根据使用性能选材。
塑性材料拉伸后的实物
脆性断裂的特征


脆断时承受的工作应力较低，通常不超过 材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用 应力，所以又称为低应力脆断。 脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹 （如肉眼可见的0.1mm～1mm）作为源开 始的。这种宏观裂纹可以是在生产工艺过 程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀 而产生。
强度，塑性 综合力学性能 表面高硬度及疲劳极 限，心部强度及韧性 弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
传动齿轮
压、弯
弹簧
扭、弯
注意事项
由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地 同手册、书本中所给出的完全等同相待，还 必须注意以下情况： 材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、 处理后的状态有关。 材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关， 必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别， 进行适当的修正。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身 都有一定波动范围。

1.零件使用时的工作条件
（1）受力状况，主要是载荷的类型(例如动载、 静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的 形式；载荷的特点等。 （2）环境状况，主要是温度特性、介质情况 等。 （3）特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、 比重、外观等的要求。
一、使用性能原则
2.零件根据使用性能选材的步骤

工艺性能
高分子材料的切削加工性能较好，与 金属基本相同。不过它的导热性差， 在切削过程中不易散热，易使工件温 度急剧升高，使其变焦（热固性塑料） 或变软（热塑性塑料）

高分子材料的工艺路线
工艺性能
陶瓷材料成形后，除了可以用碳
化硅或金刚石砂磨加工外，几乎 不能进行任何其它加工。

陶瓷材料的加工工艺路线

如汽车的齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚 动体与座圈等都容易产生表面疲劳磨损。
磨损失效形式——冲刷磨损、腐 蚀磨损

冲刷磨损是由于含固态粒子的流体（常为液 体）冲刷造成表面材料损失的磨损。 腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围 介质发生化学或电化学反应，产生表层金属 的损失或迁移现象。

影响磨损失效的基本因素
腐蚀失效
（3）晶间腐蚀 腐蚀发生于晶粒边界或 其近旁。其主要原因是 晶界处化学成分不均匀。
第二节 零件选材的原则及方法
选材通常遵循三大原则：

（1）使用性能原则： 用所选材料制造的零件在使
用过程中具有良好的工作性 能。

（2）工艺性能原则： 所选材料能够确保零件便于
加工。

（3）经济性原则：

选材原则

材料的使用性能应满足使用要求。对大量 机器零件和工程构件，则主要是机械性能。 对一些特殊条件下工作的零件，则必须根 据要求考虑到材料的物理、化学性能（使 用性能原则）。材料的工艺性能应满足生 产工艺的要求（工艺性能原则）。必须考 虑材料的经济性。采用便宜的材料，把总 成本降至最低，取得最大的经济效益，使 产品在市场上具有最强的竞争力（经济性 原则）。
第七章
汽车零件的选材
第一节

零件的失效分析
一、失效的概念 失效 主要指某零件由于某种原因，导致 其尺寸、形状、或材料的组织与性能的 变化而丧失原设计所规定的功能。 包括
完全破坏 严重损坏 未达功能要求（安全工作）
失效会导致严重事故
零件已完全破 坏，不能继续 工作

曲轴断裂
失效会导致严重事故
零件已 受到严 重损伤， 已不能 安全工 作
（1）均匀腐蚀

腐蚀均匀性的前提是： 被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微 组织 腐蚀环境包围的金属表面是均匀而且不受限制 与障碍的
腐蚀失效
（2）点腐蚀 腐蚀集中于局部，呈尖锐小 孔，进而向深度扩成孔穴甚至 穿透(孔蚀)。金属表面受破坏 处和未受破坏处形成“局部电 池”，其中受破坏处是阳极， 未受破坏处是阴极，腐蚀电流 由阳极流向周围的阴极，阳极 处很快被腐蚀成小孔。
脆性断裂实物
零件失效形式

3 磨损失效
相互接触的一对金属表面，相对运动时金 属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金 属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。
磨损失效形式——粘着磨损

两个金属表面的微凸部分在 局部高压下产生局部粘结(固 相粘着)，使材料从一个表面 转移到另一表面或撕下作为 磨料留在两个表面之间，这 一现象称为粘着磨损。
二、工艺性能原则

材料的工艺性能应满足生产工艺的要 求，这是选材必须考虑的问题。
工艺性能

金属材料的加工工艺路线
金属材料的工艺性能
（1）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。 （2）性能要求较高的金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热 处理（淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等）精加工 零件 （3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热 处理（淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳）半精加 工稳定化处理或氮化精加工稳定化处理零件。 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高 的尺寸精度和表面光洁度。