機械零件是指組成機器的不可拆分的基本單元，如螺栓、螺釘、鍵、帶、齒輪、軸、彈簧、銷等。

機械零件分為通用零件和專用零件。

通用零件是指能在各種機器中廣泛使用的零件，專用零件是指只能在某一類特定的機器中使用的零件。

一、機械零件常用材料

機械零件的材料有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。

金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料包括各種鋼、鑄鋼和鑄鐵，具有較好的力學(xué)性能(如強度、塑性、韌性等)，價格相對便宜且容易獲得，而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類黑色金屬中，由于合金鋼的性能優(yōu)良，因而常常用來制造重要的零件。有色金屬材料包括銅合金、鋁合金、軸承合金等，具有密度小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好等優(yōu)點，通常還可用于有減摩、耐磨及耐腐蝕要求的場合。

非金屬材料指塑料、橡膠、合成纖維等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有許多優(yōu)點，如原料豐富、密度小，在適當?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有很好的彈性，耐腐蝕性好等。其主要缺點是容易老化，其中不少材料阻燃性差，總體上講，耐熱性不好。陶瓷材料的主要特點是硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點高、剛度大以及密度比鋼鐵小等。目前，陶瓷材料已應(yīng)用于密封件、滾動軸承和切削刀具等結(jié)構(gòu)中。其主要缺點是比較脆，斷裂韌度低，價格昂貴，加工工藝性差等。

復(fù)合材料是指用兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料經(jīng)復(fù)合工藝處理而得到所需性能的一種新型材料。例如用玻璃、石墨(碳)、硼、塑料等非金屬材料可以復(fù)合成各種纖維增強復(fù)合材料。在普通碳素鋼板表面貼附塑料，可以獲得強度高而又耐腐蝕的塑料復(fù)合鋼板，主要優(yōu)點是有較高的強度和彈性模量，而質(zhì)量又特別小，但也有耐熱性差、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較差的缺點。此外，復(fù)合材料的價格比較貴。所以目前復(fù)合材料主要用于航空、航天等高科技領(lǐng)域，在民用產(chǎn)品中，復(fù)合材料也有一些應(yīng)用。

二、機械零件材料選擇原則

從各種各樣的材料中選擇出適用的材料，是一項受多方面因素所制約的工作。在以后的有關(guān)章節(jié)中，將分別介紹各種零件適用的材料和牌號。下面就金屬材料(主要是鋼鐵)的一般選用原則作一簡介。

選擇機械零件材料的原則是：所需材料應(yīng)滿足零件的使用要求，有良好的工藝性和經(jīng)濟性等。

1．使用要求

機械零件的使用要求表現(xiàn)為以下幾點：

(1)零件的工作狀況和受載情況，以及為避免相應(yīng)的失效形式而提出的要求工作狀況是指零件所處的環(huán)境特點、工作溫度、摩擦和磨損的程度等。在濕熱環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中工作的零件，其材料應(yīng)有良好的緩蝕和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼、銅合金等。工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力或者使配合松動；另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。在滑動摩擦下工作的零件，要提高其表面硬度，以增強耐磨性，應(yīng)選擇適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。

受載情況是指載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì)。脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件；在多少有些沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料；對于表面受較大接觸應(yīng)力的零件，應(yīng)選擇可以進行表面處理的材料，如表面硬化鋼；對于受變應(yīng)力的零件，應(yīng)選擇耐疲勞的材料；對于受沖擊載荷的零件，應(yīng)選擇沖擊韌度較高的材料；對于尺寸取決于強度，且尺寸和質(zhì)量又受限的零件，應(yīng)選擇強度較高的材料；對于尺寸取決于剛度的零件，應(yīng)選用彈性模量較大的材料。

金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來發(fā)揮材料的潛力。對于最常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯?；鼗饻囟仍礁?，材料的硬度和強度將越低，而塑性越好。所以在選擇材料的品種時。應(yīng)同時規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖樣上加以注明。

(2)對零件尺寸和質(zhì)量的限制零件尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時，則需注意鍛壓機械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強重比有關(guān)，應(yīng)盡可能選用強重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。

(3)零件在整機或部件中的重要程度。

2．工藝要求

要考慮所用的材料從毛坯到成品都能方便地制造出來。例如，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造，可以采用鑄造或焊接，其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。

根據(jù)所選的工藝，要考慮材料對該工藝的加工可能性。對于鑄造，要考慮材料的液態(tài)流動性、產(chǎn)生縮孔和偏析的可能性等；對于焊接，要考慮材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向等；對于鍛造，要考慮材料的延伸性、熱脆性和變形能力等；對于需要熱處理的零件，要考慮材料的淬透性、淬火變形的傾向性等；對于需經(jīng)切削加工的零件，要考慮材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削后能達到的表面粗糙度等。

3．經(jīng)濟要求

(1)材料本身的相對價格在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量選用價格低廉的材料。這一點對于大批量制造的零件尤其重要。

(2)材料的加工費用當零件質(zhì)量不大而加工量很大時，加工費用在零件總成本中要占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板價廉，但對于某些單件或小批量生產(chǎn)的箱體類零件來說，采用鑄鐵反而比采用鋼板焊接的成本更高，因為后者可以省掉模具的制造費用。

(3)材料的利用率采用無屑或少切屑加工，如模鍛、精鑄、沖壓等，可以提高材料的利用率。

(4)局部品質(zhì)原則在很多情況下，零件在其不同的部位上對材料有不同的要求。要想選用一種材料滿足不同的要求，事實上是不可能的，即使可能，價格也非常昂貴。這時，可根據(jù)局部品質(zhì)原則，在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。例如蝸輪的輪齒必須具有優(yōu)良的耐磨性和較高的抗膠合能力，其他部分只需具有一般的強度即可，故在鑄鐵輪芯外套用青銅齒圈，以滿足這些要求。又如滑動軸承只在其和軸頸接觸的表面處要求有減摩性，所以只需用減摩材料制成軸瓦，而不必把整個軸承都用減摩材料制造。

局部品質(zhì)也可以用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面輾壓等方法獲得。

(5)材料代用以節(jié)約貴重、稀有材料由于供應(yīng)上的原因或經(jīng)濟性的要求，可以對所選材料用其他材料代用。例如，當強度為主要要求時，可選用強度較高而價格較貴的材料，也可用強度較差而價廉的材料代替，而將結(jié)構(gòu)尺寸適當加大；當耐磨或耐腐蝕為主要要求時，可以不選用耐磨性或防腐性好的材料而選用較差的材料進行各種表面硬化處理或防腐處理；對于稀有材料，也可以用普通材料代替，例如用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦。

(6)材料供應(yīng)情況從簡化材料品種的供應(yīng)和儲存出發(fā)，對于小批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)盡可能減少同一臺機器上使用材料的品種和規(guī)格。

機械零件的失效是指零件在使用過程中，零件部分或完全喪失了設(shè)計功能。零件完全被破壞不能繼續(xù)工作；或零件已嚴重損壞，若繼續(xù)工作將失去安全；或雖能安全工作，但已失去設(shè)計精度等現(xiàn)象都屬于失效。

為了預(yù)防零件失效，需對零件進行失效分析，即通過判斷零件失效形式、確定零件失效機理和原因，有針對性地進行選材、確定合理的加工路線，提出預(yù)防失效的措施。

1．機械零件失效形式

機械零件常見的失效方式可以分為三種類型：過量變形失效、斷裂失效和表面損傷失效。

(1)過量變形失效：零件因變形量過大超過允許范圍而造成的失效。它主要包括過量彈性變形、塑性變形和高溫下發(fā)生的蠕變等失效形式。

(2)斷裂失效：因零件承載過大或疲勞損傷等原因而導(dǎo)致分離為互不相連的兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象。斷裂是最嚴重的失效形式，它包括韌性斷裂失效、低溫脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效和環(huán)境破斷失效等幾種形式。

(3)表面損傷失效：零件工作時由于表面的相對摩擦或受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕在零件表面造成損傷或尺寸變化而引起的失效。它主要包括表面磨損失效、腐蝕失效、表面疲勞失效等形式。

需要指出，同一種機械零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用。但是，一般造成零件失效時總是一種方式起主導(dǎo)作用。失效分析的核心問題就是要找出主要的失效方式。

2．機械零件失效的原因

引起機械零件失效的因素很多且較為復(fù)雜，涉及零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、材料的加工制造、產(chǎn)品的裝配及使用保養(yǎng)等多個方面。

(1)設(shè)計不合理：主要是指零件結(jié)構(gòu)和形狀不正確或不合理，如零件存在缺口、小圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過渡區(qū)等。另一方面是指對零件的工作條件、過載情況估計不足，造成零件實際工作能力不足，致使零件早期失效。

(2)選材不合理：設(shè)計中對零件失效的形式判斷錯誤，所選的材料性能不能滿足工作條件需要；選材所依據(jù)的性能指標不能反映材料對實際失效形式的抗力，選擇了錯誤的材料；所選用的材料質(zhì)量太差，成分或性能不合格導(dǎo)致不能滿足設(shè)計要求等都屬于選材不合理。

(3)加工工藝不合理：零件的加工工藝不當，可能會產(chǎn)生各種缺陷，導(dǎo)致零件在使用過程中較早地失效。如熱加工過程中出現(xiàn)過熱、過燒和帶狀組織；熱處理過程中出現(xiàn)脫碳、變形、開裂；冷加工過程出現(xiàn)較深的刀痕、磨削裂紋等。

(4)安裝使用不當：裝配和安裝過程不符合技術(shù)要求，如安裝時配合過緊、過松，對中不準，固定不穩(wěn)等都可能導(dǎo)致零件不能正常工作或過早出現(xiàn)失效；此外，使用過程中違章操作、超載、超速、不按時維修和保養(yǎng)等也會造成零件過早出現(xiàn)失效。