金属材料与热处理配套课件第11章

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1、第十一章 机械零件的选材与工艺分析,第十一章 机械零件的选材与工艺分析,机械产品的性能和使用寿命取决于基础零件的综合性能，正确地选择机械零件材料和成形工艺方法，对于保证零件的使用性能要求，降低成本、提高生产率和经济效益，有着重要的意义。本章主要介绍机械零件的失效分析、选材的基本原则、根据机械零件的工作条件，选择合理的材料，并制定其热处理工艺等方面的知识。,第十一章机械零件的选材与工艺分析,第一节 零件失效的形式,(1)断裂 机械零件在静应力作用下，由于某个危险剖面上的应力超过机械零件材料的强度极限时而发生机械零件的断裂，如螺栓被拧断，铸铁零件在冲击载荷作用下的断裂；机械零件在变应力作用下，机械

2、零件表面应力最大处的应力超过某极限时，产生微裂纹，在变应力作用下，裂纹不断扩展，一旦静强度不够时，机械零件将发生疲劳断裂，如轴的疲劳断裂。上述两种疲劳是有本质上的不同，疲劳断裂时机械零件所受应力值远远低于材料的抗拉强度极限，甚至远低于材料的屈服极限，材料在疲劳断裂前没有明显的塑性变形，应力集中、机械零件的表面状态和尺寸大小对机械零件的极限应力有很大影响。,第一节 零件失效的形式,(2)塑性变形 零件受载荷作用后发生弹性变形，过度的弹性变形会使零件的机械精度降低，造成较大的振动，引起零件的失效；当作用在零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件会产生塑性变形，甚至发生断裂。在高温、载荷的长期作用下，

3、零件会发生蠕变变形，造成零件的变形失效。在设计机械零件时，一般不允许发生塑性变形。机械零件发生塑性变形后，其形状和尺寸产生永久的变化，破坏零件间的尺寸配合关系或啮合关系，产生振动、噪音、承载能力下降，严重时，机械零件甚至机器不能正常工作。例如，齿轮的轮齿发生塑性变形，不能满足正确啮合条件和定传动比传动，在运转时将产生剧烈的振动和噪音；弹簧发生塑性变形后，直接导致丧失其功能。,第一节 零件失效的形式,(3)表面损伤失效。 零件在长期工作中，由于磨损、腐蚀、磨蚀、接触疲劳等原因，造成零件尺寸变化超过了允许值而失效，或者由于腐蚀、冲刷、气蚀等而使零件表面损伤失效。如齿轮表面由于接触疲劳产生麻点剥落而

4、失效等。,(4)材质变化失效 由于冶金元素、化学作用、辐射效应、高温长时间作用等引起零件的材质变化，使材料性能降低而发生失效。,第一节 零件失效的形式,(5) 破坏正常工作条件而引起的失效 有些零件只有在一定条件下才能正常工作，如带传动，只有当传递的有效圆周力小于临界摩擦力时，才能正常工作；液体摩擦的滑动轴承只有存在完整的润滑油膜时，才能正常工作。如果这些条件被破坏，将会发生失效。一批零件在使用中，一部分可能在短时间内就发生失效，而另一部分可能经过很长时间后才失效；特别是在超过使用寿命期后，失效将加速发生。,第一节 零件失效的形式,在实际的设计时，为提高零件和机器的使用寿命，除在选材时提高金属

5、零件的疲劳抗力来防止零件发生疲劳断裂，工程上常采用以下几种办法来提高零件的疲劳抗力。 (1) 降低作用于零件危险部位上的实际应力 (2) 采用滚压或喷丸使表面强化 (3) 表面进行热处理 (4) 细化晶粒 (5) 其他因素,第二节 零件材料的选择原则,机械零件所使用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用得最多和最广。随着科学技术的发展和人类需求的日益扩大，传统的材料以不能满足人类的需要，越来越多的新功能材料，如纳米材料等，在机械中的应用也逐渐增多。但是在选择材料时，选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当

6、，严重的可能导致零件的完全失效。判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。,第二节 零件材料的选择原则,在零件材料选择时一般采用以下原则： (1)材料的最终性能应满足零件的技术要求 材料使用性是指机械零件或构件在正常工作情况下材料应具备的性能。满足零件的使用要求是保证零件完成规定功能的必要条件，是材料选择应主要考虑的问题。零件的使用要求除对其形状、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部质量进行严格的规定以外，还要对其化学成分、组织结构、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量有明确的要求。例如，在调质工件的技术

7、要求上要明确工件的材料及调质的硬度值范围。,第二节 零件材料的选择原则,在零件材料选择时一般采用以下原则： (2)材料工艺性材料 工艺性是指材料适应某种加工的性能。材料的加工工艺性能主要有：热处理工艺性、铸造工艺性、锻造工艺性、焊接工艺性、切削加工工艺性和装配工艺性等。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。 材料工艺性包括： 铸造性能 压力加工性能 切削加工性能 可焊性 热处理,第二节 零件材料的选择原则,在零件材料选择时一般采用以下原则： (3)材料的经济性能 经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，

8、而是指运用价值分析的方法，在保证零件的主要性能指标的前提下，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。,第三节 典型零件的选材及应用实例,一、零件的选材步骤 分析零件的工作条件及失效形式，提出关键的性能要求； 分析零件的工作条件是选材的前提，在机械产品设计的过程中要对核心和重要的工作部件的受力状况进行分析计算，通过计算能得到工件在静态力下的值，进而核算出载荷作用的应力形式，通过对工件的分析并结合工程技术人员的经验判断或用先进的分析软件预估零件的失效形式，全方面地对

9、工件进行校核，得到关键的性能参数要求，例如材料的硬度、抗拉强度、韧性等指标要求。另一种选材是材料改进，即一个设备的关键部件经常的更换。此时的选材步骤是对工件的失效形式进行分析，通过分析试图找出使工件失效的真正原因，通过分析失效的工件的形式、部位、其他配合件的工作状况和材质和技术性能指标等第一手资料，分析原因，提出材料的性能指标要求。,第三节 典型零件的选材及应用实例,一、零件的选材步骤 确定主要性能指标：力学性能、化学性能和物理性能指标； 在提出的性能指标后，要进行的下一步是根据要求选择综合机械性能的材料。在这个阶段不是满足主要技术指标，而是全面地分析和计算工件的各项指标，在此基础之上提出材料

10、技术性能参数的范围。 初选定材料牌号，并确定相应的热处理和其他强化方法； 在技术指标确定的材料范围内，初步选择一种材料，并根据材料的材质按给定的性能指标，如强度、抗拉强度、硬度来制定工件的热处理方法和内部或表面的强化方法。,第三节 典型零件的选材及应用实例,一、零件的选材步骤 加工性能审定，弄清楚材料的热加工性能（可锻性、铸造性能和可焊性）和冷加工性能，并确定相应工艺结构和零件外形； 根据初选材料和已经拟定好的热加工工艺路线，制定工件的其他加工性能如切削加工方法、锻造方法、铸造合金及铸造结构性分析等。 经济合理性审定，包括材料费、试验费用、加工费用和使用寿命； 在确定了不同材料的加工方案后，对

11、不同的工艺路线的经济性进行审核，力求在满足条件的基础上，较为经济地得到符合要求的工件。 通过比较，通盘考虑后，最后选定材料牌号。 通过工艺性和经济性的分析后，确定理想的材料牌号。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 1轴类零件的选材及热处理工艺 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。轴类零件主要用来支承传动零部件(如齿轮、皮带轮、凸轮等)，传递扭矩和承受载荷，以及保证装在主轴上的工件或刀具具有一定的回转精度。轴类零件的结构特征由同心轴的外圆柱面、外圆锥面、内孔、螺纹、花键、键槽、沟槽等组成。 (1)轴的失效形式 疲劳断裂。由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造

12、成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。 断裂失效。由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断、弯曲或扭断。例如钻井机上的钻铤，长期工作在旋转扭矩和钻击冲击力的作用下，同时钻削深度不断增加，系统地刚度下降明显，易出现断裂失效。 磨损失效。轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 1轴类零件的选材及热处理工艺 (2)轴的材料的选择 轴大体上可以分为四类： 轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。 中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢。 重载主轴

13、。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，一般多采用球墨铸铁；要求变形小且高强度、硬度高的多采用38CrMoAl；受冲击大的，常用20Cr、20Mn2B等渗碳钢。 高精度主轴。 有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床、高精度磨床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢、9Cr2V、GCr15制造。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 1轴类零件的选材及热处理工艺 (2)轴的材料的选择 轴大体上可以分为四类： 轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。 中载主轴。中等载荷，磨损较严重

14、，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢。 重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，一般多采用球墨铸铁；要求变形小且高强度、硬度高的多采用38CrMoAl；受冲击大的，常用20Cr、20Mn2B等渗碳钢。 高精度主轴。 有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床、高精度磨床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢、9Cr2V、GCr15制造。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 1轴类零件的选材及热处理工艺 (3) 轴的热处理安排 结构尺寸不大的中碳钢普通轴类零件，一般在切削加工前

15、进行调质热处理。重要的轴类零件(如机床主轴)为保证轴的力学性能及加工精度要求。通常的安排如下： 锻造毛坯在加工前，安排正火热处理或退火处理，使钢材内部晶粒细化，消除锻造应力，降低材料硬度，改善切削加工性能。 粗加工后、半精车之前安排调质热处理，目的是提高零件的综合力学性能，并作为需要表面淬火或氮化热处理的零件的预备热处理。 在半精加工后、精加工前安排表面淬火处理，纠正因淬火引起的局部变形，还可以提高轴类零件表面的耐磨性。 精度要求高的轴，在局部淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 2齿轮零件的选材及热处理工艺 齿面磨损(疲劳断裂)。由

16、于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用产生的疲劳裂纹或工作环境恶劣硬磨粒进入啮合面，造成齿轮的齿面磨损，这是最主要的失效形式。 断齿(断裂失效)。由于受过载或冲击载荷的作用，造成齿轮的折断、弯曲或扭断。 齿轮屈服变形。在工作过程中因强度不足产生的齿轮弯曲。,第三节 典型零件的选材及应用实例,二、典型零件的选材分析 2齿轮零件的选材及热处理工艺 (2)齿轮的材料的选择 齿轮按工作条件可分为三类： 轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。 中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。 重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用15Cr、20Cr、20CrMnTi、12Cr2Ni4A、18CrMnTi等渗