第十章 机械零件的选材与工艺分析

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1、第十章 机械零件的选材与工艺分析,机械零件的失效分析 机械零件选材的一般原则 典型零件选材与工艺性分析,第一节 机械零件的失效分析,一、失效的概念,二、零件失效类型 变形 弹、塑性变形。 断裂 脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤 磨损、腐蚀等。,零件失效的原因 设计、材料、加工、安装、环境和使用维护,机械零件在工作中要求各种载荷和介质的作用，会造成机械 零件在使用过程中发生尺寸、形状和表面质量的变化。这种 变化超过允许值使机器达不到设计时效时即称为零件失效。,零件失效的实例,断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%,失效统计：,常见零件的工作条件和失效形式,材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目

2、前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。,第二节 机械零件选材的一般原则,第二节 机械零件选材的一般原则,一、选材的一般原则,使用性原则 工艺性原则 经济性原则 环保性原则,设计选材时，主要考虑的三个方面,零件的承载和工况 对零件尺寸和重量的限制 零件的重要程度,使用性原则首

3、要原则,具体地,若零件主要满足强度要求，且尺寸和重量又有所限制时 选用强度较高的材料,若零件尺寸主要满足刚度要求时 选用E值大的材料,若零件的接触应力较高，如齿轮和滚动轴承 选用可进行表面强化的材料,高温下工作的零件 选用耐热材料,在腐蚀介质中的零件 选用耐腐蚀的材料,在强烈摩擦和冲击性工作的零件 选用耐磨的材料,注意,材料的各项性能指标中，若只有屈服强度和疲劳强度等一个指标作为选材的依据，在某种情况下不很合理,当减轻重量也是机械设计的主要要求时，则需采用综合性能指标对零件重量进行评定 如从减轻重量出发， b/（比强度）值越大越好,对于有加速运动的零件，由于惯性力与材料的密度成反比 ，它的重量

4、指标是密度的倒数,铝合金的重量指标为钢的2倍，当有加速要求时，铝合金、一些非金属材料和复合材料则为最合适的材料，活塞和高速带轮等常为铝合金等材料制造,实际设计时,根据零件的工作条件，分析计算或测定出力学性能指标后， 可借助手册选材，但必须考虑一定的安全系数,借助手册选材注意事项,注意手册中数据的测定条件 材料的尺寸效应 材料成分的波动,零件的加工工艺路线,一般零件 毛坯 正火或退火 切削加工 轴、齿轮等 毛坯 预先热处理（正火、退火） 粗加工 最终热处理（淬火回火，时效，渗C等）精加工 精密丝杠 毛坯 预先热处理 粗加工 最终热处理 半精加工 时效（或 N化） 精加工 时效,工艺性能 铸、锻、

5、焊、机加工、热处理,工艺性原则,. 产品成本分析,经济性原则根本原则,基本材料的成本（价格、利用率）, 占总成本的30%70%,制造（加工）成本 约占零件成本的30% 加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 生产批量, 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。 重要金属的世界储量,2. 能源消耗少,3. 环境污染小 废气排放少 材料回收及降解,环保性原则,第二节 机械零件选材的一般原则,二、选材的步骤,分析零件的服役条件和失效形式，根据分析结果提出零件最关键的性能要求，同时考虑其他性能要求 对同类零件的用材情况和失效形式进行调查研究，从其使用性

6、能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以便作为选材时的参考 通过分析计算，确定零件应具有的主要力学性能判据，在特定条件下还要考虑物理、化学性能判据 在以上工作的基础上，进行材料的预选择 对预选择的材料进行工艺性和经济性分析后，进行综合评价 必要时，对于重要零件可在投产前进行相关试验，检验所选材料和热处理方法能否满足所设计的性能要求，零件加工过程可顺畅。试验结果基本满意后，可进行正式投产,第三节 典型零件的选材与工艺性分析,一、工程材料的主要特性及使用概况 金属材料：具有优良的综合力学性能和某些特殊的物理、化学性能的材料，广泛用于制造各种重要的机械零件和工程结构件（机械工程中最主要的

7、结构材料） 高分子材料：强度、刚度（弹性模量）低，尺寸稳定性较差，易老化，工程上还不能用于制造承受载荷较大的结构零件，一些轻载传动齿轮、轴承、紧固件及各种密封件等 陶瓷材料：室温几乎没有塑性，容易脆断，一般不用于制造重要受力构件，化学稳定性好，具有红硬性，用于制造高温工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件 复合材料：综合多种不同材料的优良性能，如强度、弹性模量高，抗疲劳、减摩、耐磨、减振性能好，化学稳定性优异，机具发展前途,1. 轴类零件的选材 性能要求 ：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过

8、量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。,选材： 碳含量在0.30.5，如35、40、45、50等碳素结构钢，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。,二、选材实例,实例1、 C620机床主轴选材,性能要求 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。 普通车床（轻载）主轴 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。 铣床（中载）主轴 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。 组合机床（重载）主轴 20CrMnTi ，经渗C、淬火、回火处理。 精密镗床（高精度）主轴 38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效,C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。 性能指标 硬度22

9、0250HB，轴颈52HRC 。 选材 45钢，整体硬度220250HB，轴颈表面淬火硬度5257HRC。 热处理工艺 840水淬 + 600回火(水或油冷） + 轴颈高频淬火 + 200回火 最终组织 心部：回火S 轴颈表面：回火M 工艺路线 下料锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火低温回火磨削零件,常用机床主轴选用的材料及热处理方法,实例2、 内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定,175A型农用柴油机曲轴,性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。,选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 实例 175A型农用柴油机曲轴 性能指标 b650MPa，整体硬度220260HBS，轴颈表面硬

10、度625HV (HRC55), 2%, AK15J。 选材 锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢） 铸造曲轴（球墨铸铁） 锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等,铸造曲轴：QT700-2。 锻钢曲轴的热处理工艺： 下料锻造正火矫直粗加工去应力退火调质半精加工局部表面淬火+低温回火矫直精磨零件 铸造曲轴的工艺路线： 铸造高温正火高温回火矫直切削加工去应力退火轴颈气体渗氮（碳氮共渗）矫直精加工零件,2. 齿轮零件的选材 性能要求 ：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），

11、齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损） 选材： 调质钢 最终热处理：调质 + 表面淬火 + 低温回火 渗C钢 最终热处理：渗碳后淬火处理。 中高碳钢最终热处理：调质处理后表面淬火。,二、选材实例,实例1 ： 载重汽车变速箱齿轮 性能指标 b1000MPa，AK50J ，齿面硬度HRC55 。 选材 20CrMnTi，20SiMnVB等，b 1080MPa ， AK 55J，齿面HRC5863 。,工艺路线 ：下料 锻造正火粗加工局部镀铜渗C、淬火低温回火喷丸磨削零件,局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。,喷丸处理：可以去

12、除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余压应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。,正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。,渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。,实例 2： 机床齿轮,机床齿轮的工作条件 ：工作条件较好，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。 选材 ：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。,工艺路线：下料 锻造正火粗加工调质滚齿齿部

13、高频加热表面淬火+低温回火,高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力 防止表面发生麻点剥落。,调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。,正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。,3. 机架和箱体类的选材 机架类零件 ：各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、导轨等 机架类零件特点：形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，工作条件相差很大。 选材： 基础零件（

14、机身、底座等）：灰铸铁 工作台、导轨等：灰铸铁、合金铸铁 个别特大型工作台、导轨：铸钢、焊接联合结构,二、选材实例,3. 机架和箱体类的选材 箱体类零件 ：床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等 箱体类零件特点：结构复杂，是机器中很重要的基础零件。 选材： 受力较大、高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件（汽轮机机壳）：型钢焊接件、铸钢 受力一般、主要是承受静载荷，不受冲击的箱体：灰铸铁 零件在工作中与其他部件发生相对运动：珠光体基体灰铸铁 受力不大、要求自重轻或导热性好:铸铝合金、工程塑料,二、选材实例,4. 典型农机零件的选材 农机类零件 ：犁铧、耙片、收割机刀片等 农机类零件特点

15、：工作中要与土壤或作物摩擦，不同的零件，性能要求和材料略有不同。,二、选材实例,选材： （1）犁铧 工作条件 在耕地过程中，铲起土块和切割土壤过程中不断受到土壤的摩擦而磨损，还会受到土壤中石块的冲击而折断。 失效形式 铧尖和刃口部分的磨损及折断。 性能要求 好的耐磨性和一定抗冲击性能。 材料选择 65Mn、65SiMnRE、韧性白口铸铁 加工工艺路线 钢制犁铧 下料热压型加工刃口冲孔校型淬火、低温回火 韧性白口铸铁犁铧 下料热压型加工刃口冲孔校型等温淬火（加热到900后在300盐浴炉中等温淬火）,选材： （2）耙片 工作条件 直径比犁铧大在耕地过程中，铲起土块和切割土壤过程中不断受到土壤的摩擦而磨损，还会受到土壤中石块的冲击而折断。 失效形式 耙片刃口部分的磨损及折断。 性能要求 好的耐磨性（硬度：旱地4249HRC、水田3844HRC）和一定抗冲击性能和较好的韧性。 材料选择 65Mn 加工工艺路线 下料热压型加工刃口冲压校型淬火、中温回火 烘干清漆,选材： （3）收割机刀片 工作条件 割作物或牧草。 失效形式 磨损和崩刀。 性能要求 高的强韧性（硬度：5255HRC）和刃口耐磨性。 材料选择 T9、65Mn 加工工艺路线 下料热压型加工刃口冲压校型等温淬火（得到下贝氏体组织）,作业,P222 1、2、3、4,