金工实习第7-1章

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1、7.1 零件失效与失效类型 (failure of parts & types),7.2 零件设计中的材料选择 (material selection in design of parts),7.4 变形开裂与热处理结构工艺性,第7章 工程设计制造中的材料选择 （engineering design 、manufacture &material selection）,7.3 热处理在零件加工工艺路 线中的位置及热处理方案的选择,7.1 零件失效与失效类型(failure of parts & types) 7.1.1 失效概念 定 义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。 失效含义： 零件破

2、损，不能正常工作。 零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。 零件不能安全工作。 失效的定量指标： 额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。,7.1.2 失效的形式与对策 过量变形失效（excessive deformation failure） 过量弹性变形失效： 特征：e过大（e=/E）,带来一系后果（如镗杆的“让刀”）。 措施：提高零件刚度，具体办法为改变零件几何，加大尺寸及用E大的材料。 塑性变形失效： 特征：s、发生整体屈服。 措施：选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或降低应力水平。,图7-1, 过量蠕变失效： 特征：T0.3Tm（尽管

3、s）时发生，时间累积过程。 措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。 断裂失效（fracture failure） 韧断： 特征：b ，先塑变后断裂；原因为强度不足。 措施：；提高材料强度。 低应力脆断： 特征：s时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；低温、大截面零件以及应力集中，最易发生。 措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。,疲劳断裂： 特征：脆断，无明显塑变；s，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、刀痕等应力集中处。 措施：选材；设计改进（避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。 蠕变断裂： 过量蠕变变形后发生

4、（高温下，详见第10.4章）。 介质加速断裂： 应力腐蚀等（介质+应力的复合作用，详见第10.5章）,表面损伤失效（surface damage failure） 磨损失效 特征：摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨损会失效，例摩擦副、工模具、工程机械，量大面广。 措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。 接触疲劳失效 特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。 措施：提高表面质量、表面强化。 腐蚀失效： 量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第10.5章）。,7.1.3 失效的原因（自学） 总体上共四方面： 设计 选材与热处理 加工缺

5、陷 装配与使用,7. 2 零件设计中的材料选择 （material selection in design of parts） 7.2.1 选材三原则（three criteria of material selection） 使用性能原则与选材基本步骤 使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。 几种常见零件的力学性能要求： 选材基本步骤：,表7-1,图7-2,工艺性原则（材料切削加工的影响因素） 材料的切削加工性的影响因素： 材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。 材料硬度与其切削加工性的关

6、系： 钢铁材料的合适硬度范围160230HB，组织尚有影响，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。,措施与综合结果： 低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，HB，切削性。 高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状珠光体，切削性。 Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。 大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。 一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。 经济原则：要考虑多项成本。,7.2.2 零件选材时应注意的几个问题 使用性能优先； 设计指标与保安全指标； 注意材料状态与手册的对应； 注意尺寸效应； 注意数据的

7、可靠性； 注意具体的供货状态； 注意不同材料的成型加工方式的不同。,7.3 热处理在零件加工工艺路线中的位置及 热处理方案的选择 两方面问题： 一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序（工艺流程或工艺路线）。 二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合适的热处理工艺。,7.3.1 热处理在工艺路线中的位置 热处理在工艺路线中的位置的安排原则 最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。 最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。 表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。 渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采

8、取渗前镀铜或渗后去除。 某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。 高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。 热处理在工艺路线中的位置,7.3.2 钢铁普通热处理方案的选择 7.3.3 钢铁表面热处理方案的选择 高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生产。 渗 碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化层要求时采用。 碳氮共渗：在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且耐磨性高于渗碳）。 软 氮 化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场 合。 氮 化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。,表7-6,表7-7,7.3.4 有色金属热处理方案的选择

9、铝合金常用工艺： 均匀化退火： 消除铸造铝合金的成分偏析及铸造内应力，稳定组织、提高塑性。 再结晶退火或去应力退火： 变形后消除加工硬化或仅消除应力（较低温度）。 固溶、时效处理： 获得时效强化的效果。,7.3.5 零件热处理技术要求的标注 是一个重要问题，它确定了使用性能及工艺路线。由设计者完成。 多以硬度（HRC、HBS）作为力学性能的技术要求。 要给出合适的硬度要求范围：HRC35个单位，HBS3050个单位。 通常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型（毋须工艺细节）: 如淬火、回火5862HRC； 渗层（0.81.2mm）、淬火、回火6063 HRC； 调质220250 HBS。, 硬度

10、要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致，钢材主要考虑含碳量和淬透性。 如45钢，若要求6063HRC（）； 调质5055HRC（）。 表面热处理的硬化层要求（类型 、深度等）。 某些特殊技术要求，如高速钢淬火多有晶粒度级别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。 标注位置及示例：,图7-4,图7-3,7.4 变形开裂与热处理结构工艺性 热处理（尤其淬火）的负面影响： 热处理变形和开裂(热处理应力引起)；表面氧化脱碳。 措施： 从零件设计与制造和热处理工艺两方面。 7.4.1 减少零件热处理变形和防止开裂的方法 （deformation & crack） 选材： 针对性选用高淬透性的合金钢、高合

11、金钢，替代碳钢、低合金钢。,预留加工余量： 找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。 按变形规律调整切削加工尺寸。 合理安排工艺路线。 降低零件表面粗糙度(以减低因局部应力集中而淬火开 裂)。 合理的锻造和热处理 ： 成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理（球化退火和调质要比正火有利）。 修改技术条件： 适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。 采用先进设备： 可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。,图7-7,7.4.2 热处理结构工艺性 零件机械设计（零件的结构、截面尺寸等）时要考虑其 热处理工艺性如何。 考虑的主要方面： 零件的结构要易于进行热处理（如避免悬殊截面、盲孔等）

12、,易于达到技术要求。 零件的结构有利于减少变形、防止开裂。 零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。,具体措施： 避免尖角；避免厚薄悬殊。 采用封闭和对称结构；采用组合结构。 合理布置孔洞位置；设置工艺孔。 采用局部淬火或整体淬火。,见图7-11,见图7-12,见图7-14,见图7-15,见图7-16,见图7-17,本章例题1某机器的凸轮轴，要求凸轮表面具有高硬度（HRC50），心部具有韧性，原采用45钢，热处理工艺采用调质+高频淬火+低温回火。现因库存45钢已用完，拟用15钢代替，试说明： （1）原45钢各热处理工序的作用。 （2）改用15钢后，仍按原热处理工序进行，能否满足性能要求？为什么

13、？ （3）为达到所要求的性能，改用15钢后，应采用何种热处理工艺？ 分析思路： （1）调质为预先热处理，一方面可为表面淬火提供组织准备，另一方面保证心部的强韧性；高频淬火使表面获得高硬度，心部依然保持良好的塑韧性；低温回火的作用是降低残余应力和脆性，保持表面的高硬度和高耐磨性。（2）15钢为低碳钢，且淬透性极低，若按原热处理工序处理，则导致钢中存在大量铁素体而使钢的硬度显著降低。因此不能满足性能要求。（3）15钢应采取渗碳+淬火+低温回火。,本章例题2为制造下列零件，应选择哪一种牌号的铸轶： （1）汽缸套；（2）齿轮箱；（3）汽车后桥壳；（4）空气压缩机曲轴；（5）球磨机磨球；（6）10001

14、100加热炉炉底板。 分析思路:汽缸套和齿轮箱均可选择HT200或HT250，因其受力较小，且灰口铸铁铸造性能优良；汽车后桥壳可选择KTH350-10，因为可锻铸铁的铸造性能比铸钢好，比灰口铸铁强韧且质量稳定，常用于制造形状复杂、能承受一定冲击的薄壁件。空气压缩机曲轴可选用球墨铸铁如QT700-2、QT800-2等，其强度高、屈强比高，能够满足受力复杂、对强度、韧性和耐磨性要求高的服役条件；球磨机磨球可选用抗磨铸铁；加热炉炉底板可用耐热铸铁来制造。,本章小结,失效是机器零件在工作中丧失规定功能的现象。失效的形式主要有变形、断裂、表面损伤及物理性能降低四种类型。失效的原因主要在于设计、材料、加工

15、和安装使用四个方面的失当。 选材的三原则：使用性能原则、工艺性能原则、经济性原则。 钢铁件工艺路线安排： 退火、正火多安排在毛坯生产之后，切削加工之前； 调质多安排在粗加工之后，精加工之前； 要求全部渗碳的零件，安排在半精加工之后，磨削精加工之前； 氮化安排在粗磨之后，对不能进行磨削的零件（如螺旋伞齿轮），安排在精加工之后； 淬火+低温回火一般安排在半精加工之后，磨削精加工之前；,钢铁件热处理方案的选择： 降低硬度、提高塑性可用退火（含球化退火、软化退火及铸铁的石墨化退火）； 减少或消除内应力可用去应力退火、正火、回火及各种退火； 要求综合力学性能的零件可选用中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理，还可以选用低碳钢或低碳合金钢进行淬火得到板条状马氏体，均可获得良好的综合力学性能； 要求弹性极限高的零件，可选用弹簧钢，采用去应力退火或淬火后中温回火的热处理； 要求高硬度、高耐磨性零件，一般选高碳的碳素钢或合金工具钢，采用淬火+低温回火；,为细化中、低碳钢的晶粒，或消除高碳钢的网状Fe3C,可选正火； 要求“表硬心韧”的工件，一般选中碳调质钢，先进行整体的调质或正火处理，然后，对其表面采用表面淬火；或选合金渗碳钢，采用渗碳（或碳氮共渗）、淬火+低温回火；或选用氮化钢，采用调质+氮化处理。 为减少淬火变形和开裂，可选用淬透性高的合金钢、合理的工艺路线安排及工艺方法选择，