《机械设计制造17》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计制造17（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.1 机械零件的失效 1.7.2 失效形式与分析 1.7.3 材料的选择原则与步骤 1.7.4 典型零件的选材,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.1 机械零件的失效,机械零件在工作中要承受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效能时即称为零件失效 。,零件在以下情况下都认为已经失效： 1）零件可工作但不能完成指定的功能。 2）零件有损伤而不能继续完全使用。 3）零件完全不能工作。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.1 机械零件的失效,达到预定寿命的失效称为正
2、常失效。远低预定寿命的不正常失效称为早期失效。 不论何种失效，都是在外力或能量或介质作用下对零件的损害。零件的早期失效会带来经济损失，甚至会造成设备和人身事故。 在机械产品的设计、制造过程中，正确地选择机械零件材料和加工方法，对于保证零件的使用性能，降低成本、提高生产率和经济效益，有着重要的意义。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.2 失效形式与分析,引起失效的原因很多，与零件的结构设计、材料、制造、安装使用等有关。零件失效的诸多原因可归纳为如图所示关系,零件失效原因示意图,1.7 机械零件的失效与材料的选择,机械零件常见的失效形式有： 变形失效:表现为过度的弹性或塑性变形（整体或局
3、部的）、蠕变等。 磨损失效:过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等。 断裂失效:包括在静载荷、交变载荷、冲击载荷作用下引起零件断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。,1零件失效形式与失效过程分析,1.7.2 失效形式与分析,1.7 机械零件的失效与材料的选择,2失效分析过程,1.7.2 失效形式与分析,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.3 材料的选择原则与步骤,1选材的原则,（1）选材的使用性原则： 使用性能是指机械零件或构件在正常服役条件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，是选择材料的主要依据。 在设计选材时，主要从三方面考虑：零件的承载和工况；对零件尺寸
4、和重量的限制；零件的重要程度。 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值后，即可借助手册选材。但还应注意以下问题：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。并在设计时必须考虑一定的安全系数。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.3 材料的选择原则与步骤,（2）选材的工艺性原则： 材料的工艺性能是指材料适应某种加工的能力。 材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、质量、生产效率、生产成本等方面有着十分重要的影响，是选材时必须同时考虑的重要因素。 一般情况下，材料的工艺性能相对于使用性能处于从属地位。但某些产品中，在满足使用性能的前提下，特别是在大
5、批量生产时，材料的工艺性能可能成为选材的主要依据。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.3 材料的选择原则与步骤,（3）选材的经济性原则： 在满足零件性能要求的前提下，选材应使零件的生产和使用的总成本降至最低，经济效最高。 总成本包括材料价格、零件成品率、加工费用、零件加工过程中材料的利用率、回收率、零件寿命以及材料的货源、供应、储运综合因素。 选材的经济性主要从以下几个方面考虑：选择材料时，应在满足使用性能前提下，尽可能选用价廉材料；选材时要考虑材料来源，符合国情厂情；用非金属材料代替金属材料；材料的利用率和再生利用率，注意节约能源，保护环境；材料的确定也是产品零件销售经营，特别是来
6、料加工的重要依据。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.3 材料的选择原则与步骤,（4）对产品轻量化、高寿命的要求 ： 为了满足某些产品高的使用寿命、轻的重量要求，在选材时，应予充分考虑。 在选材时应尽量选择和应用最新科技成果和新型材料，以适应现代生产的要求。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.3 材料的选择原则与步骤,零件材料的合理选择通常是按照以下步骤进行的： 1）在分析零件的服役条件、形状尺寸与应力状态后, 根据力学计算，提出抗力指标并确定技术条件。 2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，找出零件在实际使用中主要和次要的失效抗力指标,以此作为选材的依据。 3）
7、审核所选材料的生产经济性。,2选材的步骤,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,1轴类零件选材,（1）轴类零件的工作条件、失效形式及对材料性能要求： 1）载荷的大小、转速的高低。 2）无冲击载荷。 3）滚动轴承或滑动轴承中运转。 4）滑动轴承的材料和性质。 5）精度等级要求等。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,（2）轴类零件选材实例1：机床主轴选材 机床主轴除了承受扭转、弯曲和一定冲击载荷外，轴的一些部位还承受着不同程度的摩擦，如轴颈部位，所以应具有较高的硬度和耐磨性。 对带内锥孔或外锥体的主轴，工作时和配合件并无相对滑动摩擦，但与其配
8、件装拆频繁，装拆过程中防止磨损，硬度应在45HRC以上；高精度机床应提高到56HRC以上 。 机床主轴在高速运转时要受到各种载荷的作用，如弯曲、扭转、冲击等。故要求主轴具有抵抗各种载荷的能力。当弯曲载荷较大、转速又很高时，主轴还承受着很高的交应力。因此要求主轴具有较高的疲劳强度和综合机械性能,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,例题 ：分析如图所示的车床主轴的选材和热处理,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材, 工作条件分析： 车床主轴承受交变弯曲与扭转应力，但承受的载荷与转速不太高，冲击也不大，故材料具有一般的综合机械性能即可。 在主轴大
9、端的内锥孔和外锥体处，因经常与卡盘、顶尖有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动，故这些部位要求较高的硬度与耐磨性。 该主轴在滚动轴承中运转，轴颈硬度为220250HBW。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,材料与热处理选择: 根据上述工作条件分析，该主轴可选45钢。热处理技术条件为整体调质，硬度220250HBW；内锥孔与外锥体淬火，硬度4550HRC；花键部位高频淬火，硬度4853HRC 车床主轴的加工工艺路线： 下料锻造正火机械粗加工调质机械半精加工局部淬火、回火（锥孔及外锥体）粗磨（外圆、外锥体及锥孔）铣花键花键高频淬火、回火精磨,1.7 机械零件的失效与材料
10、的选择,1.7.4 典型零件的选材,轴类零件选材实例2：汽车半轴选材 工作条件及技术要：汽车半轴主要起传递扭矩使车轮转动的作用。工作时主要承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用。因此，要求材料具有足够的强度和韧性，高的疲劳强度。 热处理技术要求：盘部与杆心部调质2535HRC，为回火索氏体组织，杆部表面淬火并低温回火5058HRC，为回火马氏体组织。 选材及工艺路线的制定：一般中轻型汽车的半轴选45或40Cr、40MnB钢。重型汽车的半轴用40CrNiMo钢。对于40Cr钢制造半轴的加工工艺路线为：下料锻造正火机械（粗）加工调质机械加工杆部中频淬火低温回火磨削。,1.7 机械零件的失效与材料的
11、选择,1.7.4 典型零件的选材,（1）齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求： 1）齿轮的工作条件：齿轮工作时，有高的接触载荷与强烈的摩擦；传递动力时，接触作用力在齿根处产生很大的力矩，使齿根部承受较高的弯曲应力；换挡、启动和啮合不均匀时，将承受较大冲击载荷。 2）齿轮的主要失效形式：在通常情况下齿轮的主要失效形式为断齿、齿面的损伤（麻点剥落和磨损等）。 3）材料性能的要求：高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；有足够的塑韧性。,2齿轮零件选材,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,（2）齿轮的选材分析： 1）机床齿轮选材：机床中齿
12、轮的工作条件和矿山机械、动力机械中的齿轮相比，其运转较平稳、载荷较小。选材主要是由齿轮的具体工作条件来确定的 。 2）汽车、拖拉机齿轮选材：其耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击吸收功等各方面都比机床齿轮要求更高。实践证明，选用合金渗碳钢（20CrMnTi）经渗碳（或碳氮共渗）、淬火及低温回火后使用最为合适。 3）对于工作条件十分繁重的大模数齿轮（特别是坦克传动齿轮），可选用18Cr2Ni4WA渗碳钢，通过渗碳淬火、低温回火、其强度、塑性、韧性可达到很好的配合。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,3机架和箱体类零件的选材,（1）机架类零件的选材： 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、导轨等均为典型机架类零件。 机架类零件的特点是形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，工作条件相差很大。 其中一般的基础零件，如机身、底座等应有较好的刚度及减振性；工作台和导轨等，要求有较好的耐磨性和良好的刚度和密封性，在多数情况下选用灰铸铁或合金铸钢，个别特大型的还可采用铸钢和焊接联合结构 。,1.7 机械零件的失效与材料的选择,1.7.4 典型零件的选材,（2）箱体类零件的选材： 床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等都可视为箱体类零件。箱体类零件是机器中很重要基础零件。由于箱体结构复杂，常用铸造的方法制造毛坯，故箱体几乎都用铸造金属。,
