第十一章 機(jī)械設(shè)計(jì)及選材

1、1第十一章第十一章 機(jī)械設(shè)計(jì)與選材機(jī)械設(shè)計(jì)與選材零件的失效零件的失效選材原則選材原則 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析2第一節(jié)第一節(jié) 零件的失效零件的失效一、失效的概念 零件在工作過(guò)程中最終都要發(fā)生失效。所謂失效是指：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作很不安全；雖能安全工作，但已不能滿(mǎn)意地起到預(yù)定的作用。 只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種，都認(rèn)為零件已經(jīng)失效。一般稱(chēng)呼失效大多是特指零件的早期失效，即未達(dá)到預(yù)期的效果或壽命，提前出現(xiàn)失效的過(guò)程。 失效：零件或部件失去應(yīng)有的功效3 失效分析： 探討零件失效的方式和原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。 根據(jù)失效分析的結(jié)果，改進(jìn)對(duì)零件的設(shè)計(jì)、選

2、材、加工和使用，提高零部件的使用壽命，避免惡性事故的發(fā)生，帶來(lái)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 4二、零件失效的原因 設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)： 由于零件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其工作條件估計(jì)錯(cuò)誤，如對(duì)工作時(shí)的過(guò)載估計(jì)不足，散熱、潤(rùn)滑、環(huán)境腐蝕氣氛了解不足等，設(shè)計(jì)依據(jù)不合理；計(jì)算錯(cuò)誤，但現(xiàn)在很少發(fā)生因計(jì)算錯(cuò)誤造成的設(shè)計(jì)事故；結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)不合理，往往容易忽視高應(yīng)力處的應(yīng)力集中，僅考慮結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)尖角、缺口、過(guò)小的圓角。5材料：材料： 選材不當(dāng)，如根據(jù)材料的常規(guī)性能指標(biāo)作判據(jù)，但這些指標(biāo)可能并不是材料發(fā)生失效的抗力，還有為了經(jīng)濟(jì)或加工原因，選擇的材料不合理，即材料本身沒(méi)有設(shè)計(jì)者有求于的能力。問(wèn)題出在材料上，但責(zé)任在設(shè)計(jì)者。 材料本身的

3、缺陷，如雜質(zhì)元素過(guò)多、夾雜物過(guò)多或存在夾層、裂紋的宏觀缺陷，即材料的質(zhì)量問(wèn)題。 6加工：加工： 由于生產(chǎn)加工的工藝不良，也會(huì)造成各種缺陷。如鑄、鍛、焊工藝不良產(chǎn)生的偏析、帶狀組織或過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象；機(jī)械加工的光潔度不足，存在過(guò)深的刀痕、磨痕；熱處理不良出現(xiàn)的過(guò)熱、脫碳、淬火裂紋、回火不足導(dǎo)致較大的殘余內(nèi)應(yīng)力等。值得注意的是零件的結(jié)構(gòu)不合理會(huì)造成或加大產(chǎn)生各中加工缺陷的可能性。7安裝與使用：安裝與使用： 零件安裝時(shí)的配合過(guò)緊、過(guò)松、對(duì)中不良、固定不緊等會(huì)造成零件的早期失效，在使用時(shí)的非法過(guò)載或維護(hù)不良(潤(rùn)滑、散熱、粉塵)也會(huì)造成零件的早期失效。意外事故：意外事故： 人為或非人為因素造成零件出現(xiàn)了不

4、可承受的載荷。 8三、零件失效形式與性能之間的關(guān)系 1.變形失效變形失效 彈性變形失效：由于發(fā)生過(guò)大的彈性變形而造成的零件失效。彈性變形超過(guò)了工作能容許的范圍，造成與其配合的零件相撞而破壞；細(xì)長(zhǎng)桿的彈性失穩(wěn)而發(fā)生塑性彎曲或斷裂。材料的彈性模量?jī)H決定于成分，熱處理對(duì)其影響較小。 9塑性變形失效：零件由于發(fā)生過(guò)大的塑性變形而不能繼續(xù)工作的失效。材料抵抗塑性變形的能力主要指標(biāo)是屈服強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度愈高，發(fā)生塑性變形失效的可能行愈小，而有一些脆性材料可能屈服強(qiáng)度很高，但因?yàn)椴牧咸啵邚?qiáng)度的特點(diǎn)發(fā)揮不出來(lái)。102. 斷裂失效斷裂失效 快速斷裂失效：快速斷裂又稱(chēng)為單調(diào)斷裂，在單調(diào)增加載荷的作用下，當(dāng)載荷超

5、過(guò)一定臨界值后迅速發(fā)生斷裂。斷裂的形式有塑性斷裂和低應(yīng)力脆斷。塑性斷裂往往是材料存在缺口或應(yīng)力的高度集中造成，如斷裂前材料有明顯的塑性變形，在早期就定為塑性變形失效。低應(yīng)力脆斷發(fā)生前沒(méi)有可見(jiàn)的征兆，往往會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果(飛機(jī)墜毀、輪船沉沒(méi))，為此要考慮材料的韌性，特別是沖擊韌性的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 11疲勞斷裂失效：在低于屈服應(yīng)力的交變循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂，是機(jī)械零件的主要失效形勢(shì)之一。機(jī)械設(shè)計(jì)的校核用-1，材料的實(shí)質(zhì)是裂紋擴(kuò)展速率，它要求材料有良好的強(qiáng)韌性配合。但在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮工作時(shí)實(shí)際發(fā)生的循環(huán)次數(shù)，不可都以無(wú)限次校核。12蠕變斷裂失效： 蠕變是指材料在固定的應(yīng)力作用下，隨時(shí)間的延長(zhǎng)變形不

6、斷增加的現(xiàn)象，蠕變也可導(dǎo)致零件失效，蠕變失效可能是變形失效或斷裂失效。蠕變過(guò)程是原子的擴(kuò)散過(guò)程，提高其抗力一方面選用高熔點(diǎn)材料，另一方面是高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)彌散分布減緩擴(kuò)散的進(jìn)行。此外大晶粒可以有效提高材料的高溫強(qiáng)度。 介質(zhì)加速斷裂：在存在應(yīng)力，特別是有交變應(yīng)力又有裂紋時(shí)，許多介質(zhì)如鹽水可以加速斷裂過(guò)程，有稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕。 133. 表面損傷失效表面損傷失效 磨損失效： 磨損主要是在機(jī)械力的作用下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面的材料以細(xì)屑形式逐漸磨耗，而使零件尺寸不斷變小的一種失效方式。磨損可能是被硬質(zhì)點(diǎn)切削下來(lái)，也可能是在大的壓力下焊合撕開(kāi)，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨損的能力愈強(qiáng)。 14表面疲勞失效：相互接

7、觸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面(特別是滾動(dòng)接觸),在工作過(guò)程中承受交變接觸應(yīng)力的作用，使材料表層發(fā)生疲勞破壞而脫落，造成零件失效。接觸疲勞按其損傷程度分為麻點(diǎn)(淺層剝落)與剝落(深層剝落)。提高表面接觸疲勞抗力要求在一定的層深范圍內(nèi)有高的硬度。 15腐蝕失效： 由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕作用造成的零件失效。腐蝕的種類(lèi)有多種，如點(diǎn)腐蝕、裂隙腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕。重點(diǎn)在于改善材料的化學(xué)性能，不僅材料整體的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是晶界的化學(xué)穩(wěn)定性。 16第二節(jié)第二節(jié) 選材原則選材原則 一、所用材料要滿(mǎn)足使用性能 機(jī)械零件應(yīng)能承受相應(yīng)要求的載荷 零件承受工作時(shí)的拉、壓、彎、扭、剪、沖擊應(yīng)力，不能斷裂或超量的變形。適應(yīng)工作環(huán)

8、境 溫度、電、磁、熱、腐蝕等作用下，熱膨脹不能超限，絕緣或?qū)щ?，合理的外觀。保證零件經(jīng)久耐用 即零件要有一定的壽命。 17 所有的材料都不是萬(wàn)能的，揚(yáng)其利，避其弊。從失效分析入手，失效的方式?jīng)Q定對(duì)材料要求的主要性能。例如齒輪失效有折斷、接觸疲勞點(diǎn)蝕、過(guò)度磨損，要用有高硬度、好韌性的材料制造，手術(shù)刀要鋒利、不斷、不繡等等。 18二、所用材料要滿(mǎn)足生產(chǎn)中的工藝要求 所用材料要有相應(yīng)的工藝能制造出來(lái)。鑄造：材料的高溫流動(dòng)性、收縮率、偏析、吸氣性等。熱鍛成形：熱塑性、流變應(yīng)力、加熱抗氧化性等。冷壓成形：屈服強(qiáng)度、塑性、加工硬化性等。焊接：焊縫強(qiáng)度和熱影響區(qū)的開(kāi)裂問(wèn)題，包括冷裂或熱裂傾向；熱處理：加熱時(shí)

9、氧化脫碳傾向和過(guò)熱敏感性，淬火時(shí)變形開(kāi)裂傾向和淬透性、回火脆性和回火性能；冷機(jī)械切削加工：合適的硬度、斷屑性、得到的表面質(zhì)量。 19三、經(jīng)濟(jì)比成本低 比成本系指(材料費(fèi)用工藝生產(chǎn)費(fèi)用)/壽命 比成本為最小 這里要考慮材料的來(lái)源、國(guó)家資源、生產(chǎn)管理等。充分利用國(guó)內(nèi)資源，不排除世界貿(mào)易。在管理上，大批量的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)材料的消耗量大，材料的種類(lèi)可多種，節(jié)省出單價(jià)差別；而小批量的生產(chǎn)，過(guò)多的品種增加了管理費(fèi)用，用量少的以?xún)?yōu)代劣，可以降低成本，不一定完全依賴(lài)原設(shè)計(jì)。 在這三條原則中，要依次選擇，首先要滿(mǎn)足性能，其次考慮加工、兼顧成本。技術(shù)的發(fā)展不斷對(duì)材料提出新要求，工藝的發(fā)展不斷創(chuàng)新加工方法。 20第三節(jié)第

10、三節(jié) 選材的典型實(shí)例分析選材的典型實(shí)例分析一、齒輪類(lèi)一、齒輪類(lèi) 齒輪在機(jī)床、汽車(chē)等機(jī)械中是十分重要、使用量很大的零件，主要用于速度調(diào)節(jié)和功率傳遞。工作時(shí)的受力情況：齒面承受很大的交變彎曲應(yīng)力；換檔、啟動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)承受沖擊應(yīng)力；齒面相互滾動(dòng)、滑動(dòng)，并承受接觸壓應(yīng)力。折斷(斷齒)齒面剝落過(guò)度磨損性能要求：性能要求：高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度；齒面有高的硬度和耐磨性；齒輪心部有足夠高的強(qiáng)度和韌性。2122機(jī)床齒輪工作特點(diǎn)：工作特點(diǎn)： 工作負(fù)荷不太大，中速運(yùn)轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。工作負(fù)荷不太大，中速運(yùn)轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。選材：選材： 常用常用4545鋼鋼或或40Cr40Cr鋼等鋼等調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼。工藝路線(xiàn)：工藝路

11、線(xiàn)：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精加工精加工 高頻淬火及低溫回火高頻淬火及低溫回火 精磨精磨23汽車(chē)變速箱齒輪工作特點(diǎn)： 受力較大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，受沖擊頻繁。其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等要求均比機(jī)床用齒輪高。一般調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)高頻淬火不能滿(mǎn)足要求，并且這類(lèi)齒輪大多成批生產(chǎn)，對(duì)批量大、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的產(chǎn)品有利實(shí)現(xiàn)專(zhuān)門(mén)工藝過(guò)程的實(shí)施。選材：常用20CrMnTi鋼等類(lèi)型滲碳鋼制造并進(jìn)行滲碳處理。工藝路線(xiàn)：工藝路線(xiàn)：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 切削加工切削加工 滲碳滲碳淬火及低溫回火淬火及低溫回火 噴丸噴丸 磨削加工磨削加工 24二、軸類(lèi)二、軸類(lèi) 在機(jī)床、汽車(chē)等制造工業(yè)中

12、，軸類(lèi)零件是另一類(lèi)用量很大、且占有相當(dāng)重要地位的結(jié)構(gòu)件。 軸類(lèi)零件主要作用是支撐傳動(dòng)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，共性特征是工作時(shí)受彎曲、扭轉(zhuǎn)多種應(yīng)力的交變作用，材料應(yīng)有較高的綜合機(jī)械性能。局部承受摩擦運(yùn)動(dòng)部位如軸頸、花鍵等處，要求有一定的硬度，以提高其抗磨損能力。 不同軸的工作環(huán)境和特定性能要求也不全相同，例如工作溫度(氣輪機(jī))、潤(rùn)滑條件、腐蝕介質(zhì)(海水中螺旋槳傳遞)、剛度(精密機(jī)床主軸)、安全性(提升機(jī))等。對(duì)材料的選用也不盡相同，還必需根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)進(jìn)行具體分析。2526機(jī)床主軸工作特點(diǎn)： 受力不大，有時(shí)受到?jīng)_擊載荷作用，要求較高的剛度，軸頭錐面和錐孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑動(dòng)軸承的軸頸則

13、需要高的耐磨性。選材：由于材料的受力不大可用普通45鋼，對(duì)高精度機(jī)床為保證氮化可靠性，應(yīng)選用38CrMoAlA專(zhuān)用氮化鋼為好。工藝路線(xiàn)：工藝路線(xiàn)：下料下料 鍛造鍛造 退火退火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精車(chē)精車(chē) 消除應(yīng)力處理消除應(yīng)力處理 噴砂噴砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨27汽車(chē)半軸工作特點(diǎn)： 驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件，承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在啟動(dòng)、顛簸、特別是緊急制動(dòng)時(shí)受到更大的沖擊應(yīng)力，對(duì)材料的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性提出較高的要求。選材：調(diào)質(zhì)鋼，中型載重車(chē)輛可選用40Cr鋼，而重型載重車(chē)輛則選用性能更高的40CrMnMo鋼。工藝路線(xiàn)：工藝路線(xiàn)：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)