第十章 機(jī)械零件材料及毛坯的選擇與質(zhì)量檢驗(yàn)

1、第十章 機(jī)械零件材料及毛坯的選擇與質(zhì)量檢驗(yàn)機(jī)械制造中,要獲得滿(mǎn)意的零件，就必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理選材、毛坯制造及機(jī)械加工等方面綜合考慮。而正確選擇材料和毛坯制造方法將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，因此，這項(xiàng)工作是機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的重要任務(wù)之一。機(jī)械零件的使用性是多種多樣的，對(duì)材料和毛坯的選擇要考慮諸多因素。這里只介紹一些材料及毛坯選擇的一般原則。第一節(jié) 機(jī)械零件的失效在我們的現(xiàn)實(shí)中，機(jī)械設(shè)備可能發(fā)生多種故障。對(duì)故障研究分析，首先應(yīng)根據(jù)零件的損壞形式，找出失效的主要原因，為選材和改進(jìn)工藝提供必要的依據(jù)。一、失效的基本概念零件在工作過(guò)程中最終都要發(fā)生失效。所謂失效是指：（1）零件完全破壞，不能繼續(xù)

2、工作；（2）嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作很不安全；（3）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。失效分析的目的就是要找出零件損傷的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施?，F(xiàn)代工業(yè)中零件的工作條件日益苛刻，零件的損壞往往會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，因此對(duì)零件的可靠性提出了越來(lái)越高的要求。另外，從經(jīng)濟(jì)性考慮，也要求不斷提高零件的壽命。這些都使得失效分析變得越來(lái)越重要。失效分析的結(jié)果對(duì)于零件的設(shè)計(jì)、選材、加工以至使用，都有很大的指導(dǎo)意義。二、零件失效的主要形式零件在工作時(shí)的受力情況一般比較復(fù)雜，往往承受多種應(yīng)力的復(fù)合作用，因而造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量變形

3、、斷裂和表面損傷三大類(lèi)型。如圖10-1所示。必須指出，實(shí)際零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用。例如，一個(gè)齒輪，齒面之間的摩擦導(dǎo)致表面磨損失效，而齒根可能產(chǎn)生疲勞斷裂失效，兩種方式同時(shí)起作用。但一般來(lái)說(shuō)，造成一個(gè)零件失效時(shí)總是一種方式起主導(dǎo)作用，很少有兩種方式同時(shí)都使零件失效。失效分析的目的實(shí)際上就是要找出主要的失效形式。另外，各類(lèi)基本失效方式可以互相組合，形成更復(fù)雜的復(fù)合失效方式，如腐蝕疲勞，蠕變疲勞，腐蝕磨損等等。但它們?cè)谔攸c(diǎn)上都各自接近于其中某一種方式，而另一種方式是輔助的，因此在分析時(shí)往往被歸入主導(dǎo)方式一類(lèi)中，例如腐蝕疲勞，疲勞特征是主導(dǎo)因素，腐蝕是起輔助作用的，因此被歸入疲勞一類(lèi)

4、進(jìn)行分析。三、零件失效的原因零件的失效可以由多種原因引起，大體上可分為設(shè)計(jì)、材料、加工和安裝使用四個(gè)方面，圖10-2是導(dǎo)致零件失效的主要原因的示意圖。（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理設(shè)計(jì)上導(dǎo)致零件失效的最常見(jiàn)原因是結(jié)構(gòu)或形狀不合理，即在零件的高應(yīng)力處存在明顯的應(yīng)力集中源，如各種尖角、缺口、過(guò)小的過(guò)渡圓角，等等。另一種原因是對(duì)零件的工作條件估計(jì)錯(cuò)誤，如對(duì)工作中可能的過(guò)載估計(jì)不足，因而設(shè)計(jì)的零件的承載能力不夠。發(fā)生這類(lèi)失效的原因在于設(shè)計(jì)，但可通過(guò)選材來(lái)避免，特別是當(dāng)零件的結(jié)構(gòu)與幾何尺寸基本固定而難以作較大的改動(dòng)時(shí)，就是如此來(lái)處理問(wèn)題的?，F(xiàn)在很少發(fā)生由于計(jì)算錯(cuò)誤造成的設(shè)計(jì)事故。（2）材料選取不當(dāng)選材不當(dāng)是材料方

5、面導(dǎo)致失效的主要原因。問(wèn)題出在材料上，但責(zé)任在設(shè)計(jì)者身上。最常見(jiàn)的情況是，設(shè)計(jì)者僅根據(jù)材料的常規(guī)性能指標(biāo)作出決定，而這些指標(biāo)根本不能反映材料對(duì)所發(fā)生的那種類(lèi)型失效的抗力。另一種情況是，盡管預(yù)先對(duì)零件的失效形式有較準(zhǔn)確的估計(jì)，并提出了相應(yīng)的性能指標(biāo)作為選材的依據(jù)，但由于考慮到其它因素（如經(jīng)濟(jì)性、加工性能等），使得所選材料的性能數(shù)據(jù)不合要求，因而導(dǎo)致了失效。材料本身的缺陷也是導(dǎo)致零件失效的一個(gè)重要原因，常見(jiàn)的缺陷是夾雜物過(guò)多，過(guò)大，雜質(zhì)元素太多，或者有夾層、折疊等宏觀缺陷。因此，對(duì)原材料加強(qiáng)檢驗(yàn)是非常重要的步驟。（3）加工工藝問(wèn)題零件加工成型過(guò)程中，由于加工工藝不良，也會(huì)造成各種缺陷。例如鍛造不良

6、可造成帶狀組織、過(guò)熱或過(guò)燒現(xiàn)象等；冷加工不良時(shí)光潔度太低，產(chǎn)生過(guò)深的刀痕、磨削裂紋等；熱處理不良能造成過(guò)熱、脫碳、淬火裂紋、回火不足等；這些都可導(dǎo)致零件的失效。加工不良造成的缺陷，尤其是熱處理時(shí)產(chǎn)生的缺陷，與零件的設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系。零件的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)大大增加熱處理缺陷發(fā)生的可能性。若零件熱處理后殘留有較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至有難以檢查出來(lái)的裂紋時(shí)，使用中必定會(huì)造成嚴(yán)重的損壞。 （4）安裝不當(dāng)零件安裝時(shí)配合過(guò)緊、過(guò)松、對(duì)中不準(zhǔn)、固定不緊等均可造成失效或事故。在制造廠里管理比較嚴(yán)格的情況下，使用不當(dāng)常可成為零件損壞的主要原因。對(duì)機(jī)器的維護(hù)保養(yǎng)不好，沒(méi)有遵守操作規(guī)程及工作時(shí)有較大幅度的過(guò)載等也

7、可以造成零件的失效。（5）使用維護(hù)不正確超載荷運(yùn)動(dòng)，潤(rùn)滑條件不良，零件磨損增加等均可造成零件早期失效。 四、失效分析的一般方法正確的失效分析，是找出零件失效原因，解決零件失效問(wèn)題的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。機(jī)械零件的失效分析是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)工作，大致有如下程序。（1）盡量仔細(xì)地收集失效零件的殘骸，并拍照記錄實(shí)況，確定重點(diǎn)分析的對(duì)象，樣品應(yīng)取自失效的發(fā)源部位，或能反映失效的性質(zhì)或特點(diǎn)的地方。（2）詳細(xì)記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計(jì)情況（圖紙）、實(shí)際加工情況及尺寸、使用情況等。根據(jù)這些資料全面地從設(shè)計(jì)、加工、使用各方面進(jìn)行具體的分析。（3）對(duì)所選試樣進(jìn)行宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學(xué)或電子

8、顯微鏡）斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源點(diǎn)及失效的方式。（4）對(duì)失效樣品進(jìn)行性能測(cè)試、組織分析、化學(xué)分析和無(wú)損探傷，檢驗(yàn)材料的性能指標(biāo)是否合格，組織是否正常，成分是否符合要求，有無(wú)內(nèi)部或表面缺陷等等，全面收集各種必要的數(shù)據(jù)。（5）斷裂力學(xué)分析。在某些情況下需要進(jìn)行斷裂力學(xué)計(jì)算，以便于確定失效的原因及提出改進(jìn)措施。（6）綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效的具體原因，提出改進(jìn)措施，寫(xiě)出報(bào)告。在失效分析中，有兩項(xiàng)最重要的工作。一是收集失效零件的有關(guān)資料，這是判斷失效原因的重要依據(jù)，必要時(shí)作斷裂力學(xué)分析。二是根據(jù)宏觀及微觀的斷口分析，確定失效發(fā)源地的性質(zhì)及失效方式。這項(xiàng)工作最重要，因

9、為它除了告訴我們失效的精確地點(diǎn)和應(yīng)該在該處測(cè)定哪些數(shù)據(jù)外，同時(shí)還對(duì)可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶斷裂應(yīng)該是材料本身、加工或介質(zhì)作用的問(wèn)題，與設(shè)計(jì)關(guān)系不大。第二節(jié) 機(jī)械零件材料選擇的一般原則機(jī)械零件的選材是一項(xiàng)十分重要的工作。選材是否恰當(dāng)，特別是一臺(tái)機(jī)器中關(guān)鍵零件的選材是否恰當(dāng)，將直接影響到產(chǎn)品的使用性能、使用壽命及制造成本。選材不當(dāng)，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致零件的完全失效。判斷零件選材是否合理的基本標(biāo)志是：能否滿(mǎn)足必需的使用性能；能否具有良好的工藝性能；能否實(shí)現(xiàn)最低成本。選材的任務(wù)就是求得三者之間的統(tǒng)一。因此選材時(shí)一般應(yīng)遵循以下三個(gè)原則：一、使用性能零件選材應(yīng)滿(mǎn)足零件工作條件對(duì)材料使用性能的要

10、求。材料在使用過(guò)程中的表現(xiàn)，即使用性能，是選材時(shí)考慮的最主要根據(jù)。不同零件所要求的使用性能是很不一樣的，有的零件主要要求高強(qiáng)度，有的則要求高的耐磨性，而另外一些甚至無(wú)嚴(yán)格的性能要求，僅僅要求有美麗的外觀。因此，在選材時(shí)，首要的任務(wù)就是準(zhǔn)確地判斷零件所要求的主要使用性能。對(duì)所選材料使用性能的要求，是在對(duì)零件的工作條件及零件的失效分析的基礎(chǔ)上提出的。零件的工作條件是復(fù)雜的，要從受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個(gè)方面全面分析。受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊載荷、交變載荷等；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤(rùn)滑劑、海水、酸、堿、鹽等。

11、為了更準(zhǔn)地了解零件的使用性能，還必須分析零件的失效方式，從而找出對(duì)零件失效起主要作用的性能指標(biāo)。見(jiàn)表10-1所示。有時(shí)，通過(guò)改進(jìn)強(qiáng)化方式或方法，可以將廉價(jià)材料制成性能更好的零件。所以選材時(shí)，要把材料成分和強(qiáng)化手段緊密結(jié)合起來(lái)綜合考慮。另外，當(dāng)材料進(jìn)行預(yù)選后，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)、裝機(jī)試驗(yàn)、小批生產(chǎn)等，進(jìn)一步驗(yàn)證材料機(jī)械性能選擇的可靠性。二、工藝性能零件選材應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對(duì)材料工藝性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通過(guò)一定的加工工藝制造出來(lái)的。因此材料的工藝性能，即加工成零件的難易程度，自然應(yīng)是選材時(shí)必須考慮的重要問(wèn)題。所以，熟悉材料的加工工藝過(guò)程及材料的工藝性能，對(duì)于正確選材是

12、相當(dāng)重要的。材料的工藝性能包括以下內(nèi)容：（1）鑄造性能 包含流動(dòng)性、收縮性、疏松及偏析傾向、吸氣性、熔點(diǎn)高低等。（2）壓力加工性能 指材料的塑性和變形抗力等。（3）焊接性能 包括焊接應(yīng)力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其它缺陷傾向等。（4）切削加工性能 指切削抗力、零件表面光潔度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。（5）熱處理性能 指材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開(kāi)裂傾向等。與使用性能的要求相比，工藝性能處于次要地位；但在某些情況下，工藝性能也可成為主要考慮的因素。當(dāng)工藝性能和機(jī)械性能相矛盾時(shí)，有時(shí)正是工藝性能的考慮使得某些機(jī)械性能顯然合格的材料不得不加

13、舍棄，此點(diǎn)對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件特別重要。因?yàn)樵诖罅可a(chǎn)時(shí)，工藝周期的長(zhǎng)短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。例如，為了提高生產(chǎn)效率，而采用自動(dòng)機(jī)床實(shí)行大量生產(chǎn)時(shí)，零件的切削性能可成為選材時(shí)考慮的主要問(wèn)題。此時(shí)，應(yīng)選用易切削鋼之類(lèi)的材料，盡管它的某些性能并不是最好的。三、經(jīng)濟(jì)性零件的選材應(yīng)力求使零件生產(chǎn)的總成本最低。除了使用性能與工藝性能外，經(jīng)濟(jì)性也是選材必須考慮的重要問(wèn)題。選材的經(jīng)濟(jì)性不單是指選用的材料本身價(jià)格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選材料來(lái)制造零件時(shí)，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時(shí)所選材料應(yīng)符合國(guó)家的資源情況和供應(yīng)情況，等等。（1）材料的價(jià)格 不同材料的價(jià)格差異很大，而且在不斷變動(dòng)，因此設(shè)計(jì)

14、人員應(yīng)對(duì)材料的市場(chǎng)價(jià)格有所了解，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。（2）國(guó)家的資源狀況 隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問(wèn)題日益突出，選用材料時(shí)必須對(duì)此有所考慮，特別是對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，所用的材料應(yīng)該是來(lái)源豐富并符合我國(guó)的資源狀況的。例如，我國(guó)缺鉬但鎢卻十分豐富，所以我們選用高速鋼時(shí)就要盡量多用鎢高速鋼，而少用鉬高速鋼。另外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。（3）零件的總成本 由于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的要求，選用材料時(shí)零件的總成本應(yīng)降至最低。綜上所述，零件選材的基本步聚如下：1、對(duì)產(chǎn)品功能要求特性，包括可能互相矛盾的要求，確定相對(duì)優(yōu)先次序。2、決定產(chǎn)品每個(gè)構(gòu)件所要求的性能，對(duì)各種候選材料在

15、性能上進(jìn)行比較。3、對(duì)外形、材料和加工方法進(jìn)行綜合考慮。四、典型零件的選材及工藝路線(xiàn)1、機(jī)床主軸圖10-3是C620車(chē)床主軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。機(jī)床主軸是典型的受扭轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合作用的軸件，它受的應(yīng)力不大（中等載荷），承受的沖擊載荷也不大，如果使用滑動(dòng)軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多采用45鋼制造，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，軸頸處由表面淬火來(lái)強(qiáng)化。載荷較大時(shí)則用40Cr等低合金結(jié)構(gòu)鋼來(lái)制造。對(duì)C620車(chē)床主軸的選材結(jié)果如下：材料：45鋼。熱處理：整體調(diào)質(zhì)，軸頸及錐孔表面淬火。性能要求：整體硬度NB220HB240；軸頸及錐孔處硬度HRC52。工藝路線(xiàn)：鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工表面淬火及低溫回火磨削。該軸工作應(yīng)力很低，

16、沖擊載荷不大，45鋼處理后屈服極限可達(dá)400MPa以上，完全可滿(mǎn)足要求?，F(xiàn)在有部分機(jī)床主軸已經(jīng)可以用球墨鑄鐵制造。2、汽車(chē)齒輪汽車(chē)齒輪的工作條件遠(yuǎn)比機(jī)床齒輪惡劣，特別是主傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，因此對(duì)材料的要求更高。由于彎曲與接觸應(yīng)力都很大，用高頻淬火強(qiáng)化表面不能保證要求，所以汽車(chē)的重要齒輪都用滲碳、淬火進(jìn)行強(qiáng)化處理。因此這類(lèi)齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造，特別是后者在我國(guó)汽車(chē)齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。為了進(jìn)一步提高齒輪的耐用性，除了滲碳、淬火外，還可以采用噴丸處理等表面強(qiáng)化處理工藝。噴丸處理后，齒面硬度可提高HRC13單位，耐用性可提高711倍。例

17、：北京牌吉普車(chē)后橋圓錐主動(dòng)齒輪。（圖10-4）材料：20CrMnTi鋼。熱處理：滲碳、淬火、低溫回火，滲碳層深1.2mm1.6mm。性能要求：齒面硬度HRC58HRC62，心部硬度HRC33HRC48。工藝路線(xiàn)：下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火、低溫回火磨加工。第三節(jié) 零件毛坯選擇的一般原則毛坯種類(lèi)的選擇不僅影響毛坯的制造工藝及費(fèi)用，而且也與零件的機(jī)械加工工藝和加工質(zhì)量密切相關(guān)。為此需要毛坯制造和機(jī)械加工兩方面的工藝人員密切配合，合理地確定毛坯的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)形狀，并繪出毛坯圖。一、常見(jiàn)的毛坯種類(lèi)常見(jiàn)的毛坯種類(lèi)有以下幾種：（一）鑄件對(duì)形狀較復(fù)雜的毛坯，一般可用鑄造方法制造。目前大多數(shù)鑄件采用砂型鑄造

18、，對(duì)尺寸精度要求較高的小型鑄件，可采用特種鑄造，如永久型鑄造、精密鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造成和離心鑄造等。（二）鍛件鍛件毛坯由于經(jīng)鍛造后可得到連續(xù)和均勻的金屬纖維組織。因此鍛件的力學(xué)性能較好，常用于受力復(fù)雜的重要鋼質(zhì)零件。其中自由鍛件的精度和生產(chǎn)率較低，主要用于小批生產(chǎn)和大型鍛件的制造。模型鍛造件的尺寸精度和生產(chǎn)率較高，主要用于產(chǎn)量較大的中小型鍛件。（三）型材型材主要有板材、棒材、線(xiàn)材等。常用截面形狀有圓形、方形、六角形和特殊截面形狀。就其制造方法，又可分為熱軋和冷拉兩大類(lèi)。熱軋型材尺寸較大，精度較低，用于一般的機(jī)械零件。冷拉型材尺寸較小，精度較高，主要用于毛坯精度要求較高的中小型零件。（四）

19、焊接件焊接件主要用于單件小批生產(chǎn)和大型零件及樣機(jī)試制。其優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、節(jié)省材料、減輕重量。但其抗振性較差，變形大，需經(jīng)時(shí)效處理后才能進(jìn)行機(jī)械加工。（五）其它毛坯其它毛坯包括沖壓件，粉末冶金件，冷擠件，塑料壓制件等。二、毛坯選擇的一般原則毛坯類(lèi)型選擇同毛坯材料是密切相關(guān)的，所以選擇毛坯的原則也是在滿(mǎn)足使用要求的前提下，努力降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。1、滿(mǎn)足零件的使用要求 機(jī)械裝置中各零件的功能不同，其使用要求也會(huì)有很大的差異。零件的使用要求包括零件形狀、尺寸、加工精度和表面粗糙度等的外部質(zhì)量要求，以及具體工作條件下對(duì)零件成分、組織、性能的內(nèi)部質(zhì)量要求。2、降低生產(chǎn)成本 一個(gè)零件的制造成本包括本身的材料費(fèi)、消耗的燃料和動(dòng)力費(fèi)、工資、設(shè)備和設(shè)備的折舊費(fèi)，以及其它輔助費(fèi)用分?jǐn)偟皆摿慵姆蓊~。進(jìn)行毛坯選擇時(shí)，可在保證零件使用性能的條件下，把可供選擇的方案從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行分析比較，從中選擇出成本最低的最佳方案。3、結(jié)合具體生產(chǎn)條件 選定毛坯制造方法時(shí)，首先應(yīng)分析本企業(yè)的設(shè)備條件和技術(shù)水平，實(shí)施切實(shí)可行的生產(chǎn)方案。第四節(jié) 毛坯質(zhì)量檢驗(yàn)毛坯件中缺陷的存在，也是造成零件早期失效的原因。一、毛坯的質(zhì)量檢驗(yàn)毛坯的質(zhì)量檢驗(yàn)可分為破壞性檢驗(yàn)和非破壞性檢驗(yàn)兩類(lèi)。破壞性檢驗(yàn)包括力學(xué)性能測(cè)試、化學(xué)成分分析和金相檢驗(yàn)。破壞性檢驗(yàn)必須從被檢件上切取試樣，或破壞整體被檢件進(jìn)行