第7章 工程設(shè)計制造和材料選擇ppt課件

1、 退出退出 7.1.2 失效的形式與對策失效的形式與對策過量變形失效過量變形失效excessive deformation failure） 過量彈性變形失效：過量彈性變形失效： 特征：特征：e過大過大e=/E）,帶來一系后果如鏜桿的帶來一系后果如鏜桿的“讓刀讓刀”）。）。 措施：提高零件剛度，具體辦法為改變零件幾何，加大尺寸及用措施：提高零件剛度，具體辦法為改變零件幾何，加大尺寸及用E大的材料。大的材料。 塑性變形失效：塑性變形失效： 特征：特征：s、發(fā)生整體屈服。、發(fā)生整體屈服。 措施：選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺寸或降低應(yīng)力水平。措施：選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺寸或

2、降低應(yīng)力水平。 過量蠕變失效：過量蠕變失效： 特征：特征：T0.3Tm盡管盡管s時發(fā)生，時間累積過程。時發(fā)生，時間累積過程。 措施：選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。措施：選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。斷裂失效斷裂失效fracture failure） 韌斷：韌斷： 特征：特征：b ，先塑變后斷裂；原因為強度不足。，先塑變后斷裂；原因為強度不足。 措施：措施：；提高材料強度。；提高材料強度。 低應(yīng)力脆斷：低應(yīng)力脆斷： 特征：特征：s時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險，如鑄鐵拉伸時的斷裂；低溫、大截面零件以及應(yīng)力集中，最易發(fā)生。時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險，如鑄鐵拉伸時的斷裂；

3、低溫、大截面零件以及應(yīng)力集中，最易發(fā)生。 措施：提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應(yīng)力集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。措施：提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應(yīng)力集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。疲勞斷裂：疲勞斷裂： 特征：脆斷，無明顯塑變；特征：脆斷，無明顯塑變；ss，多次循環(huán)造成，如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺，多次循環(huán)造成，如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、刀痕等應(yīng)力集中處?？?、刀痕等應(yīng)力集中處。 措施：選材；設(shè)計改進(jìn)避免或減少應(yīng)力集中）；表面加工質(zhì)量；表面強化。措施：選材；設(shè)計改進(jìn)避免或減少應(yīng)力集中）；表面加工質(zhì)量；表面強化。蠕變斷裂：蠕變斷裂： 過量蠕變變形后發(fā)生高溫下，詳見第過量蠕變變形

4、后發(fā)生高溫下，詳見第1111章）。章）。 介質(zhì)加速斷裂：介質(zhì)加速斷裂： 應(yīng)力腐蝕等介質(zhì)應(yīng)力腐蝕等介質(zhì)+ +應(yīng)力的復(fù)合作用，詳見第應(yīng)力的復(fù)合作用，詳見第1212章）。章）。7. 2 零件設(shè)計中的材料選擇零件設(shè)計中的材料選擇（material selection in design of parts）7.2.1 選材三原則選材三原則three criteria of material selection）使用性能原則與選材基本步驟使用性能原則與選材基本步驟 使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和

5、化能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能表征。機械零件主要是力學(xué)性能。學(xué)性能表征。機械零件主要是力學(xué)性能。 幾種常見零件的力學(xué)性能要求：幾種常見零件的力學(xué)性能要求： 選材基本步驟：選材基本步驟：表表7-1 工藝性原則材料切削加工的影響因素）工藝性原則材料切削加工的影響因素）材料的切削加工性的影響因素：材料的切削加工性的影響因素： 材料類型、切削方法、切削速度、刀具與機床情況等。材料類型、切削方法、切削速度、刀具與機床情況等。材料硬度與其切削加工性的關(guān)系：材料硬度與其切削加工性的關(guān)系： 鋼鐵材料的合適硬度范圍鋼鐵材料的合適硬度范圍160230HB，組織尚有影響，組織尚有影響，如球

6、化組織的切削加工性優(yōu)于片層狀組織。如球化組織的切削加工性優(yōu)于片層狀組織。 措施與綜合結(jié)果：措施與綜合結(jié)果： 低、中碳鋼，鐵素體太軟且數(shù)量多；用正火增加珠光低、中碳鋼，鐵素體太軟且數(shù)量多；用正火增加珠光體量，體量，HB，切削性，切削性。 高碳鋼，片狀珠光體，易磨損刀具；用球化退火成粒高碳鋼，片狀珠光體，易磨損刀具；用球化退火成粒狀珠光體，切削性狀珠光體，切削性。 Al、Mg等有色金屬、石墨化鑄鐵，強度低且易切屑，等有色金屬、石墨化鑄鐵，強度低且易切屑，切削加工性甚好。切削加工性甚好。 大批量的強度要求不高的零件如標(biāo)準(zhǔn)件），可采用大批量的強度要求不高的零件如標(biāo)準(zhǔn)件），可采用易切削鋼。易切削鋼。 一

7、般鋼材淬、回火后磨削加工性較好，有色金屬太一般鋼材淬、回火后磨削加工性較好，有色金屬太軟等不佳。軟等不佳。 經(jīng)濟(jì)原則：要考慮多項成本。經(jīng)濟(jì)原則：要考慮多項成本。表表7-2表表7-3表表7-47.3 熱處理在零件加工工藝路線中的位置及熱處理在零件加工工藝路線中的位置及熱處理方案的選擇熱處理方案的選擇 兩方面問題：兩方面問題： 一是某種熱處理工藝與其它加工工序的相對次一是某種熱處理工藝與其它加工工序的相對次序工藝流程或工藝路線）。序工藝流程或工藝路線）。 二是如何根據(jù)目的、要求及所用材料正確選擇二是如何根據(jù)目的、要求及所用材料正確選擇合適的熱處理工藝。合適的熱處理工藝。 7.3.1 7.3.1 熱

8、處理在工藝路線中的位置熱處理在工藝路線中的位置熱處理在工藝路線中的位置的安排原則熱處理在工藝路線中的位置的安排原則 最終熱處理淬火、回火后硬度高一般安排在半精加工與最終的精加工磨削等之間。最終熱處理淬火、回火后硬度高一般安排在半精加工與最終的精加工磨削等之間。 最終熱處理可以進(jìn)行多次如多次回火等）。最終熱處理可以進(jìn)行多次如多次回火等）。 表面淬火屬最終熱處理，常采用預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)或正火保證心部性能。表面淬火屬最終熱處理，常采用預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)或正火保證心部性能。 滲碳或碳氮共滲后一般緊跟著淬火、回火；局部毋須滲碳者，可采取滲前鍍銅或滲后去除。滲碳或碳氮共滲后一般緊跟著淬火、回火；局部毋須滲碳者，

9、可采取滲前鍍銅或滲后去除。 某些薄層表面改性處理軟氮化、滲硫及其它涂層等后，不再進(jìn)行切削加工。某些薄層表面改性處理軟氮化、滲硫及其它涂層等后，不再進(jìn)行切削加工。 高精度零件等常需多次去應(yīng)力退火或回火時效處理或冷處理。高精度零件等常需多次去應(yīng)力退火或回火時效處理或冷處理。 熱處理在工藝路線中的位置熱處理在工藝路線中的位置表表7-57-5表表7-67-6表表7-7 7.3.4 7.3.4 有色金屬熱處理方案的選擇有色金屬熱處理方案的選擇 鋁合金常用工藝：鋁合金常用工藝： 均勻化退火：均勻化退火： 消除鑄造鋁合金的成分偏析及鑄造內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織、消除鑄造鋁合金的成分偏析及鑄造內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織、提高塑

10、性。提高塑性。 再結(jié)晶退火或去應(yīng)力退火：再結(jié)晶退火或去應(yīng)力退火： 變形后消除加工硬化或僅消除應(yīng)力較低溫度）。變形后消除加工硬化或僅消除應(yīng)力較低溫度）。 固溶、時效處理：固溶、時效處理： 獲得時效強化的效果。獲得時效強化的效果。 7.3.5 零件熱處理技術(shù)要求的標(biāo)注零件熱處理技術(shù)要求的標(biāo)注 是一個重要問題，它確定了使用性能及工藝路線。是一個重要問題，它確定了使用性能及工藝路線。由設(shè)計者完成。由設(shè)計者完成。 多以硬度多以硬度HRC、HBS作為力學(xué)性能的技術(shù)要求。作為力學(xué)性能的技術(shù)要求。 要給出合適的硬度要求范圍：要給出合適的硬度要求范圍：HRC35個單位，個單位，HBS3050個單位。個單位。 通

11、常要標(biāo)出達(dá)到硬度要求的熱處理工藝類型毋須工藝通常要標(biāo)出達(dá)到硬度要求的熱處理工藝類型毋須工藝細(xì)節(jié)）細(xì)節(jié)）: 如淬火、回火如淬火、回火5862HRC； 滲層滲層0.81.2mm）、淬火、回火）、淬火、回火6063 HRC； 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)220250 HBS。 硬度要求的數(shù)值應(yīng)與材料可能達(dá)到的硬度相一致，硬度要求的數(shù)值應(yīng)與材料可能達(dá)到的硬度相一致，鋼材主要考慮含碳量和淬透性。鋼材主要考慮含碳量和淬透性。 如如4545鋼，若要求鋼，若要求606063HRC63HRC（）；）； 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)505055HRC55HRC（）。）。 表面熱處理的硬化層要求類型表面熱處理的硬化層要求類型 、深度等）。、深度等）。 某

12、些特殊技術(shù)要求，如高速鋼淬火多有晶粒度級某些特殊技術(shù)要求，如高速鋼淬火多有晶粒度級別要求，軍械零件有強度、塑性、韌性等要求。別要求，軍械零件有強度、塑性、韌性等要求。 標(biāo)注位置及示例：標(biāo)注位置及示例： 7.4 變形開裂與熱處理結(jié)構(gòu)工藝性變形開裂與熱處理結(jié)構(gòu)工藝性熱處理尤其淬火的負(fù)面影響：熱處理尤其淬火的負(fù)面影響： 熱處理變形和開裂熱處理變形和開裂(熱處理應(yīng)力引起熱處理應(yīng)力引起)；表面氧化脫碳。；表面氧化脫碳。措施：措施： 從零件設(shè)計與制造和熱處理工藝兩方面。從零件設(shè)計與制造和熱處理工藝兩方面。7.4.1 減少零件熱處理變形和防止開裂的方法減少零件熱處理變形和防止開裂的方法（deformatio

13、n & crack）選材：選材： 針對性選用高淬透性的合金鋼、高合金鋼，替代碳鋼、針對性選用高淬透性的合金鋼、高合金鋼，替代碳鋼、低合金鋼。低合金鋼。 預(yù)留加工余量：預(yù)留加工余量： 找出變形規(guī)律、半精加工預(yù)留余量（變形量）。找出變形規(guī)律、半精加工預(yù)留余量（變形量）。 按變形規(guī)律調(diào)整切削加工尺寸。按變形規(guī)律調(diào)整切削加工尺寸。 合理安排工藝路線。合理安排工藝路線。 降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度( (以減低因局部應(yīng)力集中而淬火開以減低因局部應(yīng)力集中而淬火開 裂裂) )。 合理的鍛造和熱處理合理的鍛造和熱處理 ： 成分均勻化與合理纖維走向；合適的預(yù)先熱處理球化成分均勻化與合理纖維走向；

14、合適的預(yù)先熱處理球化退火和調(diào)質(zhì)要比正火有利）。退火和調(diào)質(zhì)要比正火有利）。 修改技術(shù)條件：修改技術(shù)條件： 適當(dāng)降低要求，以采用比較緩和的淬火介質(zhì)和工藝。適當(dāng)降低要求，以采用比較緩和的淬火介質(zhì)和工藝。 采用先進(jìn)設(shè)備：采用先進(jìn)設(shè)備： 可以高硬度狀態(tài)加工，如特種磨、電火花加工?？梢愿哂捕葼顟B(tài)加工，如特種磨、電火花加工。7.4.2 熱處理結(jié)構(gòu)工藝性零件機械設(shè)計零件的結(jié)構(gòu)、截面尺寸等時要考慮其 熱處理工藝性如何。考慮的主要方面： 零件的結(jié)構(gòu)要易于進(jìn)行熱處理如避免懸殊截面、盲孔等）,易于達(dá)到技術(shù)要求。 零件的結(jié)構(gòu)有利于減少變形、防止開裂。 零件的結(jié)構(gòu)不易發(fā)生早期失效，有較高壽命。 具體措施：具體措施： 避免尖角；避免厚薄懸殊。避免尖角；避免厚薄懸殊。 采用封閉和對稱結(jié)構(gòu)；采用組合結(jié)構(gòu)。采用封閉和對稱結(jié)構(gòu)；采用組合結(jié)構(gòu)。 合理布置孔洞位置；設(shè)置工藝