第八章機械零件的失效與選材mme08

1、8.18.1 機械零件的失效及失效分析機械零件的失效及失效分析8.28.2 零件失效形式零件失效形式 8.3 8.3 機械零件的選材原則機械零件的選材原則 8.4 8.4 不同失效形式的選材分析不同失效形式的選材分析第八章第八章 機械零件的失效與選材機械零件的失效與選材8.1 8.1 機械零件的失效及失效分析機械零件的失效及失效分析 失效失效 零件由于某種原因，導致其尺寸零件由于某種原因，導致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化、形狀、或材料的組織與性能發(fā)生變化而不能完滿地完成指定的功能。而不能完滿地完成指定的功能。8.1.1 8.1.1 失效的分類失效的分類 通常按失效模式和其相應的失效

2、機理分類。通常按失效模式和其相應的失效機理分類。 失效模式失效模式 失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律。失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律。 失效機理失效機理 引起失效的微觀物理、化學變化過程引起失效的微觀物理、化學變化過程。失效模式和失效機理相結(jié)合，宏觀和微觀相結(jié)合。失效模式和失效機理相結(jié)合，宏觀和微觀相結(jié)合、由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)。、由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)。 機械零件最常見的失效模式及其失效機理見下表。 8.1.2 8.1.2 失效的基本因素失效的基本因素 一、設計因素 -為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須精心設計，精心施工。根據(jù)零件在特定工況、結(jié)構(gòu)和環(huán)境等條件下可能發(fā)生的失效模式，建立給定條件下正常工作的準

3、則，確定合適的材質(zhì)、尺寸、結(jié)構(gòu)，提出必要的技術(shù)文件。技術(shù)文件設備圖紙和設計計算說明書。如設計有誤,則機械設備或零件將不能使用或過早失效。 二、制造(工藝)因素-工藝缺陷往往是使零件達不到設計要求而導致失效的重要因素。 零件在鑄造過程中產(chǎn)生的疏松、夾渣； 鍛造過程中產(chǎn)生的夾層、冷熱裂紋； 焊接過程中未焊透、偏析、冷熱裂紋； 機加工過程的尺寸公差和表面粗糙度不合適； 熱處理產(chǎn)生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性； 精加工磨削中的磨削裂紋等。 三、安裝調(diào)試因素 安裝過程達不到所要求的質(zhì)量指標，導致零件失效。 嚙合傳動件嚙合傳動件( (齒輪、桿、螺旋等齒輪、桿、螺旋等) )的間隙不合適的間隙不合適(

4、(過過松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好松或過緊，接觸狀態(tài)未調(diào)整好) )； 連接零件必要的連接零件必要的“防松防松”不可靠；不可靠； 鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良；鉚焊結(jié)構(gòu)的必要探傷檢驗不良； 潤滑與密封裝置不良等；潤滑與密封裝置不良等； 初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。初步安裝調(diào)試后，未按規(guī)定進行逐級加載跑合。 四、材質(zhì)因素 選材不當使零件達不到設計要求而導致失效。選材不當使零件達不到設計要求而導致失效。 材質(zhì)內(nèi)部缺陷、毛坯加工材質(zhì)內(nèi)部缺陷、毛坯加工( (鑄鍛焊鑄鍛焊) )工藝或冷熱工藝或冷熱加工加工( (特別是熱處理特別是熱處理) )工藝過程產(chǎn)生的材料內(nèi)部缺工藝過程產(chǎn)生的材料內(nèi)部缺陷導致失

5、效。陷導致失效。 五、運轉(zhuǎn)維修因素不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導致零件失效。不正確的運轉(zhuǎn)參數(shù)、忽視維修，導致零件失效。 運轉(zhuǎn)工況參數(shù)運轉(zhuǎn)工況參數(shù)( (載荷、速度等載荷、速度等) )的監(jiān)控是否準確；的監(jiān)控是否準確； 定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行；定期大、中、小檢修的制度是否合理、執(zhí)行；潤滑條件是否保證潤滑條件是否保證, , 潤滑劑和潤滑方法是否選得合適潤滑劑和潤滑方法是否選得合適，潤滑裝置冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。，潤滑裝置冷卻、加熱和過濾系統(tǒng)功能是否正常。 8.28.2 零件失效形式零件失效形式 8.2.1 8.2.1 畸變失效畸變失效 -畸變畸變 指在某種程度上減指在某種程

6、度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。弱了零件規(guī)定功能的變形。 畸變有兩種基本類型：尺寸畸變或體積畸變畸變有兩種基本類型：尺寸畸變或體積畸變( (長大或長大或縮小縮小) )、形狀畸變、形狀畸變( (如彎曲或翹曲如彎曲或翹曲) )。 受軸向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形受軸向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形 軸的彎曲軸的彎曲 殼體的翹曲變形殼體的翹曲變形 -發(fā)生畸變失效的零件發(fā)生畸變失效的零件不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用不能承受所規(guī)定載荷，不能起到規(guī)定的作用，與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。，與其他零件的運轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。 一、彈性畸變失效 彈性畸變的變形量是在彈性范圍內(nèi)變化，不恰當?shù)淖冃瘟繉е率А?拉

7、、壓變形的桿、柱類零件，過大的彈性畸變量導致支承件(如軸承)過載，機械因喪失尺寸精度造成動作失誤。 彎、扭變形的軸類零件，過大的彈性畸變量會造成軸上嚙合零件的嚴重偏載，嚙合失常。如軸承的嚴重偏載，甚至咬死，導致傳動失效； 某些控制元件，如溫控元件，予定的彈性變形(撓度)是溫控裝置的精度的保證。 影響彈性畸變的主要因素有：零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、載荷的大小。 二、塑性畸變失效 外加應力超過零件材料的屈服極限時發(fā)生明顯的塑性變形 (永久變形)。 鋼結(jié)構(gòu)房梁承載過重發(fā)生塑性變形彎曲，導致倒塌；鋼結(jié)構(gòu)房梁承載過重發(fā)生塑性變形彎曲，導致倒塌； 齒輪嚴重過載下運行，齒面出現(xiàn)鱗皺、起

8、脊等塑齒輪嚴重過載下運行，齒面出現(xiàn)鱗皺、起脊等塑性畸變，導致齒輪失效；性畸變，導致齒輪失效； 螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。螺栓嚴重過載被拉長，失去緊固作用。 引起零件塑性畸變的因素，除在彈性畸變中所述有關(guān)引起零件塑性畸變的因素，除在彈性畸變中所述有關(guān)影響因素外，常見的還有材質(zhì)缺陷、使用不當、設計影響因素外，常見的還有材質(zhì)缺陷、使用不當、設計有誤等，特別是熱處理不良更為突出，實際上往往是有誤等，特別是熱處理不良更為突出，實際上往往是多種因素的綜合結(jié)果。多種因素的綜合結(jié)果。 三、翹曲畸變失效 尺寸與方向上產(chǎn)生復雜變形，形成翹曲，導致失效。 翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等

9、不均勻性引起。其中以溫度變化，特別是高溫所導致的形狀翹曲最為嚴重。 受力鋼架翹曲變形；受力鋼架翹曲變形； 殼體在高溫下形狀翹曲。殼體在高溫下形狀翹曲。 8.2.2 8.2.2 斷裂失效斷裂失效 一、斷裂失效的分類一、斷裂失效的分類 塑性斷裂塑性斷裂 、脆性斷裂、脆性斷裂 、疲勞斷裂、疲勞斷裂 、蠕變、蠕變失效斷裂失效斷裂 機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。機械零件因斷裂而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。 二、斷口的分析方法二、斷口的分析方法 斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效分析斷口分析是斷裂失效分析的關(guān)鍵，是斷裂失效分析的向?qū)В敢龜嗔咽Х治錾僮邚澛?。的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路?/p>

10、 例：金屬材料的室溫拉伸或沖例：金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到斷口分為：看到斷口分為： 三、斷裂形式的特征 1. 1. 韌（塑）性斷裂的特征韌（塑）性斷裂的特征 (1) (1) 宏觀特征宏觀特征 -宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成伸軸大致成4545 角。角。 (2) (2) 微觀特征微觀特征 -蛇形滑移和延伸，間距不等、短而蛇形滑移和延伸，間距不等、短而且平行、不連續(xù)的條紋韌窩，大小相當于顯微空洞且平行、不連續(xù)的條紋韌窩，

11、大小相當于顯微空洞裂紋的一半。裂紋的一半。 2. 脆性斷裂的特征 脆斷時承受的工作應力較低，通常不超過材料的屈服強度，甚至不超過常規(guī)的許用應力，所以又稱為低應力脆斷。脆性斷裂以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見的0.1 mm 1 mm)作為源開始的。宏觀裂紋可以是在生產(chǎn)工藝過程中產(chǎn)生，還可能是由于疲勞或應力腐蝕而產(chǎn)生。中、低強度鋼在10 15 以下會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)（韌-脆轉(zhuǎn)變）。 (1) (1) 宏觀特征宏觀特征-在斷裂前沒有可以觀察到的塑性變形，斷口一般與正應力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口”(或很小)。 (2) 微觀特征 脆性斷裂的微觀判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)。

12、因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂叫解理因原子間結(jié)合鍵的破壞而造成的穿晶斷裂叫解理斷裂。斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是斷裂。斷裂速度快，一般鋼中的解理速度大約是1030 m/s1030 m/s，在低溫和三向應力狀態(tài)時更快；沿，在低溫和三向應力狀態(tài)時更快；沿著特定的晶面著特定的晶面( (稱為解理面稱為解理面) )發(fā)生，這些晶面一般發(fā)生，這些晶面一般是屬于低指數(shù)的。是屬于低指數(shù)的。 3. 其它斷裂失效形式 (1) 疲勞斷裂 -在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋導致發(fā)生斷裂的過程稱金屬的疲勞斷裂。 (2) 蠕變斷裂-在高溫下鋼的強度較低，當

13、受一定應力作用時，變形量隨時間而逐漸增大的過程，這種過程叫蠕變，產(chǎn)生的斷裂叫做蠕變斷裂。 空氣壓縮機工作時，皮帶輪內(nèi)三根輻條受到彎矩和剪切力的聯(lián)合作用，并且承受強烈震動，產(chǎn)生疲勞裂紋。疲勞裂紋擴展使輻條斷裂。連接在輪轂上的輻條殘余部分將連接外緣的輻條部分撞斷。撞擊邊緣，使邊緣破損。皮帶輪破斷后，空氣壓縮機停止工作，造成客車氣壓不足、剎車失靈。最終造成重大交通事故。 8.2.3 8.2.3 磨損失效磨損失效 磨損磨損 相互接觸的一對金屬表面，相對運動時相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象。 一、磨損失效的基本類型一、磨損失效的基本

14、類型 1. 1. 粘著磨損粘著磨損 -兩個金屬表面兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)局部粘結(jié)( (固相粘著固相粘著) )，使材料，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。 2. 2. 磨料磨損磨料磨損 配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被顆粒或表面微突體的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒( (料料) )磨損。磨損。

15、3.犁削磨損 硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成在較軟材料的表面形成“犁溝犁溝”。 -活塞環(huán)活塞環(huán)與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象與缸套存在粘著磨損、犁削磨損（拉缸現(xiàn)象）、磨料磨損。）、磨料磨損。 4. 表面疲勞磨損 兩個接觸面作滾動或滾動滑動復合磨擦時，在交變接觸壓應力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。 5. 5. 沖刷磨損沖刷磨損 -沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體體( (常為液體常為液體) )沖刷造成表面材料損失的磨損。沖刷造成表面材料損失的磨損。 6. 腐蝕磨損 腐蝕

16、磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應，產(chǎn)生表層金屬介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。的損失或遷移現(xiàn)象。 二、影響磨損失效的基本因素二、影響磨損失效的基本因素 1. 1. 摩擦副材質(zhì)摩擦副材質(zhì) -材料副的互溶性，相同金屬、晶格材料副的互溶性，相同金屬、晶格類型、原子間距、電子密度、電化學性能相近的材料類型、原子間距、電子密度、電化學性能相近的材料副互溶性大，易于粘著而導致粘著磨損失效。金屬與副互溶性大，易于粘著而導致粘著磨損失效。金屬與非金屬非金屬( (如塑料、石墨等如塑料、石墨等) )，互溶性小，粘著傾向小。，互

17、溶性小，粘著傾向小。材料副的表面強化處理提高耐磨性。材料表層組織和材料副的表面強化處理提高耐磨性。材料表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂紋，過高的裝配應力等都將使各種磨損加劇。紋，過高的裝配應力等都將使各種磨損加劇。 2. 工況參數(shù) 包括接觸應力、滑動距離和滑動速度、溫度、介質(zhì)條件與潤滑等。 提示：提示： 合理的表面強化處理可以減少磨合理的表面強化處理可以減少磨損。一是改變組織結(jié)構(gòu)，二是適度提高硬損。一是改變組織結(jié)構(gòu)，二是適度提高硬度。表面強化處理有利于降低磨料磨損、度。表面強化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等

18、的磨損率。表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。 8.2.4 8.2.4 腐蝕失效腐蝕失效 一、均勻腐蝕 - 在整個金屬的表面均勻地發(fā)生腐蝕。腐蝕均勻性的前提是：被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學成分和顯微組織，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻而且不受限制。均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。 鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕； 銅在土壤里的銹蝕。 腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學和電面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學和電化學作用的結(jié)果?；瘜W作用的結(jié)果。 二、點腐蝕 金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，

19、其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。 腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，向深度擴展成孔穴甚至穿透甚至穿透( (孔蝕孔蝕) )。 三、晶間腐蝕 腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學成分不均勻。 腐蝕失效舉例 -（汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕（汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效分析）失效分析） 彈簧材料為碳素彈簧鋼。長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。閥

20、芯失去密封作用。使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈，造成嚴重事故。 8.3 8.3 機械零件選材原則機械零件選材原則 8.3.1 8.3.1 使用性能原則使用性能原則 一、機械零件正確選材的使用性能原則一、機械零件正確選材的使用性能原則 使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應該具有使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應該具有的機械性能、物理性能和化學性能的機械性能、物理性能和化學性能。機器零件和工程構(gòu)件，則主要是。機器零件和工程構(gòu)件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學性能。料的物理、化學

21、性能。 材料的使用性能應滿足使用要求。材料的使用性能應滿足使用要求。 二、零件使用時的工作條件 （1）受力狀況 -主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大?。惠d荷的形式；載荷的特點等。 （2）環(huán)境狀況 -主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。 （3）特殊要求 -如對導電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。 三、零件根據(jù)使用性能選材的步驟三、零件根據(jù)使用性能選材的步驟 對零件工作條件和失效形式全面分析，確定零件對使用性能的要求； 根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應力分布； 由工作應力、使用壽命、安全性等，確定要求性能的具體數(shù)值； 利用材料手冊根據(jù)使用性能選

22、材。 . .零件的工作條件和失效形式零件的工作條件和失效形式 零件失效類型零件失效類型 變形變形 彈、塑性變形。彈、塑性變形。 斷裂斷裂 脆、塑性，疲勞斷裂。脆、塑性，疲勞斷裂。 表面損傷表面損傷 磨損、腐蝕等。磨損、腐蝕等。 零件零件工作條件工作條件常見失效形式常見失效形式性能要求性能要求應力應力種類種類載荷載荷性質(zhì)性質(zhì)受載受載狀態(tài)狀態(tài)螺栓螺栓拉、剪拉、剪靜載靜載-過量變形，斷裂過量變形，斷裂強度，塑性強度，塑性傳動軸傳動軸彎、扭彎、扭循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊軸頸軸頸摩擦摩擦疲勞斷裂，過量變形疲勞斷裂，過量變形，軸頸磨損，軸頸磨損綜合力學性能綜合力學性能傳動齒輪傳動齒輪壓、彎壓、彎循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊摩

23、擦摩擦振動振動斷齒，磨損，斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限表面高硬度及疲勞極限，心部強度及韌性，心部強度及韌性彈簧彈簧扭、彎扭、彎交變交變沖擊沖擊振動振動彈性失穩(wěn)，彈性失穩(wěn)，疲勞破壞疲勞破壞彈性極限，屈強比彈性極限，屈強比，疲勞極限，疲勞極限零件失效的原因零件失效的原因 設計、材料、加工、安裝和使用。設計、材料、加工、安裝和使用。.工作環(huán)境工作環(huán)境 溫度，介質(zhì)（如腐蝕，摩擦）。溫度，介質(zhì)（如腐蝕，摩擦）。.特殊功能要求特殊功能要求 導電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀導電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。等。.性能要求的指標化性能要求的指標化 如強硬度、塑韌性

24、等的具體數(shù)值。如強硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。手冊數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式的局限性手冊數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式的局限性 力學性能與零件尺寸有關(guān)力學性能與零件尺寸有關(guān)40鋼不同尺寸毛坯的力學性能鋼不同尺寸毛坯的力學性能 熱處理條件熱處理條件毛坯尺寸毛坯尺寸/ /mmmmb /MPa/ %AKU/J850淬火淬火580016120307501580500回火回火5070015561006001340零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊零件所要求的機械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊、書本中所給出的數(shù)據(jù)完全相同，必須注意以下、書本中所給出的數(shù)據(jù)完全相同，必須注意以下情況：情況： 材料的性能不單與化學成分有關(guān)，也與加工、處

25、理后的狀態(tài)有關(guān)。 材料的性能與試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進行適當?shù)男拚?材料的化學成分、加工處理的工藝參數(shù)都有一定波動范圍。 8.3.2 8.3.2 工藝性能原則工藝性能原則 鑄、鍛、焊、機加鑄、鍛、焊、機加工、熱處理工、熱處理零件的加工工藝路線零件的加工工藝路線一般零件一般零件 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工軸、齒輪軸、齒輪 等等毛坯毛坯 預先熱處理（正火、退火）預先熱處理（正火、退火） 粗加工粗加工 最終熱處理（淬火最終熱處理（淬火回火，時效，滲回火，時效，滲C等）等）精加精加工工精密絲杠精密絲杠毛坯毛坯 預先熱處理預先熱處理 粗加工粗加工

26、 最終熱處理最終熱處理 半精加工半精加工時效（或時效（或 N化）化） 精加工精加工 時效時效1 1、高分子材料零件選材的工藝性能原則、高分子材料零件選材的工藝性能原則 高分子材料成形容易，方法較多。高分子材高分子材料成形容易，方法較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。不過它的導熱性差，在切削過程中不易散熱不過它的導熱性差，在切削過程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，使其變焦，易使工件溫度急劇升高，使其變焦( (熱固性熱固性塑料塑料) )或變軟或變軟( (熱塑性塑料熱塑性塑料) )。 2、陶瓷材料零件選材的工藝性能原則 陶瓷材料加工的工藝路線比

27、較簡單，主要工陶瓷材料加工的工藝路線比較簡單，主要工藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、藝是成形，其中包括粉漿成形、壓制成形、擠壓成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，擠壓成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外，幾乎不能進行任何其它加工。乎不能進行任何其它加工。 三、金屬材料零件選材的工藝性能原則三、金屬材料零件選材的工藝性能原則 金屬材料加工的工藝路線復雜，變化多金屬材料加工的工藝路線復雜，變化多。加工工藝不僅影響零件的成形，還大。加工工藝不僅影響零件的成形，還大大影響其最終性能。大影響其最終性能。 8.3.3 8.3.3 經(jīng)

28、濟性原則經(jīng)濟性原則 根本原則根本原則. .產(chǎn)品成本分析產(chǎn)品成本分析基本材料的成本（價格、利用率）基本材料的成本（價格、利用率） 占總成本的占總成本的3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 約占零件成本的約占零件成本的30%加工成本加工成本 = 工具與設備費用工具與設備費用 + 每件產(chǎn)品成本每件產(chǎn)品成本 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量材材 料料美元美元 / t材材 料料美元美元 / t鉑鉑26,000,000工業(yè)金剛石工業(yè)金剛石900,000,000金金19,100,000硼硼環(huán)氧樹脂復合材料環(huán)氧樹脂復合材料330,000鎢鎢26,000碳纖維復材料碳纖維復材料200,000鈦合金鈦合金10,19012,

29、720 玻璃纖維復合材料玻璃纖維復合材料24003300 黃銅（型材）黃銅（型材）16502336 尼龍尼龍663289鋁合金（型材）鋁合金（型材）20002440 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂1650低碳鋼（型材）低碳鋼（型材）440480 天然橡膠天然橡膠1430鑄鐵鑄鐵260氧化鋁氧化鋁1100-1760硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金66,000玻璃玻璃1500 一、材料的價格 -零件材料的價格無疑應該盡量低。材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比率，一般可占產(chǎn)品價格的30%70%，因此設計人員要十分關(guān)心材料的市場價格。 二、零件的總成本-零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。零件的總成本與其使用壽命、

30、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關(guān)。三、環(huán)境與資源原則三、環(huán)境與資源原則 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程.減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。重要金屬的世界儲量重要金屬的世界儲量 .環(huán)境污染小環(huán)境污染小廢氣排放少廢氣排放少材料回收及降解材料回收及降解儲量（儲量（10106t）可用年數(shù)可用年數(shù)再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751提示提示 正確選材是機械設計

31、的一項重要任務。正確選材是機械設計的一項重要任務。 材料的使用性能應滿足使用要求；材料的工藝性能應滿足生產(chǎn)工藝的要求；采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟效益。 典型零件的選材與工藝典型零件的選材與工藝一、齒輪選材一、齒輪選材性能要求性能要求 齒面硬度（決定齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強度，耐磨性彎曲、接觸疲勞強度，耐磨性）強度，韌性。強度，韌性。 選材選材調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) + 表面淬火表面淬火 + 低溫回火低溫回火 滲滲C鋼鋼 硬度、韌性高。硬度、韌性高。實例實例 載重汽車變速箱齒輪載重汽車變速箱齒輪性能指標性能指標 b1000MPa，aKU250J ，齒面硬度齒面硬度HR

32、C55 。選材選材 20CrMnTi，b 1080MPa ， aKU2 55J，齒面齒面HRC5863。最終熱處理工藝最終熱處理工藝930滲滲C+預冷預冷830油淬油淬+200回火回火最終組織最終組織心部：回火心部：回火M+F齒面：回火齒面：回火M+碳化物碳化物+A工藝路線工藝路線鍛造鍛造正火正火機加工機加工滲滲C、淬火低溫回火淬火低溫回火噴丸噴丸磨削磨削二、機床主軸選材二、機床主軸選材性能要求性能要求 強度、塑韌性，疲勞強度，軸頸耐磨性強度、塑韌性，疲勞強度，軸頸耐磨性。普通車床（輕載）主軸普通車床（輕載）主軸 45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）

33、主軸銑床（中載）主軸 40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機床（重載）主軸組合機床（重載）主軸 20CrMnTi ，經(jīng)滲經(jīng)滲C、淬火、回火處理。淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸精密鏜床（高精度）主軸 38CrMoAl，調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) + N化化 + 時效。時效。實例實例 C620車床主軸，綜合機械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。車床主軸，綜合機械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。 性能指標性能指標 硬度硬度220250HB，軸頸軸頸52HRC 。選材選材 45鋼鋼熱處理工藝熱處理工藝 830水淬水淬 + 500回火回火 + 軸頸高頻淬火軸頸高頻淬火 + 200回火

34、回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火S軸頸表面：回火軸頸表面：回火M 工藝路線工藝路線鍛造鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工表面淬火低溫回火表面淬火低溫回火磨削磨削三、內(nèi)燃機曲軸選材三、內(nèi)燃機曲軸選材性能要求性能要求 強度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度和剛度，軸頸耐磨性。強度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度和剛度，軸頸耐磨性。選材選材 調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實例實例 175A型農(nóng)用柴油機曲軸型農(nóng)用柴油機曲軸性能指標性能指標 b750MPa，整體硬度整體硬度240260HBS，軸頸表面硬度軸頸表面硬度625HV(HRC55),2%,aKU150kJ/m2。

35、選材選材 QT700-2熱處理工藝熱處理工藝880920正火正火 +500600回火回火 +軸頸軸頸 N化化最終組織最終組織P+G+ 少量少量F 工藝路線工藝路線鑄造鑄造高溫正火高溫正火高溫回火高溫回火機加工機加工軸頸軸頸 N化化小結(jié)小結(jié)重點要求重點要求在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。一般要求一般要求 1. 1. 選材原則選材原則 材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性。材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性。 2. 2. 典型零件的加工工藝路線。典型零件的加工工藝路線。 3. 3. 零件失效的概念。零件失效的概念。本章是

36、本課程的綜合及實際應用本章是本課程的綜合及實際應用滲滲C鋼鋼的牌號（摘自的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲滲C C: 930，回火：回火：200 ）p172主主 要要 化化 學學 成成 分分,%預備處理預備處理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30850油油880 870油油鋼號鋼號20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20C

37、r2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空880 780油油機械性能機械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863backback調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼的牌號（摘自的牌號（摘自GB/T30771999） p174淬淬透透性性鋼號鋼號主主 要要 成成 分分, ,%淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr0.81.10850油油500水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400.400.70Cr0.81.10850油油550水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al0.71.1Cr1.351.65940水，