第十章 機(jī)械零件的選材與工藝分析

第十章機(jī)械零件的選材與工藝分析機(jī)械零件的失效分析機(jī)械零件選材的一般原則典型零件選材與工藝性分析第一節(jié)機(jī)械零件的失效分析一、失效的概念二、零件失效類型變形—彈、塑性變形。斷裂—脆、塑性，疲勞斷裂。表面損傷—磨損、腐蝕等。零件失效的原因—設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝、環(huán)境和使用維護(hù)機(jī)械零件在工作中要求各種載荷和介質(zhì)的作用，會造成機(jī)械零件在使用過程中發(fā)生尺寸、形狀和表面質(zhì)量的變化。這種變化超過允許值使機(jī)器達(dá)不到設(shè)計(jì)時效時即稱為零件失效。潘存云教授研制輪齒塑性變形潘存云教授研制齒輪輪齒折斷潘存云教授研制軸承內(nèi)圈破裂潘存云教授研制軸承外圈塑性變形零件失效的實(shí)例斷裂僅占5%腐蝕、磨損、疲勞破壞占74%潘存云教授研制齒面接觸疲勞潘存云教授研制軸瓦磨損失效統(tǒng)計(jì)：常見零件的工作條件和失效形式零件工作條件常見失效形式性能要求應(yīng)力

種類載荷

性質(zhì)受載

狀態(tài)螺栓拉、剪靜載--過量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性傳動軸彎、扭循環(huán)

沖擊軸頸

摩擦疲勞斷裂，過量變形

，軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動齒輪壓、彎循環(huán)

沖擊摩擦

振動斷齒，磨損，

疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限

，心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎交變

沖擊振動彈性失穩(wěn)，

疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比

，疲勞極限材料的選擇是一個比較復(fù)雜的決策問題。目前還沒有一種確定選材最佳方案的精確方法。它需要設(shè)計(jì)者熟悉零件的工作條件和失效形式，掌握有關(guān)的工程材料的理論及應(yīng)用知識、機(jī)械加工工藝知識以及較豐富的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。通過具體分析，進(jìn)行必要的試驗(yàn)和選材方案對比，最后確定合理的選材方案。對于成熟產(chǎn)品中相同類型的零件、通用和簡單零件，則大多數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)類比法來選擇材料。另外，零件的選擇一般需借助國家標(biāo)準(zhǔn)、部頒標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)手冊。第二節(jié)機(jī)械零件選材的一般原則第二節(jié)機(jī)械零件選材的一般原則一、選材的一般原則使用性原則工藝性原則經(jīng)濟(jì)性原則環(huán)保性原則設(shè)計(jì)選材時，主要考慮的三個方面零件的承載和工況對零件尺寸和重量的限制零件的重要程度使用性原則——首要原則具體地若零件主要滿足強(qiáng)度要求，且尺寸和重量又有所限制時選用強(qiáng)度較高的材料若零件尺寸主要滿足剛度要求時選用E值大的材料若零件的接觸應(yīng)力較高，如齒輪和滾動軸承選用可進(jìn)行表面強(qiáng)化的材料高溫下工作的零件選用耐熱材料在腐蝕介質(zhì)中的零件選用耐腐蝕的材料在強(qiáng)烈摩擦和沖擊性工作的零件選用耐磨的材料注意材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)中，若只有屈服強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等一個指標(biāo)作為選材的依據(jù)，在某種情況下不很合理當(dāng)減輕重量也是機(jī)械設(shè)計(jì)的主要要求時，則需采用綜合性能指標(biāo)對零件重量進(jìn)行評定如從減輕重量出發(fā)，σb/ρ（比強(qiáng)度）值越大越好對于有加速運(yùn)動的零件，由于慣性力與材料的密度成反比，它的重量指標(biāo)是密度的倒數(shù)

鋁合金的重量指標(biāo)為鋼的2倍，當(dāng)有加速要求時，鋁合金、一些非金屬材料和復(fù)合材料則為最合適的材料，活塞和高速帶輪等常為鋁合金等材料制造40鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能

熱處理?xiàng)l件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340實(shí)際設(shè)計(jì)時根據(jù)零件的工作條件，分析計(jì)算或測定出力學(xué)性能指標(biāo)后，可借助手冊選材，但必須考慮一定的安全系數(shù)借助手冊選材注意事項(xiàng)注意手冊中數(shù)據(jù)的測定條件材料的尺寸效應(yīng)材料成分的波動零件的加工工藝路線一般零件毛坯→正火或退火→切削加工軸、齒輪等毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火＋回火，時效，滲C等）→精加工精密絲杠毛坯→預(yù)先熱處理→粗加工→最終熱處理→半精加工→時效（或N化）→精加工→時效工藝性能——鑄、鍛、焊、機(jī)加工、熱處理工藝性原則１.產(chǎn)品成本分析經(jīng)濟(jì)性原則——根本原則基本材料的成本（價格、利用率）

——占總成本的30%~70%制造（加工）成本——約占零件成本的30%加工成本=工具與設(shè)備費(fèi)用+每件產(chǎn)品成本×生產(chǎn)批量材料元/kg材料元/kg鉑290,000Zn34金160,000鋁21銀3,50040Cr3.7鈦200碳鋼3.3銅68生鐵2.3

——貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過程1.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2.能源消耗少

可用年數(shù)再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493.環(huán)境污染小廢氣排放少材料回收及降解環(huán)保性原則第二節(jié)機(jī)械零件選材的一般原則二、選材的步驟分析零件的服役條件和失效形式，根據(jù)分析結(jié)果提出零件最關(guān)鍵的性能要求，同時考慮其他性能要求對同類零件的用材情況和失效形式進(jìn)行調(diào)查研究，從其使用性能、原材料狀況和加工工藝等方面分析其選材是否合理，以便作為選材時的參考通過分析計(jì)算，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能判據(jù)，在特定條件下還要考慮物理、化學(xué)性能判據(jù)在以上工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行材料的預(yù)選擇對預(yù)選擇的材料進(jìn)行工藝性和經(jīng)濟(jì)性分析后，進(jìn)行綜合評價必要時，對于重要零件可在投產(chǎn)前進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，檢驗(yàn)所選材料和熱處理方法能否滿足所設(shè)計(jì)的性能要求，零件加工過程可順暢。試驗(yàn)結(jié)果基本滿意后，可進(jìn)行正式投產(chǎn)第三節(jié)典型零件的選材與工藝性分析一、工程材料的主要特性及使用概況金屬材料：具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能的材料，廣泛用于制造各種重要的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件（機(jī)械工程中最主要的結(jié)構(gòu)材料）高分子材料：強(qiáng)度、剛度（彈性模量）低，尺寸穩(wěn)定性較差，易老化，工程上還不能用于制造承受載荷較大的結(jié)構(gòu)零件，一些輕載傳動齒輪、軸承、緊固件及各種密封件等陶瓷材料：室溫幾乎沒有塑性，容易脆斷，一般不用于制造重要受力構(gòu)件，化學(xué)穩(wěn)定性好，具有紅硬性，用于制造高溫工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件復(fù)合材料：綜合多種不同材料的優(yōu)良性能，如強(qiáng)度、彈性模量高，抗疲勞、減摩、耐磨、減振性能好，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，機(jī)具發(fā)展前途1.軸類零件的選材性能要求：軸類零件起支撐傳動零件和傳遞扭矩的作用，還承受交變載荷和扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷，某些情況下還受到?jīng)_擊作用，軸頸尚需耐磨。失效形式：疲勞斷裂和軸頸處的過量磨損失效，腐蝕磨損失效，沖擊過載造成的斷裂失效等。選材：碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素結(jié)構(gòu)鋼，35CrMo、40Cr、40CrNi合金調(diào)質(zhì)鋼。二、選材實(shí)例實(shí)例1、C620機(jī)床主軸選材性能要求——強(qiáng)度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。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。銑床（中載）主軸40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機(jī)床（重載）主軸20CrMnTi，經(jīng)滲C、淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸38CrMoAl，調(diào)質(zhì)+氮化+時效C620車床主軸，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。性能指標(biāo)——硬度220～250HB，軸頸52HRC。選材——45鋼，整體硬度220～250HB，軸頸表面淬火硬度52~57HRC。熱處理工藝——840℃水淬+600℃回火(水或油冷）

+軸頸高頻淬火+200℃回火最終組織——心部：回火S軸頸表面：回火M

工藝路線——下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→表面淬火＋低溫回火→磨削→零件常用機(jī)床主軸選用的材料及熱處理方法實(shí)例2、內(nèi)燃機(jī)曲軸選材及熱處理工藝擬定175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸

性能要求——強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸耐磨性。選材—調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實(shí)例—175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸性能指標(biāo)—σb>650MPa，整體硬度220～260HBS，軸頸表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,AK≥15J。選材—鍛鋼曲軸（優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼）鑄造曲軸（球墨鑄鐵）鍛鋼曲軸：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等鑄造曲軸：QT700-2。鍛鋼曲軸的熱處理工藝：下料→鍛造→正火→矯直→粗加工→去應(yīng)力退火→調(diào)質(zhì)→半精加工→局部表面淬火+低溫回火→矯直→精磨→零件鑄造曲軸的工藝路線：鑄造→高溫正火→高溫回火→矯直→切削加工→去應(yīng)力退火→軸頸氣體滲氮（碳氮共滲）→矯直→精加工→零件2.齒輪零件的選材性能要求：齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度，耐磨性），強(qiáng)度，韌性。失效形式：輪齒折斷（主要發(fā)生在齒的根部和中部），齒面損傷（包括麻點(diǎn)和較大摩擦力造成的過度磨損）選材：調(diào)質(zhì)鋼→最終熱處理：調(diào)質(zhì)+表面淬火+