第7章 工程设计制造和材料选择ppt课件

1、 退出退出 7.1.2 失效的形式与对策失效的形式与对策过量变形失效过量变形失效excessive deformation failure） 过量弹性变形失效：过量弹性变形失效： 特征：特征：e过大过大e=/E）,带来一系后果如镗杆的带来一系后果如镗杆的“让刀让刀”）。）。 措施：提高零件刚度，具体办法为改变零件几何，加大尺寸及用措施：提高零件刚度，具体办法为改变零件几何，加大尺寸及用E大的材料。大的材料。 塑性变形失效：塑性变形失效： 特征：特征：s、发生整体屈服。、发生整体屈服。 措施：选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或降低应力水平。措施：选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或

2、降低应力水平。 过量蠕变失效：过量蠕变失效： 特征：特征：T0.3Tm尽管尽管s时发生，时间累积过程。时发生，时间累积过程。 措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。断裂失效断裂失效fracture failure） 韧断：韧断： 特征：特征：b ，先塑变后断裂；原因为强度不足。，先塑变后断裂；原因为强度不足。 措施：措施：；提高材料强度。；提高材料强度。 低应力脆断：低应力脆断： 特征：特征：s时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；低温、大截面零件以及应力集中，最易发生。时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；

3、低温、大截面零件以及应力集中，最易发生。 措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。疲劳断裂：疲劳断裂： 特征：脆断，无明显塑变；特征：脆断，无明显塑变；ss，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、刀痕等应力集中处。口、刀痕等应力集中处。 措施：选材；设计改进避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。措施：选材；设计改进避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。蠕变断裂：蠕变断裂： 过量蠕变变形后发生高温下，详见第过量蠕变变形

4、后发生高温下，详见第1111章）。章）。 介质加速断裂：介质加速断裂： 应力腐蚀等介质应力腐蚀等介质+ +应力的复合作用，详见第应力的复合作用，详见第1212章）。章）。7. 2 零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择（material selection in design of parts）7.2.1 选材三原则选材三原则three criteria of material selection）使用性能原则与选材基本步骤使用性能原则与选材基本步骤 使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和

5、化能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。学性能表征。机械零件主要是力学性能。 几种常见零件的力学性能要求：几种常见零件的力学性能要求： 选材基本步骤：选材基本步骤：表表7-1 工艺性原则材料切削加工的影响因素）工艺性原则材料切削加工的影响因素）材料的切削加工性的影响因素：材料的切削加工性的影响因素： 材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。材料硬度与其切削加工性的关系：材料硬度与其切削加工性的关系： 钢铁材料的合适硬度范围钢铁材料的合适硬度范围160230HB，组织尚有影响，组织尚有影响，如球

6、化组织的切削加工性优于片层状组织。如球化组织的切削加工性优于片层状组织。 措施与综合结果：措施与综合结果： 低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，体量，HB，切削性，切削性。 高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状珠光体，切削性状珠光体，切削性。 Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。切削加工性甚好。 大批量的强度要求不高的零件如标准件），可采用大批量的强度要求不高的零件如标准件），可采用易切削钢。易切削钢。 一

7、般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属太一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属太软等不佳。软等不佳。 经济原则：要考虑多项成本。经济原则：要考虑多项成本。表表7-2表表7-3表表7-47.3 热处理在零件加工工艺路线中的位置及热处理在零件加工工艺路线中的位置及热处理方案的选择热处理方案的选择 两方面问题：两方面问题： 一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序工艺流程或工艺路线）。序工艺流程或工艺路线）。 二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合适的热处理工艺。合适的热处理工艺。 7.3.1 7.3.1 热

8、处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置的安排原则热处理在工艺路线中的位置的安排原则 最终热处理淬火、回火后硬度高一般安排在半精加工与最终的精加工磨削等之间。最终热处理淬火、回火后硬度高一般安排在半精加工与最终的精加工磨削等之间。 最终热处理可以进行多次如多次回火等）。最终热处理可以进行多次如多次回火等）。 表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理调质或正火保证心部性能。表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理调质或正火保证心部性能。 渗碳或碳氮共渗后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。渗碳或碳氮共渗后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，

9、可采取渗前镀铜或渗后去除。 某些薄层表面改性处理软氮化、渗硫及其它涂层等后，不再进行切削加工。某些薄层表面改性处理软氮化、渗硫及其它涂层等后，不再进行切削加工。 高精度零件等常需多次去应力退火或回火时效处理或冷处理。高精度零件等常需多次去应力退火或回火时效处理或冷处理。 热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置表表7-57-5表表7-67-6表表7-7 7.3.4 7.3.4 有色金属热处理方案的选择有色金属热处理方案的选择 铝合金常用工艺：铝合金常用工艺： 均匀化退火：均匀化退火： 消除铸造铝合金的成分偏析及铸造内应力，稳定组织、消除铸造铝合金的成分偏析及铸造内应力，稳定组织、提高塑

10、性。提高塑性。 再结晶退火或去应力退火：再结晶退火或去应力退火： 变形后消除加工硬化或仅消除应力较低温度）。变形后消除加工硬化或仅消除应力较低温度）。 固溶、时效处理：固溶、时效处理： 获得时效强化的效果。获得时效强化的效果。 7.3.5 零件热处理技术要求的标注零件热处理技术要求的标注 是一个重要问题，它确定了使用性能及工艺路线。是一个重要问题，它确定了使用性能及工艺路线。由设计者完成。由设计者完成。 多以硬度多以硬度HRC、HBS作为力学性能的技术要求。作为力学性能的技术要求。 要给出合适的硬度要求范围：要给出合适的硬度要求范围：HRC35个单位，个单位，HBS3050个单位。个单位。 通

11、常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型毋须工艺通常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型毋须工艺细节）细节）: 如淬火、回火如淬火、回火5862HRC； 渗层渗层0.81.2mm）、淬火、回火）、淬火、回火6063 HRC； 调质调质220250 HBS。 硬度要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致，硬度要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致，钢材主要考虑含碳量和淬透性。钢材主要考虑含碳量和淬透性。 如如4545钢，若要求钢，若要求606063HRC63HRC（）；）； 调质调质505055HRC55HRC（）。）。 表面热处理的硬化层要求类型表面热处理的硬化层要求类型 、深度等）。、深度等）。 某

12、些特殊技术要求，如高速钢淬火多有晶粒度级某些特殊技术要求，如高速钢淬火多有晶粒度级别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。 标注位置及示例：标注位置及示例： 7.4 变形开裂与热处理结构工艺性变形开裂与热处理结构工艺性热处理尤其淬火的负面影响：热处理尤其淬火的负面影响： 热处理变形和开裂热处理变形和开裂(热处理应力引起热处理应力引起)；表面氧化脱碳。；表面氧化脱碳。措施：措施： 从零件设计与制造和热处理工艺两方面。从零件设计与制造和热处理工艺两方面。7.4.1 减少零件热处理变形和防止开裂的方法减少零件热处理变形和防止开裂的方法（deformatio

13、n & crack）选材：选材： 针对性选用高淬透性的合金钢、高合金钢，替代碳钢、针对性选用高淬透性的合金钢、高合金钢，替代碳钢、低合金钢。低合金钢。 预留加工余量：预留加工余量： 找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。 按变形规律调整切削加工尺寸。按变形规律调整切削加工尺寸。 合理安排工艺路线。合理安排工艺路线。 降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度( (以减低因局部应力集中而淬火开以减低因局部应力集中而淬火开 裂裂) )。 合理的锻造和热处理合理的锻造和热处理 ： 成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理球化成分均匀化与合理纤维走向；

14、合适的预先热处理球化退火和调质要比正火有利）。退火和调质要比正火有利）。 修改技术条件：修改技术条件： 适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。 采用先进设备：采用先进设备： 可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。7.4.2 热处理结构工艺性零件机械设计零件的结构、截面尺寸等时要考虑其 热处理工艺性如何。考虑的主要方面： 零件的结构要易于进行热处理如避免悬殊截面、盲孔等）,易于达到技术要求。 零件的结构有利于减少变形、防止开裂。 零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。 具体措施：具体措施： 避免尖角；避免厚薄悬殊。避免尖角；避免厚薄悬殊。 采用封闭和对称结构；采用组合结构。采用封闭和对称结构；采用组合结构。 合理布置孔洞位置；设置工艺