第十章 机械零件的选材与工艺分析

1、第十章第十章 机械零件的选材与工艺分析机械零件的选材与工艺分析 机械零件的失效分析 机械零件选材的一般原则 典型零件选材与工艺性分析第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析一、失效的概念一、失效的概念二、零件失效类型二、零件失效类型变形变形 弹、塑性变形。弹、塑性变形。断裂断裂 脆、塑性，疲劳断裂。脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤表面损伤 磨损、腐蚀等。磨损、腐蚀等。 零件失效的原因零件失效的原因 设计、材料、加工、安装、环境和使用维护设计、材料、加工、安装、环境和使用维护机械零件在工作中要求各种载荷和介质的作用，会造成机械零件在使用过程中发生尺寸、形状和表面质量的变化。这种变化超过允许

2、值使机器达不到设计时效时即称为零件失效。潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形零件失效零件失效的实例的实例 断裂仅占断裂仅占5%5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%74%潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损失效统计：失效统计：常见零件的工作条件和失效形式常见零件的工作条件和失效形式零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载

3、-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形形，轴颈磨损，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极表面高硬度及疲劳极限限，心部强度及韧性，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限材料的选择是一个比较复杂的决策问题。材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定

4、选材最佳方案的精确方法。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择用经验

5、类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。第二节第二节 机械零件选材的一般原则机械零件选材的一般原则第二节第二节 机械零件选材的一般原则机械零件选材的一般原则一、选材的一般原则一、选材的一般原则l使用性原则l工艺性原则l经济性原则l环保性原则设计选材时，主要考虑的三个方面设计选材时，主要考虑的三个方面 零件的承载和工况 对零件尺寸和重量的限制 零件的重要程度使用性原则使用性原则首要原则首要原则具体地具体地n若零件主要满足强度要求，且尺寸和重量又有所限制时 选用强度较高的材料n若零件尺寸主要满足刚度要求时 选用E值大的材料n

6、若零件的接触应力较高，如齿轮和滚动轴承 选用可进行表面强化的材料n高温下工作的零件 选用耐热材料n在腐蚀介质中的零件 选用耐腐蚀的材料n在强烈摩擦和冲击性工作的零件 选用耐磨的材料注意注意n材料的各项性能指标中，若只有屈服强度和疲劳强度等一个指标作为选材的依据，在某种情况下不很合理n当减轻重量也是机械设计的主要要求时，则需采用综合性能指标对零件重量进行评定 如从减轻重量出发， b/（比强度）值越大越好（比强度）值越大越好n对于有加速运动的零件，由于惯性力与材料的密度成反比 ，它的重量指标是密度的倒数 铝合金的重量指标为钢的2倍，当有加速要求时，铝合金、一些非金属材料和复合材料则为最合适的材料，

7、活塞和高速带轮等常为铝合金等材料制造4040钢不同尺寸毛坯的力学性能钢不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条件热处理条件毛坯尺寸毛坯尺寸/ /mmmmb b / / MPaMPa/ / % %A AKUKU / J/ J850850淬火淬火5 58008001616120120303075075015158080500500回火回火50507007001515565610010060060013134040实际设计时实际设计时根据零件的工作条件，分析计算或测定出力学性能指标后，可借助手册选材，但必须考虑一定的安全系数借助手册选材注意事项借助手册选材注意事项n注意手册中数据的测定条件n材料的尺寸效应n

8、材料成分的波动零件的加工工艺路线零件的加工工艺路线 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 轴、齿轮等轴、齿轮等毛坯毛坯 预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火） 粗加工粗加工 最终热处最终热处理（淬火回火，时效，渗理（淬火回火，时效，渗C C等）等）精加工精加工 精密丝杠精密丝杠毛坯毛坯 预先热处理预先热处理 粗加工粗加工 最终热处理最终热处理 半精加半精加工工 时效（或时效（或 N N化）化） 精加工精加工 时效时效工艺性能工艺性能 铸、锻、焊、机加工、热处理铸、锻、焊、机加工、热处理工艺性原则工艺性原则. .产品成本分析产品成本分析经济性原则经济性原则

9、根本原则根本原则基本材料的成本基本材料的成本（价格、利用率）（价格、利用率） 占总成本的占总成本的3030% %70%70%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%30%加工成本加工成本 = = 工具与设备费用工具与设备费用 + + 每件产品成本每件产品成本 生产批量生产批量材材 料料元元 / / kgkg材材 料料元元 / / kgkg铂铂290,000 290,000 ZnZn3434金金160,000 160,000 铝铝2121银银3,500 3,500 4040CrCr3.73.7钛钛200 200 碳钢碳钢3.33.3铜铜68 68 生铁生铁2.32.3

10、 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1. 1. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量重要金属的世界储量 2. 2. 能源消耗少能源消耗少 可用年数可用年数 再生率再生率(%)(%)FeFe12812831.731.7AlAl353516.916.9CuCu323240.940.9ZnZn242421.221.2W W4747AgAg151541.041.0MnMn1414NiNi49493. 3. 环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解环保性原则环保性原则第二节第二节

11、机械零件选材的一般原则机械零件选材的一般原则二、选材的步骤二、选材的步骤l分析零件的服役条件和失效形式，根据分析结果提出零件最分析零件的服役条件和失效形式，根据分析结果提出零件最关键的性能要求，同时考虑其他性能要求关键的性能要求，同时考虑其他性能要求l对同类零件的用材情况和失效形式进行调查研究，从其使用对同类零件的用材情况和失效形式进行调查研究，从其使用性能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以性能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以便作为选材时的参考便作为选材时的参考l通过分析计算，确定零件应具有的主要力学性能判据，在特通过分析计算，确定零件应具有的主要力学性能判据

12、，在特定条件下还要考虑物理、化学性能判据定条件下还要考虑物理、化学性能判据l在以上工作的基础上，进行材料的预选择在以上工作的基础上，进行材料的预选择l对预选择的材料进行工艺性和经济性分析后，进行综合评价对预选择的材料进行工艺性和经济性分析后，进行综合评价l必要时，对于重要零件可在投产前进行相关试验，检验所选必要时，对于重要零件可在投产前进行相关试验，检验所选材料和热处理方法能否满足所设计的性能要求，零件加工过程材料和热处理方法能否满足所设计的性能要求，零件加工过程可顺畅。试验结果基本满意后，可进行正式投产可顺畅。试验结果基本满意后，可进行正式投产第三节第三节 典型零件的选材与工艺性分析典型零件

13、的选材与工艺性分析一、工程材料的主要特性及使用概况一、工程材料的主要特性及使用概况v金属材料：具有优良的综合力学性能和某些特殊的物理、化学性能的材金属材料：具有优良的综合力学性能和某些特殊的物理、化学性能的材料，广泛用于制造各种重要的机械零件和工程结构件（机械工程中最主料，广泛用于制造各种重要的机械零件和工程结构件（机械工程中最主要的结构材料）要的结构材料） v高分子材料：强度、刚度（弹性模量）低，尺寸稳定性较差，易老化，高分子材料：强度、刚度（弹性模量）低，尺寸稳定性较差，易老化，工程上还不能用于制造承受载荷较大的结构零件，一些轻载传动齿轮、工程上还不能用于制造承受载荷较大的结构零件，一些轻

14、载传动齿轮、轴承、紧固件及各种密封件等轴承、紧固件及各种密封件等v陶瓷材料：室温几乎没有塑性，容易脆断，一般不用于制造重要受力构陶瓷材料：室温几乎没有塑性，容易脆断，一般不用于制造重要受力构件，化学稳定性好，具有红硬性，用于制造高温工作的零件、切削刀具件，化学稳定性好，具有红硬性，用于制造高温工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件和某些耐磨零件v复合材料：综合多种不同材料的优良性能，如强度、弹性模量高，抗疲复合材料：综合多种不同材料的优良性能，如强度、弹性模量高，抗疲劳、减摩、耐磨、减振性能好，化学稳定性优异，机具发展前途劳、减摩、耐磨、减振性能好，化学稳定性优异，机具发展前途1. 轴类零件的选材

15、轴类零件的选材v 性能要求性能要求 ：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。冲击作用，轴颈尚需耐磨。 v 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。损失效，冲击过载造成的断裂失效等。v选材：选材： 碳含量在碳含量在0.30.5，如，如35、40、45、50等碳素结构钢，等碳素结构钢，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。合金调质钢。二、选材

16、实例实例实例1、 C620机床主轴选材机床主轴选材性能要求性能要求 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴普通车床（轻载）主轴 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴铣床（中载）主轴 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴组合机床（重载）主轴 20CrMnTi ，经渗经渗C、淬火、回火处理。淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴精密镗床（高精度）主轴 38CrMoAl ，调质调质 + 氮化氮化 + 时效时效C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等

17、部位耐车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。磨性高。 性能指标性能指标 硬度硬度220250HB，轴颈轴颈52HRC 。选材选材 45钢，整体硬度钢，整体硬度220250HB，轴颈轴颈表面淬火表面淬火硬度硬度5257HRC。热处理工艺热处理工艺 840水淬水淬 + 600回火回火(水或油冷）水或油冷）+ 轴颈高频淬火轴颈高频淬火 + 200回火回火最终组织最终组织 心部：回火心部：回火S轴颈表面：回火轴颈表面：回火M 工艺路线工艺路线 下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质半半精加工精加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火磨削磨削零件零件常用机床主轴选用的材料及热处理方法常用

18、机床主轴选用的材料及热处理方法实例实例2、 内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定175A型农用柴油机型农用柴油机曲轴曲轴 性能要求性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。耐磨性。选材选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例实例 175A型农用柴油机曲轴型农用柴油机曲轴性能指标性能指标 b650MPa，整体硬度整体硬度220260HBS，轴颈表面轴颈表面硬度硬度625HV (HRC55), 2%, AK15J。选材选材 锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢

19、） 铸造曲轴（球墨铸铁）铸造曲轴（球墨铸铁）锻钢曲轴：锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等等铸造曲轴：铸造曲轴：QT700-2。锻钢曲轴的热处理工艺：锻钢曲轴的热处理工艺：下料下料锻造锻造正火正火矫直矫直粗加工粗加工去应力退火去应力退火调质调质半精加工半精加工局部表面淬火局部表面淬火+低温回火低温回火矫直矫直精磨精磨零件零件铸造曲轴的工艺路线：铸造曲轴的工艺路线：铸造铸造高温正火高温正火高温回火高温回火矫直矫直切削加工切削加工去去应力退火应力退火轴颈气体渗氮（碳氮共渗）轴颈气体渗氮（碳氮共渗）矫直矫直精精加工加工零件零件2.

20、齿轮零件的选材齿轮零件的选材v 性能要求性能要求 ：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。强度，韧性。 v 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）v 选材：选材： 调质钢调质钢 最终热处理：调质最终热处理：调质 + 表面淬火表面淬火 + 低温回火低温回火 渗渗C钢钢 最终热处理：渗碳后淬火处理。最终热处理：渗碳后淬火处理。 中高碳钢中高碳钢最终热处理：调质处理后表面淬火。最终热处理：

21、调质处理后表面淬火。二、选材实例实例实例1 ： 载重汽车变速箱齿轮载重汽车变速箱齿轮性能指标性能指标 b1000MPa，AK50J ，齿面硬度齿面硬度HRC55 。选材选材 20CrMnTi，20SiMnVB等，等，b 1080MPa ， AK 55J，齿面齿面HRC5863 。工艺路线工艺路线 ：下料：下料 锻造锻造正火正火粗加工粗加工局部镀铜局部镀铜渗渗C、淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削磨削零件零件局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。且还需要后续切削加工的部位进行局

22、部镀铜防渗处理。喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余压应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。残余压应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+ +铁素体。铁素体。渗碳淬火渗碳淬火+ +低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。的冲击韧度。低

23、温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。实例实例 2： 机床齿轮机床齿轮v 机床齿轮的工作条件机床齿轮的工作条件 ：工作条件较好，载荷不大，转速：工作条件较好，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。证高的传动精度和小的工作噪声。v 选材选材 ：一般采用调质钢，如：一般采用调质钢，如45钢、钢、40Cr或或40MnB钢。钢。 工艺路线：下料工艺路线：下料 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质滚齿滚齿齿部齿

24、部高频加热表面淬火高频加热表面淬火+ +低温回火低温回火高频加热表面淬火高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力 防防止表面发生麻点剥落。止表面发生麻点剥落。调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。，同时还可以减少淬火后的变形。正火目的：作为预备热

25、处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。3. 机架和箱体类的选材机架和箱体类的选材v 机架类零件机架类零件 ：各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以：各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、导轨等及齿轮箱、轴承座、阀体、导轨等 v 机架类零件特点：形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，工机架类零件特点：形状不规则，结构比较复杂并带有内腔，工作条件相差很大。作条件相差很大。v 选材：选材： 基础零件（机身、底座等）：灰铸铁基础零件（机

26、身、底座等）：灰铸铁 工作台、导轨等：灰铸铁、合金铸铁工作台、导轨等：灰铸铁、合金铸铁 个别特大型工作台、导轨：铸钢、焊接联合结构个别特大型工作台、导轨：铸钢、焊接联合结构二、选材实例3. 机架和箱体类的选材机架和箱体类的选材v 箱体类零件箱体类零件 ：床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸：床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机的缸体等体等 v 箱体类零件特点：结构复杂，是机器中很重要的基础零件。箱体类零件特点：结构复杂，是机器中很重要的基础零件。v 选材：选材： 受力较大、高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件（汽轮受力较大、高强度、高韧性，甚至在高温下工作的零件（汽轮机机壳）：型钢焊

27、接件、铸钢机机壳）：型钢焊接件、铸钢 受力一般、主要是承受静载荷，不受冲击的箱体：灰铸铁受力一般、主要是承受静载荷，不受冲击的箱体：灰铸铁 零件在工作中与其他部件发生相对运动：珠光体基体灰铸铁零件在工作中与其他部件发生相对运动：珠光体基体灰铸铁 受力不大、要求自重轻或导热性好受力不大、要求自重轻或导热性好:铸铝合金、工程塑料铸铝合金、工程塑料二、选材实例4. 典型农机零件的选材典型农机零件的选材v 农机类零件农机类零件 ：犁铧、耙片、收割机刀片等：犁铧、耙片、收割机刀片等 v 农机类零件特点：工作中要与土壤或作物摩擦，不同的零件，农机类零件特点：工作中要与土壤或作物摩擦，不同的零件，性能要求和材料略有不同。性能要求和材料略有不同。二、选材实例选材：选材： （1）犁铧）犁铧 工作条件工