第12章_机械零件毛坯的选择

1、第第12章章 工程材料的选用工程材料的选用及机械零件毛坯的选择及机械零件毛坯的选择12.1 工程材料的选用工程材料的选用n12.1.1零件的失效分析n1、失效的基本概念、失效的基本概念n零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：n（1）零件完全破坏，不能继续工作；）零件完全破坏，不能继续工作；n（2）严重损伤，继续工作很不安全；）严重损伤，继续工作很不安全；n（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。n只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经只要发生上述三种情况中的任何一种，都认

2、为零件已经失效。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并失效。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。现代工业中零件的工作条件日益提出相应的改进措施。现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。另外，从经济性考虑，的可靠性提出了越来越高的要求。另外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。这些都使得失效分析变得也要求不断提高零件的寿命。这些都使得失效分析变得越来越重要。失效分析的结果对于零件的设计、选材、越来越重要。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以至使

3、用，都有很大的指导意义。加工以至使用，都有很大的指导意义。2、零件失效的主要形式、零件失效的主要形式?图10-1?零件失效的主要形式三、零件失效的原因三、零件失效的原因?图10-2?零件失效的主要原因4、零件失效分析主要方法、零件失效分析主要方法（1）结构设计不合理设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆角，等等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时，

4、就是如此来处理问题的。现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。（2）材料选取不当选材不当是材料方面导致失效的主要原因。问题出在材料上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其它因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。因此，对原材料加强检验是非常重

5、要的步骤。（3）加工工艺问题零件加工成型过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。例如锻造不良可造成带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等；这些都可导致零件的失效。加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。若零件热处理后残留有较大的内应力，甚至有难以检查出来的裂纹时，使用中必定会造成严重的损坏。 （4）安装不当零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂里管理比较严格的情况下，使用不

6、当常可成为零件损坏的主要原因。对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。（5）使用维护不正确超载荷运动，润滑条件不良，零件磨损增加等均可造成零件早期失效。 正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析

7、。（6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。n（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。n（4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。n（5）断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。一、使用性能零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求。材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最

8、主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。?表10-1?一些常用零件的工作条件、主要失效方式及所要求的主要机械性能指标。12.1.2 工程材料的选用原则工程材料的选用原则二、工艺性能零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重

9、要的。材料的工艺性能包括以下内容：（1）铸造性能 包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。（2）压力加工性能 指材料的塑性和变形抗力等。（3）焊接性能 包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。（4）切削加工性能 指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。（5）热处理性能 指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。三、经济性零件的选材应力求使零件生产的总成本最低。除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件

10、时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。（1）材料的价格 不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。（2）国家的资源状况 随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼但钨却十分丰富，所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用钼高速钢。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。（3）零件的总成本 由于生产经济性的要求，选用材料时零件的总成本应降至最低。零件

11、选材的基本步骤综上所述，零件选材的基本步聚如下：1、对产品功能要求特性，包括可能互相矛盾的要求，确定相对优先次序。2、决定产品每个构件所要求的性能，对各种候选材料在性能上进行比较。3、对外形、材料和加工方法进行综合考虑。四、典型零件的选材及工艺路线?图10-3?是C620车床主轴的结构简图1、机床主轴图10-3是C620车床主轴的结构简图。机床主轴是典型的受扭转弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材

12、结果如下：材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度NB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。第第8章章 机械零件毛坯的选择机械零件毛坯的选择 毛坯成形方法选择的合理与否直接影响到零件的质量、使用性能、成本和生产率；而零件的材料选定以后，其毛坯成形方法也大致确定了。 8.1 机械零件毛坯选择的原则机械零件毛坯选择的原则前提：既满足零件的使用要求，又使零件在制造过 程中具有

13、良好的工艺性和经济性，以利于降 低成本和提高生产率 v 所以，毛坯的选择是一个全面分析，认真比较，各方面知识综合应用的过程。适用性原则：全面满足零件的使用要求和相关的 特殊要求 。 一般机械零件，以材料的力学性能为主 工艺性原则：使零件的结构、材料与所选择的毛坯 成形方法相适应，亦即具有良好的工 艺性。 经济性原则：尽量降低零件的制造成本，以提高经 济效益和产品的市场竞争力。 兼顾现有生产条件原则：保证方便、快捷地制出高质 量的产品。 在满足使用要求的前提下，使制造成本尽可能降低 兼顾零件的各项制造成本 8.2 常用毛坯的选择常用毛坯的选择 原则：结合考虑零件的结构，利于简化工艺和 满足毛坯的

14、质量要求 8.2.1 常用毛坯材料的比较1铸造合金 (1) 铸铁：应用最多。有良好的耐磨性、减振性和 低的缺口敏感性，且价格较低。 1）灰铸铁灰铸铁：铸造性能好，但焊接性差，力学性能较差；常用于制造受力较小的零件，尤其是承压件，如机座、箱体和机床床身等。 2）球墨铸铁球墨铸铁：力学性能较好，铸造性能略低，焊接性差；适于制造受力较大或较复杂以及承受冲击的零件，如内燃机曲轴、连杆、齿轮和轧钢机轧辊等。 3）可锻铸铁可锻铸铁：力学性能较好，铸造性能及焊接性差，生产周期长；适于制造受力较大或较复杂以及承受冲击的薄壁小件，如壳体、齿轮、摇臂和小轴等。 (2) 铸钢铸钢：综合力学性能远优于铸铁，低碳铸钢还

15、具有良好的焊接性；适于制造承受重载荷、复杂载荷或冲击的零件，如曲拐、齿轮和机架等。(3) 铸造非铁合金铸造非铁合金：常用的有铸造铝合金和铸造铜合金 强度一般不太高，除铝硅合金外，其余的铸造性能均较差，焊接性较差，价格较高。 一般均具有较好的耐磨性和耐蚀性，还有一定的耐热性，故常用于要求耐热、耐蚀或导热性良好的零件，如内燃机活塞、蜗轮和滑动轴承等。 2塑性成形用金属材料 (1) 低、中碳钢和低合金结构钢： 低碳钢塑性成形性较好，且有良好的焊接性。中碳钢综合力学性能好，热成形时塑性成形性好，但焊接性较差。 低碳钢适于制造型材、板材及一般机械零件 中碳钢适于制造重要一些的机械零件如曲轴、齿 轮和转轴

16、等。 (2) 高碳钢和合金钢： 强度高，塑性差，热成形时变形抗力也较大，锻造温度范围窄，焊接性也差。 高碳钢和合金钢常用于制造模具、量具、刃具、弹簧、重要的机器零件和耐磨、耐蚀件等。(3) 变形铝合金： 强度中等或较低，塑性较好；大多数具有高塑性和低的变形抗力，变形温度较低，塑性成形性好，但焊接性较差。 变形铝合金适于制造承受轻载的机械零件和电气元件，如滑动轴承、齿轮、弹簧等。(4) 变形铜合金： 强度中等，塑性较好；绝大多数塑性高，变形 抗力较低，塑性成形性好，但锻造温度范围窄，焊 接性较差。 变形铜合金适于制造机械零件、仪表零件和电气 元件，尤其是耐蚀件和耐磨件，如散热器管和片、 蜗轮、轴

17、承和弹簧等。8.2.2 常用毛坯成形方法的比较 铸造铸造： 材料利用率较高。适于制造各种尺寸且形状较复杂尤 其是具有复杂内腔的零件锻造锻造： 产品力学性能好。适于制造受力较大或较复杂的零件冲压冲压： 材料的利用率较高，生产率高，适于制造质轻、壁薄 而刚性好的零件及形状较复杂的壳体焊接焊接： 材料利用率较高，可达到很高的生产率，适于形状复 杂件或大型构件的连接成形，也可用于异种材料的连 接和零件的修补 粉末冶金粉末冶金 ：材料利用率和生产率高，制品精度高，适于制 造形状较复杂的中、小型零件及有特殊性能要 求的材料和零件8.3 常用零件的材料和成形方法常用零件的材料和成形方法 8.3.1 轴杆类零

18、件 轻载轻载时时：用中碳钢（如35、40、45等）重载时重载时：用中碳合金钢（如40Cr等）并经调质处理。受较大冲击且受摩擦时受较大冲击且受摩擦时：用渗氮钢（38CrMoA1等） 制造并经渗氮处理。或用渗碳钢（如20CrMnTi 、 20Cr 等）制造并经渗碳、淬火处理。曲轴铸造时曲轴铸造时：可采用铸钢（如ZG270500等）或球 墨铸铁或球墨铸铁（如QT45010等）材料材料成形方法成形方法 光轴和直径差较小的阶梯轴光轴和直径差较小的阶梯轴：直接以圆钢作为毛坯； 重要件须锻造制坯。 直径差较大的阶梯轴直径差较大的阶梯轴：一般采用锻造制坯异形截面轴和曲轴异形截面轴和曲轴：采用锻造或铸造制坯 8

19、.3.2 盘套类零件 齿轮齿轮 ：轮齿须有较高的强度和韧性，齿面须有较高 的硬度和耐磨性 。 低速、轻载齿轮用45、50Mn2、40Cr钢，可用圆钢下料，亦可采用自由锻、模锻等方法成形；要求不高时也可采用灰铸铁、球墨铸铁等材料铸造成形。 高速、重载齿轮常用18CrMnTi、20CrMo钢制造且齿部经渗碳、淬火处理，也可采用38CrMoAl等渗氮钢制造且齿部经渗氮处理；直径500mm以上的大型齿轮，常采用自由锻、铸造和焊接等成形方法。 模具模具： 热锻模常用5CrMnMo、5CrNiMo等合金钢制造并经淬火和中温回火处理。冷冲模常用Cr12、Cr12MoV等合金工具钢制造经淬火和低温回火处理。模

20、具的成形方法通常采用锻造。 带轮、飞轮等带轮、飞轮等： 一般可采用灰铸铁、球墨铸铁等材料铸 造成形，或采用Q215、Q235等低碳钢型材焊接成形。 8.3.3 箱体、支架类零件 结构较为复杂，通常有不规则的外形和内腔，壁厚也不均匀。一般基础件一般基础件： 主要起支承作用，抗拉强度和塑性、韧性要求不高，但应有较好的刚度和减振性，有时还需要有较好的耐磨性。通常采用灰铸铁（如HT150、HT200等）铸造成形 受力复杂件受力复杂件： 要求有较高的综合力学性能，常选用铸钢（如ZG200400等）铸造成形，为简化工艺，常采用铸-焊、铸-螺纹连接结构。单件、小批生产时，也可采用型钢焊接结构，以降低制造成本

21、 。航空发动机的缸体、缸盖和曲轴箱航空发动机的缸体、缸盖和曲轴箱等,常采用铝合金（如ZL105、ZL105A等）铸造成形 。8.3.4 机械零件毛坯选择的示例机械零件毛坯选择的示例 箱体和箱盖箱体和箱盖：采用灰铸铁铸造成形，也可采用碳素 结构钢型材和板料焊接成形齿轮和轴齿轮和轴：可选用中碳钢（如45钢），单件小批生产 时可采用自由锻、胎模锻等成形，大批 生产时可采用模锻成形 滚动轴承滚动轴承：是重要的支承件，要求有较高的强度、硬 度和耐磨性。内、外套圈采用轴承钢 （如GCr15钢），经辗环轧制制成。滚珠 也采用轴承钢，经螺旋斜轧制成。保持架 采用低碳钢（如08钢）薄板经冲压成形。螺栓和螺母螺栓

22、和螺母：螺栓与螺母通常采用碳素结构钢（如 Q235）经镦锻或挤压成形，螺纹常采 用搓丝或攻丝成形。第第9章章 表面工程技术表面工程技术 通过物理、化学或机械的方法，使材料及其制品的表面获得所要求的化学成分和组织结构，从而改善和提高材料表面性能的应用科学。 可提高金属材料的耐蚀性、抗高温氧化性能、耐磨、减摩、润滑及抗疲劳等性能，延长产品的使用寿命或使制品表面获得特殊功能；可赋予制品表面各种色彩、图案，以改善外观；可修复磨损或腐蚀损坏的零件或加工超差的制品 9.1 电镀 可改善制品的外观，提高材料的力学性能、耐蚀性、耐磨性及获得某些特殊功能 装饰性电镀：可分为铜镀层、镍镀层和组合镀层等。 组合镀层

23、具有优良的装饰和防护性能防 护 性 电 镀 ： 常 用 的 如 锌 镀 层 、 镉 镀 层 等 。 锌镀层美观，装饰性好，且具有良好的机械 保护和电化学保护性能功能性电镀：耐磨镀层: 镀层硬度较高 润滑镀层： 良好的保油性和磨合性 电气特性镀层和光学特性镀层： 提高导电性镀铜、银、金 提高磁性镀钴磷、镍钴， 提高光学性能镀金、银、镍铬等 刷镀:特殊的无需浸泡局部逐渐电镀方法(1) 刷镀的工艺过程： (2) 刷镀的工艺特点及应用： 不需镀槽，电流密度高，生产效率高，局部磨损可进行不拆卸修复；镀后一般无需切削加工；镀层厚度范围宽可获得耐磨、耐蚀等特殊功能；对环境污染小。 刷镀在零件制造和维修中应用

24、十分广泛，适用于碳钢、铝合金、不锈钢、高熔点合金等零件的局部修复 9.2 化学镀 在经活化处理的基体表面上，镀液中的金属离子被催化还原形成金属镀层的过程 1化学镀镍：镀层为Ni-P或Ni-B等合金；耐蚀性、 耐药品性、抗高温氧化性和软钎焊性能好 应用于耐磨件、耐蚀件或电子元件、线路板等 2化学镀铜：镀层一般很薄，导电性优良。 主要用于非导体材料的金属化处理，如塑料制 品表面的金属化和印刷电路板无需外加电源，可形成均匀、致密的镀层，并获得耐蚀、耐磨等特殊性能。但镀液使用寿命短，废水排放量大，易污染环境，且镀覆速度较慢，成本较高。9.3 热喷涂 将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化喷射在零件

25、表面上，形成喷涂层的金属表面加工方法 1电弧喷涂： 电弧喷涂温度高，喷速高，涂层与基体结合强度较高，有较高的生产效率和较低的生产成本。常用于钢铁构件的修复、表面强化、防蚀等，特别适用于厚涂层及大面积喷涂 2火焰喷涂： 喷涂材料可采用线材或金属粉末，喷涂温度较低，喷速亦较低，故结合强度较低。先进的超音速火焰粉末喷涂的焰流速度高达2000m/s，涂层致密，结合强度高。 火焰喷涂可制备金属、合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料等涂层，适用于钢铁构件防蚀和表面强化、修复等。3等离子喷涂: 弧温高达1000020000，焰流速度高（可达 200m/s），涂层致密，结合强度高。 可喷涂金属、陶瓷、碳化物及其混合材料

26、，特 别适用于制备热障涂层。9.4 表面合金化 将一种或几种元素渗入基体金属，改变其表层成分和组织，并提高耐磨、减摩、耐蚀或抗氧化性能的方法 1气相沉积 (1) 化学气相沉积（CVD）： (2) 物理气相沉积（PVD）： 包括蒸镀、离子镀、溅射沉积等 2高能射束法 （1）离子注入： 用于刀具、模具、轴承和齿轮等的表面处理。 （2）激光表面合金化： 用于汽轮机叶片、发动机缸套和高速刀具等 （3）激光熔覆： 用于钢、铸铁零件的耐磨、耐蚀覆层，如阀座、排尘风机叶片及工具磨损表面的修复等。 9.5 化学转化膜 金属表层参与化学或电化学反应形成的附着良好的反应产物膜层 1发蓝处理:对零件精度和表面粗糙度

27、无明显影响，广泛用于机械零件、电子元件、仪器零件和兵器等的表面处理。2磷化处理：可分为厚膜磷化和薄膜磷化。可得到不同成分、厚度、结构和颜色的膜层，工艺简便。广泛用于钢铁零件油漆底层、动配合件、变压器芯片绝缘等 3阳极氧化： 膜层薄（几微米几百微米）而多孔，有良好的吸附能力，复杂形状件难以得到完整膜层。适用于铝合金件的防护、装饰和抗磨损 9.6 9.6 表面工程技术的发展趋势表面工程技术的发展趋势1计算机技术的应用 运用计算机控制的表面处理自动化技术。 人工智能技术的应用发展迅速； 智能热喷涂和喷焊设备已用于形状复杂的工件，可自动跟踪作业过程，精确控制工艺参数.2新工艺、新技术的开发和应用 高性

28、能合金镀层、组合镀层、非晶态覆层正得到进一步开发。超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等新工艺已用于喷涂陶瓷、难熔金属及碳化物等 3表面工程技术的复合 电镀-电泳涂装;渗金属夹嵌陶瓷、沉积钴铬铝铱系合金等工艺;热喷涂与激光熔覆的复合、表面强化与固体润滑层的复合、电镀与渗金属的复合等 第第10章章 环境保护环境保护10.1 环境和环境问题 1环境: 指组织运行活动的外部存在，包括空气、水、土地、自然资源、植物、动物、人，以及它们之间的相互关系。 2环境问题:(1) 生态资源破坏： 人类活动直接作用于自然生态系统使其生产能力显著减少和结构明显改变而引起的环境问题(2) 环境污染: 有害物质或因子进入环境并在环境中扩散、迁移、转化，使环境系统的结构与功能发生变化，对人类及其它生物的生存和发展产生不利影响的现象。10.2 可持续发展与清洁生产 10.2.1 可持续发展与清洁生产 1生态可持续性发展 在不耗竭资源、破坏生态和污染环境的情况下追求