工程设计-制造与材料选择

1零件失效与失效类型

(failureofparts&types)2零件设计中的材料选择

(materialselectionindesignofparts)4变形开裂与热处理结构工艺性工程设计-制造与材料选择（engineeringdesign、manufacture&materialselection）3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1

零件失效与失效类型(failureofparts&types)1.1

失效概念

•定义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。•失效含义：①零件破损，不能正常工作。②零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。③零件不能安全工作。•失效的定量指标：额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。

1.2失效的形式与对策⑴过量变形失效（excessivedeformationfailure）①过量弹性变形失效：

•特征：Σe过大（Σe=σ/E）,带来一系后果（如镗杆的“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E大的材料。②塑性变形失效：

•特征：σ＞σs、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。图7-1③过量蠕变失效：

•特征：T＞0.3Tm（尽管σ＜σs）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。⑵断裂失效（fracturefailure）①韧断：

•特征：σ＞σb，先塑变后断裂；原因为强度不足。

•措施：σ＜[σ]；提高材料强度。②低应力脆断：

•特征：σ＜σs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。

•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。③疲劳断裂：

•特征：脆断，无明显塑变；σ＜σs，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。

•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。④蠕变断裂：过量蠕变变形后发生（高温下，详见第11章）。

•介质加速断裂：应力腐蚀等（介质+应力的复合作用，详见第12章）。⑶表面损伤失效（surfacedamagefailure）①磨损失效

•特征：摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨损会失效，例摩擦副、工模具、工程机械，量大面广。

•措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。②接触疲劳失效

•特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。

•措施：提高表面质量、表面强化。③腐蚀失效：量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第12章）。1.3失效的原因（自学）总体上共四方面：设计选材与热处理加工缺陷装配与使用来自....中国最大的资料库下载2零件设计中的材料选择（materialselectionindesignofparts）2.1选材三原则（threecriteriaofmaterialselection）⑴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。

•几种常见零件的力学性能要求：

•选材基本步骤：表7-1图7-2

⑵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：钢铁材料的合适硬度范围160～230HB，组织尚有影响，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。来自....中国最大的资料库下载•措施与综合结果：

①低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，HB↑，切削性↑。②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↑。③Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。④大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。⑤一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。⑶经济原则：要考虑多项成本。表7-2表7-3表7-4来自....中国最大的资料库下载2.2零件选材材时应注注意的几几个问题题•使用性能能优先；；•设计指标标与保安安全指标标；•注意材料料状态与与手册的的对应；；•注意尺寸寸效应；；•注意数据据的可靠靠性；•注意具体体的供货货状态；；•注意不同同材料的的成型加加工方式式的不同同。来自....中国最大大的资料料库下载载3热处理在在零件加加工工艺艺路线中中的位置置及热处理方方案的选选择两方面问问题：一是某种种热处理理工艺与与其它加加工工序序的相对对次序（（工艺流流程或工工艺路线线）。二是如何何根据目目的、要要求及所所用材料料正确选选择合适适的热处处理工艺艺。来自....中国最大大的资料料库下载载3.1热处理在在工艺路路线中的的位置⑴热处理理在工艺艺路线中中的位置置的安排排原则•最终热处处理（淬淬火、回回火后硬硬度高））一般安安排在半半精加工工与最终终的精加加工（磨磨削等））之间。。•最终热处处理可以以进行多多次（如如多次回回火等））。•表面淬火火属最终终热处理理，常采采用预先先热处理理（调质质或正火火）保证证心部性性能。•渗碳（或或碳氮共共渗）后后一般紧紧跟着淬淬火、回回火；局局部毋须须渗碳者者，可采采取渗前前镀铜或或渗后去去除。•某些薄层层表面改改性处理理（软氮氮化、渗渗硫及其其它涂层层等）后后，不再再进行切切削加工工。•高精度零零件等常常需多次次去应力力退火或或回火（（时效））处理或或冷处理理。⑵热处理在在工艺路路线中的的位置表7-53.2钢铁普通通热处理理方案的的选择3.3钢铁表面面热处理理方案的的选择•高频淬火火：在基本满满足要求求时优先先考虑，，尤其大大批量生生产。•渗碳碳：更高性能能要求（（尤其表表、内配配合）、、更深硬硬化层要要求时采采用。•碳氮共共渗：：在负荷荷不甚甚大时时，可可取代代渗碳碳（周周期短短且耐耐磨性性高于于渗碳碳）。。•软氮氮化化：：减摩，，要求求变形形小，，且疲疲劳强强度较较高的的场合。•氮化化：负荷不不大，，但耐耐磨、、耐蚀蚀的精精密零零件。。表7-6表7-73.4有色金金属热热处理理方案案的选选择铝合金金常用用工艺艺：•均匀化化退火火：消除铸铸造铝铝合金金的成成分偏偏析及及铸造造内应应力，，稳定定组织织、提提高塑塑性。。•再结晶晶退火火或去去应力力退火火：变形后后消除除加工工硬化化或仅仅消除除应力力（较较低温温度））。•固溶、、时效效处理理：获得时时效强强化的的效果果。来自....中国最最大的的资料料库下下载3.5零件热热处理理技术术要求求的标标注是一个个重要要问题题，它它确定定了使使用性性能及及工艺艺路线线。由由设计计者完完成。。•多以硬硬度（（HRC、HBS）作为为力学学性能能的技技术要要求。。•要给出出合适适的硬硬度要要求范范围：：△HRC≈3～5个单位位，△△HBS≈30～50个单位位。•通常要要标出出达到到硬度度要求求的热热处理理工艺艺类型型（毋毋须工工艺细细节））:如淬火、、回火火58～62HRC；渗层（（0.8～1.2mm）、淬淬火、、回火火60～63HRC；调质220～250HBS。•硬度要要求的的数值值应与与材料料可能能达到到的硬硬度相相一致致，钢钢材主主要考考虑含含碳量量和淬淬透性性。如45钢，若若要求求60～63HRC（×）；调质50～55HRC（×）。•表面热热处理理的硬硬化层层要求求（类类型<如是高高、中中频淬淬火还还是渗渗碳>、深度度等））。•某些特特殊技技术要要求，，如高高速钢钢淬火火多有有晶粒粒度级级别要要求，，军械械零件件有强强度、、塑性性、韧韧性等等要求求。•标注位位置及及示例例：图7-4图7-3来自....中国最最大的的资料料库下下载4变形开开裂与与热处处理结结构工工艺性性•热处理理（尤尤其淬淬火））的负负面影影响：：热处理理变形形和开开裂(热处理理应力力引起起)；表面面氧化化脱碳碳。•措施：：从零件件设计计与制制造和和热处处理工工艺两两方面面。4.1减少零零件热热处理理变形形和防防止开开裂的的方法法（deformation&crack）•选材：：针对性性选用用高淬淬透性性的合合金钢钢、高高合金金钢，，替代代碳钢钢、低低合金金钢。。图7-6图7-5来自....中国最最大的的资料料库下下载•预留加工余余量：找出变形规规律、半精精加工预留留余量（＞＞变形量））。•按变形规律律调整切削削加工尺寸寸。•合理安排工工艺路线。。•降低零件表表面粗糙度度(以减低因局局部应力集集中而淬火火开裂)。•合理的锻造造和热处理理：成分均匀化化与合理纤纤维走向；；合适的预预先热处理理（球化退退火和调质质要比正火火有利）。。•修改技术条条件：适当降低要要求，以采采用比较缓缓和的淬火火介质和工工艺。•采用先进设设备：可以高硬度度状态加工工，如特种种磨、电火火花加工。。图7-10图7-9图7-8图7-74.2热处理结构构工艺性•零件机械设设计（零件件的结构、、截面尺寸寸等）时要要考虑其热处理工艺艺性如何。。•考虑的主要要方面：①零件的结结构要易于于进行热处处理（如避避免悬殊截截面、盲孔孔等）,易于达到技技术要求。。②零件的结结构有利于于减少变形形、防止开开裂。③零件的结结构不易发发生早期失失效，有较较高寿命。。来自....中国最大的的资料库下下载•具体措施：