第十四章 机械零件用材及成形工艺.ppt

1、南阳理工学院,十四章 机械零件用材及成形工艺的选择,学习目标 主要内容 本章小结 思考练习,南阳理工学院,选材的问题是机械工程类技术人员常会碰到的问题，它与机械设计及机械制造关系极为密切，是我们必须要掌握的一部分内容。 本章从整体上了解工程材料的使用工况及其对材料性能的要求；材料的常见失效形式；各种材料的性能等与材料及成形工艺选择的关系。 重点掌握零件材料及其成形工艺的选择方法。 通过零件用材的选择实例。了解选材时考虑的材料、需求、制备工艺、经济要求等基本要点。,南阳理工学院,主 要 内 容,第一节 材料的失效形式 第二节 选材的基本原则和方法 第三节 典型零件的材料及成形 工艺选择,南阳理工

2、学院,一、材料的使用条件 二、材料的失效及判据 三、材料的失效形式 四、材料失效分析,第一节 材料的失效形式,南阳理工学院,一、材料的使用条件,零件的功能： （1）在一定压力、温度、介质下，保持规定形状和尺寸； （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能。,材料通过制造的零件实现其价值。,南阳理工学院,一、材料的使用条件,受力情况,工程材料担负传递动力，同时受到各种各样载荷的作用。,使用环境温度,使用介质：,其它方面,冷、热影响材料的受力情况及尺寸,海水、大气、酸碱盐的腐蚀影响零件形状尺寸,声、光、磁影响零件性能。,南阳理工学院,二、材料的失效及判断,1.材料的失效,2.材料失效的判断,南阳

3、理工学院,1.材料的失效,二、材料的失效及判断,零件失去设计要求的功能（性能、形状、尺寸）称为失效。,完全破坏不能使用； 虽然能工作但不能起到预定作用，如机床主轴、量 具磨损超差； 损伤不严重，但继续工作不安全：轴、齿轮产生微 小裂纹。,南阳理工学院,2.材料失效的判断,二、材料的失效及判断,从材料性能角度： f 。 其中： f 表示材料具有的广义变形量，如应变量、磨损量、腐蚀量等； f 表示广义的许用变形量，如各种许用变形量、许用磨损量、许用腐蚀量。,南阳理工学院,三、材料的失效形式,1.材料性能降低 2.过量变形 3.断裂 4.零件表面损伤,南阳理工学院,三、材料的失效形式,1.材料性能降

4、低,2.过量变形,弹性变形失效,没有明显特征，测量尺寸可反映出来,南阳理工学院,三、材料的失效形式,过量弹性变形原因：零件刚度不够,南阳理工学院,三、材料的失效形式,塑性变形失效,有明显特征。如键的扭曲。,过量塑性变形的原因：过载或者零构件本身抵抗塑性 变形的能力不够； 反映塑性变形能力的力学指标：A、Z，屈服强度Rel,南阳理工学院,三、材料的失效形式,3.断裂,分类：,韧性断裂： 断前产生明显塑性变形，尺寸明显变化。如低碳钢在拉应力下产生塑性变形后断裂。,韧性断口,南阳理工学院,三、材料的失效形式,脆性断裂：断前几乎不产生塑性变形，如灰铸铁在拉应力作用下不产生塑性变形而断裂,脆性断口,1-

5、低碳钢 2-铸铁 3-高弹性材料,南阳理工学院,三、材料的失效形式,疲劳断裂：,零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。,疲劳断裂过程： 裂纹萌生疲劳裂纹扩展最后断裂。,疲劳断裂宏观断口 1-最后断裂区；2-前沿线；3-裂纹扩展区,南阳理工学院,当零件表面尺寸变化或表面破坏超过许用程度时引起的失效现象。 分类：磨损失效 腐蚀失效,三、材料的失效形式,4.零件表面损伤,南阳理工学院,三、材料的失效形式,零件表面因摩擦发生尺寸变化和物质耗损而导致的材料报废现象叫磨损失效。,预防、减小磨损失效的措施： 提高零件表面硬度； 减小压

6、应力； 提高表面粗糙度,磨损失效,南阳理工学院,材料受环境介质的作用引起的破坏现象。如钢铁生锈、土壤腐蚀等。,腐蚀失效,三、材料的失效形式,防止腐蚀的办法：,改变金属成分（合金化）,提高基体电极电位 形成致密氧化膜 获得单相组织,南阳理工学院,表面保护（覆盖法）,发蓝，磷化，阳极化 电镀 喷漆,改善环境：干燥气体覆盖法,三、材料的失效形式,南阳理工学院,四、材料失效分析,1.失效分析的目的及作用 2.材料失效的原因 3.失效分析的思路 4.失效分析中的检验方法,南阳理工学院,1.失效分析的目的及作用 失效分析目的是找出材料失效原因，研究材料失效规律、失效速度、失效周期，找出引起材料失效的关键因

7、素及提高材料寿命的措施，从选材和选择工艺方法角度预防零部件的早期失效。,四、材料失效分析,南阳理工学院,2.材料失效原因,四、材料失效分析,零件设计,选材,铸造钢锭 挤压棒料,南阳理工学院,2.材料失效原因,四、材料失效分析,材料加工工艺,零件安装使用,锻造时的过热、过烧 热处理中的脱碳 材料成型方法不当：高碳钢的毛坯准备形式 切削加工时的粗糙度太差、刀痕过深等,安装时的过紧、过松 使用中的保养,南阳理工学院,保护现场，搜集失效零件残骸，观测并记录损坏部位；了解零件工作环境。了解失效经过，观察相关零件的损坏情况，判断损坏的顺序。 检测：化学分析 断口分析 显微分析 应力分析 力学性能测试 断裂

8、力学分析 综合分析：综合以上各种材料，判断出引起材料失效的原因，提出改进措施。 写出失效分析报告。,四、材料失效分析,3.失效分析的步骤,南阳理工学院,一、选材的基本原则 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,第二节 选材的基本原则和方法,南阳理工学院,一、选材的基本原则,1.适用性原则 2.工艺性原则 3.经济性原则,南阳理工学院,1.适用性原则 为满足材料使用要求，进行材料选择时，主要从三方面考虑： 零件的负载情况：指载荷的大小和应力状态； 材料的使用环境：材料所处的环境，如介质、 工作温度及摩擦等； 材料的使用性能要求：材料的使用寿命、材料 的各种广义许用应力、广义许用变形等。,一

9、、选材的基本原则,南阳理工学院,2.工艺性原则,一、选材的基本原则,零件形状复杂、尺寸较大、力学性能要求不高时，采用铸造方法，要求流动性好、收缩性小等； 零件形状不复杂、尺寸不大、力学性能要求高时，采用锻造成形，要求材料的塑性要好； 零件有特殊力学性能要求时，采用热处理强化，要求淬透性好，变形、开裂倾向小; 采用切削加工时，软硬要适当。,南阳理工学院,原材料价格 原材料利用率 材料成形成本 加工费用 安装调试费、维修费、管理费。,一、选材的基本原则,3.经济性原则,南阳理工学院,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,1.选材步骤 2.选材依据 3.成形工艺的选择,南阳理工学院,分析零件使

10、用环境、受力情况，确定技术条件（零件应具有的主要力学性能指标），作为选材依据。 根据力学计算及材料特点，正确选材。 结合材料成本、材料成形工艺性、零件复杂程度、生产批量、现有生产条件等，选择合适成形工艺。 综合材料成形成本、热处理成本、使用可靠性，优化选出最合适材料 经过试验、调整，最终确定合理材料及成型工艺方法。,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,1.选材步骤,南阳理工学院,负荷情况 材料使用温度 受腐蚀情况 耐磨损情况,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,2.选材依据,南阳理工学院,常用零件的负荷及性能要求,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,南阳理工学院,二、材

11、料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,3.成形工艺的选择,复习：各种成形工艺方法特点,南阳理工学院,3.成形工艺的选择,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,一些材料的成形工艺类型是确定的：,材料选铸铁，则选铸造成形；材料选薄板，则选板料冲压成形；材料选ABS塑料件，则选注塑成形；材料选陶瓷件，则应选陶瓷成形工艺等。,南阳理工学院,零件力学性能要求：铸造件锻造件 零件使用性能要求：铝合金铸件要求耐压、防漏时，选低压铸造而不选压力铸造 零件的生产批量； 零件形状复杂程度及精度要求 现有生产条件 充分考虑利用新工艺、新技术、新材料的可能性,选择成形工艺时还要考虑如下因素：,二、材料及成形工艺

12、选择 的步骤、方法、依据,南阳理工学院,二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据,举例：,如图套筒扳手 方案一：材料选用45钢，工艺路线： 棒料车削插齿调质处理,方案二：材料：20钢，工艺路线： 棒料挤压成型淬火处理,南阳理工学院,一、轴杆类零件选材实例 二、齿轮类零件选材实例 三、箱体类零件选材实例,第三节 典型零件的材料及成形工艺选择,南阳理工学院,一.轴类零件选材实例,轴类零件包括：各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、连杆、拔叉等。,传递扭矩，同时还承受一定的交变弯曲应力。 轴颈承受较大的摩擦。 有时承受一定的冲击载荷或过量载荷。,轴的工作条件,轴的失效形式：,疲劳

13、断裂、过载断裂、磨损和过量变形,南阳理工学院,一.轴类零件选材实例,轴的性能要求,足够的强度、刚度、塑性、韧性，以防止过载或冲击断裂。 高的硬度和耐磨性，提高轴的运转精度和使用寿命。 高的疲劳强度，防止疲劳断裂。 良好的切削加工性能，热处理变形小。 价格低廉,南阳理工学院,二.轴杆类零件选材实例,选材及成形工艺选择,载荷中等，冲击不大,C620车床主轴 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。,南阳理工学院,二.轴杆类零件选材实例,选用材料：45钢、40Cr 毛坯准备形式：锻造 热处理：整体调质，轴颈及锥孔表

14、面淬火。 性能要求：整体硬度HB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火或退火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。,南阳理工学院,二.轴杆类零件选材实例,受力大，承受高转速、冲击与循环载荷很大（汽车传动轴）,选用材料：渗碳钢（20、20CrMnTi） 毛坯准备形式：锻造 热处理：调质、渗碳淬火。 性能要求：心部：3035HRC 表面：5662HRC。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工非渗碳部位保护渗碳+淬火+低温回火精加工。,南阳理工学院,二.轴杆类零件选材实例,受力小或主要承受静载荷的轴类零件，或形状复杂的曲轴、凸轮轴,选

15、用材料：球墨铸铁 毛坯准备形式：铸造 加工工艺路线： 铸造正火+高温回火粗加工、半精加工轴颈表面淬火+回火精加工。 正火目的：得到细化的P，提高Rm、HRC 高温回火：消除内应力,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,齿轮的工作条件,通过齿面接触传递动力，周期地受弯曲应力和接触应力作用； 啮合齿表面承受较大摩擦和磨损； 由于换档启动或啮合不良，轮齿会受到冲击。,齿轮的失效形式：,齿面接触疲劳、磨损及轮齿折断,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,齿轮的性能要求,高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度。 齿面有高的硬度和耐磨性。 轮齿心部有足够的强度和韧性。 良好的切削加工性能和最小的淬火变形。 价

16、格适中。,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,选材及成形工艺选择,中低转速，载荷不大的中小型传动齿轮（如机床变速齿轮）,选用材料：调质钢（45、40Cr） 毛坯准备形式：锻造 热处理：调质、表面淬火+低温回火。 性能要求：心部：3035HRC 表面：5055HRC。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,高速、重载、冲击较大的齿轮（如汽车变速齿轮）,选用材料：渗碳钢（20CrMoTi） 毛坯准备形式：锻造 热处理：调质、渗碳+淬火+低温回火。 性能要求：心部：2832HRC 表面：5662HRC。 加工工艺路线：

17、 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,力学性能高、形状复杂、尺寸大的齿轮,选用材料：铸钢（ZG270-500、ZG310-570） 毛坯准备形式：铸造 热处理：正火或退火。 加工工艺路线： 铸造正火或退火机械加工。,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,轻载、低速、冲击较小的齿轮,选用材料：铸铁（HT200、HT300） 毛坯准备形式：铸造 热处理：正火或退火。 加工工艺路线： 铸造正火或退火机械加工。,南阳理工学院,三.齿轮类零件选材实例,受力不大、无润滑条件下工作的齿轮,选用材料：塑料（如尼龙、聚碳酸脂等） 成型方法：注射成

18、型 应用：石英钟,仪器仪表或接触腐蚀介质的轻载齿轮,选用材料：有色金属（CuZn38黄铜、CuSn6P锡青铜、7A04超硬铝等） 成型方法：机械加工,南阳理工学院,五.箱体类零件选材实例,箱体类零件的工作条件,支承、定位、密封。 受力不大，多承受压应力。 形状复杂、尺寸大、壁厚较薄。,箱体类零件的失效形式,变形失效。 断裂失效。 磨损失效。,南阳理工学院,五.箱体类零件选材实例,箱体类零件的性能要求,较高的硬度、抗压强度。 良好的减震性。 高的尺寸稳定性，保证定位准确、密封可靠。,箱体类零件的选材及成型工艺,受力较大、要求高强度、受较大冲击的箱体,选用材料：铸钢（ZG40Mn等） 成型方法：铸造 热处理：退火 应用