工程設(shè)計-制造與材料選擇(ppt 47)

1、 定定 義：義：機械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象。機械零件或工程構(gòu)件喪失規(guī)定功能的現(xiàn)象。 失效含義：失效含義： 零件零件破損，不能正常工作。破損，不能正常工作。 零件零件尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。 零件不能安全工作。零件不能安全工作。 失效的定量指標：失效的定量指標： 額定壽命；某些指標的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）額定壽命；某些指標的規(guī)定范圍（如模具沖頭磨損量）達不到定量指標，即發(fā)生早期失效。達不到定量指標，即發(fā)生早期失效。 過量彈性變形失效：過量彈性變形失效： 特征：特征：e e過大（過大（e e=/e=/e）, ,帶來一系后果（如鏜帶

2、來一系后果（如鏜桿的桿的“讓刀讓刀”）。）。 措施：措施：提高零件剛度，具體辦法為改變零件幾何，提高零件剛度，具體辦法為改變零件幾何，加大尺寸及用加大尺寸及用e e大的材料。大的材料。 塑性變形失效：塑性變形失效： 特征：特征：s s、發(fā)生整體屈服。、發(fā)生整體屈服。 措施：措施：選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺寸或降低應(yīng)力水平。寸或降低應(yīng)力水平。 圖圖7-1 過量蠕變失效：過量蠕變失效： 特征：特征：t0.3tm（盡管（盡管s）時發(fā)生，時間累積過）時發(fā)生，時間累積過程。程。 措施：措施：選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。 韌

3、斷：韌斷： 特征：特征：b b ，先塑變后斷裂；原因為強度不足。，先塑變后斷裂；原因為強度不足。 措施：措施：；提高材料強度。；提高材料強度。 低應(yīng)力脆斷：低應(yīng)力脆斷： 特征：特征：s s時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征時突然發(fā)生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險，如鑄鐵拉伸時的斷裂；低溫、兆，最危險，如鑄鐵拉伸時的斷裂；低溫、大截面零件以及應(yīng)力集中，最易發(fā)生。大截面零件以及應(yīng)力集中，最易發(fā)生。 措施：措施：提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應(yīng)力提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應(yīng)力集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。集中及消除內(nèi)應(yīng)力等。疲勞斷裂：疲勞斷裂： 特征：特征：脆斷，無明顯塑變；脆斷，無明顯塑變；

4、s s，多次循環(huán)造成，多次循環(huán)造成，如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、刀痕等應(yīng)力集中處。刀痕等應(yīng)力集中處。 措施：措施：選材；設(shè)計改進（避免或減少應(yīng)力集中）；表面選材；設(shè)計改進（避免或減少應(yīng)力集中）；表面加工質(zhì)量；表面強化。加工質(zhì)量；表面強化。蠕變斷裂：蠕變斷裂： 過量蠕變變形后發(fā)生（高溫下，詳見第過量蠕變變形后發(fā)生（高溫下，詳見第1111章）。章）。 介質(zhì)加速斷裂：介質(zhì)加速斷裂： 應(yīng)力腐蝕等（介質(zhì)應(yīng)力腐蝕等（介質(zhì)+ +應(yīng)力的復(fù)合作用，詳見第應(yīng)力的復(fù)合作用，詳見第1212章）。章）。磨損失效磨損失效 特征：特征：摩擦作用的結(jié)果之一；輕微磨損允許

5、、過量磨摩擦作用的結(jié)果之一；輕微磨損允許、過量磨損會失效，例摩擦副、工模具、工程機械，量損會失效，例摩擦副、工模具、工程機械，量大面廣。大面廣。 措施：措施：用耐磨材料；表面強化、表面改性處理；潤滑用耐磨材料；表面強化、表面改性處理；潤滑條件。條件。接觸疲勞失效接觸疲勞失效 特征：特征：接觸零件之間周期性壓應(yīng)力或接觸應(yīng)力反復(fù)作接觸零件之間周期性壓應(yīng)力或接觸應(yīng)力反復(fù)作用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點。用的結(jié)果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點。 措施：措施：提高表面質(zhì)量、表面強化。提高表面質(zhì)量、表面強化。腐蝕失效：腐蝕失效： 量大面廣；選抗蝕材料、表面防護等（見第量大面廣；選抗蝕材料、表面防護

6、等（見第12章）。章）。 （自學(xué)）（自學(xué)） 總體上共四方面：總體上共四方面：設(shè)計設(shè)計選材與熱處理選材與熱處理加工缺陷加工缺陷裝配與使用裝配與使用 使用性能使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和化能的基本保證。使用性能可由力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能表征。機械零件主要是力學(xué)性能。學(xué)性能表征。機械零件主要是力學(xué)性能。 幾種常見零件的力學(xué)性能要求：幾種常見零件的力學(xué)性能要求： 選材基本步驟：選材基本步驟：表表7-1圖圖7-2 材料的切削加工性的影響因素：材料的切削加工性的影響因素： 材料類型、切削方法、切

7、削速度、刀具與機床情況等。材料類型、切削方法、切削速度、刀具與機床情況等。材料硬度與其切削加工性的關(guān)系：材料硬度與其切削加工性的關(guān)系： 鋼鐵材料的合適硬度范圍鋼鐵材料的合適硬度范圍160230hb，組織尚有影響，組織尚有影響，如球化組織的切削加工性優(yōu)于片層狀組織。如球化組織的切削加工性優(yōu)于片層狀組織。 措施與綜合結(jié)果：措施與綜合結(jié)果： 低、中碳鋼，鐵素體太軟且數(shù)量多；用正火增加珠光低、中碳鋼，鐵素體太軟且數(shù)量多；用正火增加珠光體量，體量，hb，切削性，切削性。 高碳鋼，片狀珠光體，易磨損刀具；用球化退火成粒高碳鋼，片狀珠光體，易磨損刀具；用球化退火成粒狀珠光體，切削性狀珠光體，切削性。 al、

8、mg等有色金屬、石墨化鑄鐵，強度低且易切屑，等有色金屬、石墨化鑄鐵，強度低且易切屑，切削加工性甚好。切削加工性甚好。 大批量的強度要求不高的零件（如標準件），可采用大批量的強度要求不高的零件（如標準件），可采用易切削鋼。易切削鋼。 一般鋼材淬、回火后磨削加工性較好，有色金屬（太一般鋼材淬、回火后磨削加工性較好，有色金屬（太軟）等不佳。軟）等不佳。表表7-2表表7-3表表7-4 使用性能優(yōu)先；使用性能優(yōu)先； 設(shè)計指標與保安全指標；設(shè)計指標與保安全指標； 注意材料狀態(tài)與手冊的對應(yīng)；注意材料狀態(tài)與手冊的對應(yīng)； 注意尺寸效應(yīng)；注意尺寸效應(yīng)； 注意數(shù)據(jù)的可靠性；注意數(shù)據(jù)的可靠性； 注意具體的供貨狀態(tài)；注

9、意具體的供貨狀態(tài)； 注意不同材料的成型加工方式的不同。注意不同材料的成型加工方式的不同。 兩方面問題：兩方面問題： 一是某種熱處理工藝與其它加工工序的相對次一是某種熱處理工藝與其它加工工序的相對次序（工藝流程或工藝路線）。序（工藝流程或工藝路線）。 二是如何根據(jù)目的、要求及所用材料正確選擇二是如何根據(jù)目的、要求及所用材料正確選擇合適的熱處理工藝。合適的熱處理工藝。 最終熱處理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加最終熱處理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工與最終的精加工（磨削等）之間。工與最終的精加工（磨削等）之間。 最終熱處理可以進行多次（如多次回火等）。最終熱處理可以進行多次（如多次

10、回火等）。 表面淬火屬最終熱處理，常采用預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)或正表面淬火屬最終熱處理，常采用預(yù)先熱處理（調(diào)質(zhì)或正火）保證心部性能。火）保證心部性能。 滲碳（或碳氮共滲）后一般緊跟著淬火、回火；局部毋滲碳（或碳氮共滲）后一般緊跟著淬火、回火；局部毋須滲碳者，可采取滲前鍍銅或滲后去除。須滲碳者，可采取滲前鍍銅或滲后去除。 某些薄層表面改性處理（軟氮化、滲硫及其它涂層等）某些薄層表面改性處理（軟氮化、滲硫及其它涂層等）后，不再進行切削加工。后，不再進行切削加工。 高精度零件等常需多次去應(yīng)力退火或回火（時效）處理高精度零件等常需多次去應(yīng)力退火或回火（時效）處理或冷處理?；蚶涮幚?。表表7-57-5 高頻淬火

11、：高頻淬火：在基本滿足要求時優(yōu)先考慮，尤其大批量在基本滿足要求時優(yōu)先考慮，尤其大批量生產(chǎn)。生產(chǎn)。 滲滲 碳：碳：更高性能要求（尤其表、內(nèi)配合）、更深更高性能要求（尤其表、內(nèi)配合）、更深硬化層要求時采用。硬化層要求時采用。 碳氮共滲：碳氮共滲：在負荷不甚大時，可取代滲碳（周期短且在負荷不甚大時，可取代滲碳（周期短且耐磨性高于滲碳）。耐磨性高于滲碳）。 軟軟 氮氮 化：化：減摩，要求變形小，且疲勞強度較高的場減摩，要求變形小，且疲勞強度較高的場 合。合。 氮氮 化：化：負荷不大，但耐磨、耐蝕的精密零件。負荷不大，但耐磨、耐蝕的精密零件。 表表7-67-6表表7-7 均勻化退火：均勻化退火： 消除鑄

12、造鋁合金的成分偏析及鑄造內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織、消除鑄造鋁合金的成分偏析及鑄造內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織、提高塑性。提高塑性。 再結(jié)晶退火或去應(yīng)力退火：再結(jié)晶退火或去應(yīng)力退火： 變形后消除加工硬化或僅消除應(yīng)力（較低溫度）。變形后消除加工硬化或僅消除應(yīng)力（較低溫度）。 固溶、時效處理：固溶、時效處理： 獲得時效強化的效果。獲得時效強化的效果。 是一個重要問題，它確定了使用性能及工藝路線。是一個重要問題，它確定了使用性能及工藝路線。由設(shè)計者完成。由設(shè)計者完成。 多以硬度（多以硬度（hrc、hbs）作為力學(xué)性能的技術(shù)要求。）作為力學(xué)性能的技術(shù)要求。 要給出合適的硬度要求范圍：要給出合適的硬度要求范圍：hrc35個單

13、位，個單位，hbs3050個單位。個單位。 通常要標出達到硬度要求的熱處理工藝類型（毋須工藝通常要標出達到硬度要求的熱處理工藝類型（毋須工藝細節(jié)）細節(jié)）: 如如淬火、回火淬火、回火5862hrc； 滲層（滲層（0.81.2mm）、淬火、回火）、淬火、回火6063 hrc； 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)220250 hbs。 硬度要求的數(shù)值應(yīng)與材料可能達到的硬度相一致，硬度要求的數(shù)值應(yīng)與材料可能達到的硬度相一致，鋼材主要考慮含碳量和淬透性。鋼材主要考慮含碳量和淬透性。 如如4545鋼，若要求鋼，若要求606063hrc63hrc（）；（）； 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)505055hrc55hrc（）。（）。 表面熱處理的硬化層要求（

14、類型表面熱處理的硬化層要求（類型 、深度等）。、深度等）。 某些特殊技術(shù)要求，如高速鋼淬火多有晶粒度級某些特殊技術(shù)要求，如高速鋼淬火多有晶粒度級別要求，軍械零件有強度、塑性、韌性等要求。別要求，軍械零件有強度、塑性、韌性等要求。 標注位置及示例：標注位置及示例： 圖圖7-47-4圖圖7-37-3熱處理（尤其淬火）的負面影響：熱處理（尤其淬火）的負面影響： 熱處理變形和開裂熱處理變形和開裂(熱處理應(yīng)力引起熱處理應(yīng)力引起)；表面氧化脫碳。；表面氧化脫碳。措施：措施： 從零件設(shè)計與制造和熱處理工藝兩方面。從零件設(shè)計與制造和熱處理工藝兩方面。選材：選材： 針對性選用高淬透性的合金鋼、高合金鋼，替代碳鋼

15、、針對性選用高淬透性的合金鋼、高合金鋼，替代碳鋼、低合金鋼。低合金鋼。 圖圖7-6圖圖7-5 預(yù)留加工余量：預(yù)留加工余量： 找出變形規(guī)律、半精加工預(yù)留余量（變形量）。找出變形規(guī)律、半精加工預(yù)留余量（變形量）。 按變形規(guī)律調(diào)整切削加工尺寸。按變形規(guī)律調(diào)整切削加工尺寸。 合理安排工藝路線。合理安排工藝路線。 降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度( (以減低因局部應(yīng)力集中而淬火開以減低因局部應(yīng)力集中而淬火開 裂裂) )。合理的鍛造和熱處理合理的鍛造和熱處理 ： 成分均勻化與合理纖維走向；合適的預(yù)先熱處理（球化成分均勻化與合理纖維走向；合適的預(yù)先熱處理（球化退火和調(diào)質(zhì)要比正火有利）。退火和調(diào)質(zhì)要比正火

16、有利）。修改技術(shù)條件：修改技術(shù)條件： 適當(dāng)降低要求，以采用比較緩和的淬火介質(zhì)和工藝。適當(dāng)降低要求，以采用比較緩和的淬火介質(zhì)和工藝。采用先進設(shè)備：采用先進設(shè)備： 可以高硬度狀態(tài)加工，如特種磨、電火花加工。可以高硬度狀態(tài)加工，如特種磨、電火花加工。圖圖7-107-10圖圖7-97-9圖圖7-87-8圖圖7-77-7 零件機械設(shè)計（零件的結(jié)構(gòu)、截面尺寸等）時要考慮其零件機械設(shè)計（零件的結(jié)構(gòu)、截面尺寸等）時要考慮其 熱處理工藝性如何。熱處理工藝性如何。 考慮的主要方面：考慮的主要方面： 零件的結(jié)構(gòu)要易于進行熱處理（如避免懸殊截面、盲零件的結(jié)構(gòu)要易于進行熱處理（如避免懸殊截面、盲孔等）孔等）, ,易于達到技術(shù)要求。易于達到技術(shù)要求。 零件的結(jié)構(gòu)有利于減少變形、防止開裂。零件的結(jié)構(gòu)有利于減少變形、防止開裂。 零件的結(jié)構(gòu)不易發(fā)生早期失效，有較高壽命。零件的結(jié)構(gòu)不易發(fā)生早期失效，有較高壽命。 具體措施：具體措施： 避免尖角；避免厚薄懸殊。避免尖角；避免厚薄懸殊。 采用封閉和對稱結(jié)構(gòu)；采用組合結(jié)構(gòu)。采用封閉和對稱結(jié)構(gòu)；采用組合結(jié)構(gòu)。 合理布置孔洞位置；設(shè)置工藝孔。合理布置孔洞位置；設(shè)置工藝孔。 采用局部淬火或整體淬火。采用局部淬火或整體淬火。 作業(yè)：作業(yè)：1，2，4，7，8，9。 見圖見圖7-11見圖見圖7-12見圖見圖7-13見圖見圖