工程设计制造与材料选择2.pptx

7.1零件失效零件失效(shxio)与失效与失效(shxio)类型类型(failureofparts&types)7.27.2零件零件零件零件(lnjin)(lnjin)设计中的材料选择设计中的材料选择设计中的材料选择设计中的材料选择(materialselectionindesignofparts)(materialselectionindesignofparts)7.4变形开裂变形开裂(kili)与热处理结构工艺性与热处理结构工艺性第第7章章工程设计、制造与材料选择工程设计、制造与材料选择（engineeringdesign、manufacture&materialselection）7.37.3热处理在零件加工工艺路热处理在零件加工工艺路热处理在零件加工工艺路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线中的位置及热处理方案的选择退出退出第一页，共47页。零件失效与失效类型零件失效与失效类型(failureofparts&types)失效概念失效概念定定义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。失效含义失效含义(hny)：零件破损，不能正常工作。零件破损，不能正常工作。零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。零件不能安全工作。零件不能安全工作。失效的定量指标：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。量）达不到定量指标，即发生早期失效。第二页，共47页。7.1.2失效的形式与对策失效的形式与对策过量变形失效（过量变形失效（excessivedeformationfailure）过量弹性变形失效：过量弹性变形失效：特征：特征：e过大（过大（e=/E）,带来一系后果（如镗杆的带来一系后果（如镗杆的“让刀让刀”）。）。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。大的材料。塑性变形失效：塑性变形失效：特征：特征：s、发生整体屈服。、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(yngl)水平。水平。图图7-1第三页，共47页。过量蠕变失效：过量蠕变失效：特征：特征：T0.3Tm（尽管（尽管s）时发生）时发生(fshng)，时间累积过程。，时间累积过程。措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。断裂失效（断裂失效（fracturefailure）韧断：韧断：特征：特征：b，先塑变后断裂；原因为强度不足。，先塑变后断裂；原因为强度不足。措施：措施：；提高材料强度。；提高材料强度。低应力脆断：低应力脆断：特征：特征：s时突然发生时突然发生(fshng)，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，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(fshng)。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。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。第四页，共47页。疲劳断裂：疲劳断裂：特特征征：脆脆断断，无无明明显显塑塑变变；ss，多多次次循循环环造造成成，如如齿齿轮轮的的断断齿齿。量量大大面面广广，多多起起源源于于表表面面缺缺口、刀痕等应力集中处。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(qinghu)(qinghu)。蠕变断裂：蠕变断裂：过量蠕变变形后发生（高温下，详见第过量蠕变变形后发生（高温下，详见第1111章）。章）。介质加速断裂：介质加速断裂：应力腐蚀等（介质应力腐蚀等（介质+应力的复合作用，详见第应力的复合作用，详见第1212章）。章）。第五页，共47页。表面损伤失效（表面损伤失效（表面损伤失效（表面损伤失效（surface damage failuresurface damage failuresurface damage failuresurface damage failure）磨损磨损磨损磨损(m sn)(m sn)(m sn)(m sn)失效失效失效失效 特特特特征征征征：摩摩摩摩擦擦擦擦作作作作用用用用的的的的结结结结果果果果之之之之一一一一；轻轻轻轻微微微微磨磨磨磨损损损损(m(m(m(m sn)sn)sn)sn)允允允允许许许许、过过过过量量量量磨磨磨磨损损损损(m(m(m(m sn)sn)sn)sn)会会会会失失失失效效效效，例例例例摩摩摩摩擦擦擦擦副副副副、工工工工模具、工程机械，量大面广。模具、工程机械，量大面广。模具、工程机械，量大面广。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。措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。接触疲劳失效接触疲劳失效接触疲劳失效接触疲劳失效 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。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。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。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。措施：提高表面质量、表面强化。措施：提高表面质量、表面强化。措施：提高表面质量、表面强化。腐蚀失效：腐蚀失效：腐蚀失效：腐蚀失效：量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第12121212章）。章）。章）。章）。第六页，共47页。7.1.3失效的原因失效的原因(yunyn)（自学）（自学）总体上共四方面：总体上共四方面：设计设计选材与热处理选材与热处理加工缺陷加工缺陷装配与使用装配与使用第七页，共47页。7.2零件设计零件设计(shj)中的材料选择中的材料选择（materialselectionindesignofparts）7.2.1选材三原则（选材三原则（threecriteriaofmaterialselection）使用性能原则与选材基本步骤使用性能原则与选材基本步骤使使用用性性能能是是选选材材的的必必要要条条件件，是是零零件件乃乃至至机机器器完完成成其其功功能能的的基基本本保保证证。使使用用性性能能可可由由力力学学性性能能、物物理理性性能能和和化化学学性性能能表表征征。机械零件主要是力学性能。机械零件主要是力学性能。几种常见零件的力学性能要求：几种常见零件的力学性能要求：选材基本步骤：选材基本步骤：表表7-1图图7-2第八页，共47页。工艺性原则（材料切削加工的影响工艺性原则（材料切削加工的影响(yngxing)因素）因素）材料的切削加工性的影响材料的切削加工性的影响(yngxing)因素：因素：材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。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：材料硬度与其切削加工性的关系：钢钢铁铁材材料料的的合合适适硬硬度度范范围围160230HB，组组织织尚尚有有影影响响(yngxing)，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。第九页，共47页。措施与综合结果：措施与综合结果：低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，量，HB，切削性，切削性。高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状珠光体，切削性珠光体，切削性。Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。削加工性甚好。大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。切削钢。一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。等不佳。经济原则：要考虑经济原则：要考虑(kol)多项成本。多项成本。表表7-2表表7-3表表7-4第十页，共47页。7.2.2零件选材时应注意的几个问题零件选材时应注意的几个问题使用性能优先；使用性能优先；设计指标与保安全指标；设计指标与保安全指标；注意材料状态注意材料状态(zhungti)与手册的对应；与手册的对应；注意尺寸效应；注意尺寸效应；注意数据的可靠性；注意数据的可靠性；注意具体的供货状态注意具体的供货状态(zhungti)；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。第十一页，共47页。7.3热处理在零件加工工艺路线中的位置及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热处理方案的选择两方面问题：两方面问题：一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序(cx)（工艺流程或工艺路线）。（工艺流程或工艺路线）。二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合适的热处理工艺。适的热处理工艺。第十二页，共47页。7.3.1 7.3.1 热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置的安排原则热处理在工艺路线中的位置的安排原则 最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。最终热处理可以最终热处理可以(ky)(ky)进行多次（如多次回火等）。进行多次（如多次回火等）。表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置表表7-57-5第十三页，共47页。钢铁普通热处理方案钢铁普通热处理方案(fngn)的选择的选择7.3.3钢铁表面热处理方案钢铁表面热处理方案(fngn)的选择的选择高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生产。高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生产。渗渗碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化层要求时采用。层要求时采用。碳氮共渗：在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且耐磨碳氮共渗：在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且耐磨性高于渗碳）。性高于渗碳）。软软氮氮化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场合。合。氮氮化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。表表7-67-6表表7-7第十四页，共47页。有色金属热处理方案的选择有色金属热处理方案的选择 铝合金常用工艺：铝合金常用工艺：均匀化退火：均匀化退火：消消除除(xioch)(xioch)铸铸造造铝铝合合金金的的成成分分偏偏析析及及铸铸造造内内应应力力，稳稳定组织、提高塑性。定组织、提高塑性。再结晶退火或去应力退火：再结晶退火或去应力退火：变变形形后后消消除除(xioch)(xioch)加加工工硬硬化化或或仅仅消消除除(xioch)(xioch)应应力力（较低温度）。（较低温度）。固溶、时效处理：固溶、时效处理：获得时效强化的效果。获得时效强化的效果。第十五页，共47页。7.3.5零件热处理技术要求零件热处理技术要求(yoqi)的标注的标注是是一一个个重重要要问问题题，它它确确定定了了使使用用性性能能及及工工艺艺路路线线。由由设设计计者完成。者完成。多以硬度（多以硬度（HRC、HBS）作为力学性能的技术要求）作为力学性能的技术要求(yoqi)。要要给给出出合合适适的的硬硬度度要要求求(yoqi)范范围围：HRC35个个单单位位，HBS3050个单位。个单位。通通常常要要标标出出达达到到硬硬度度要要求求(yoqi)的的热热处处理理工工艺艺类类型型（毋毋须须工工艺细节）艺细节）:如淬火、回火如淬火、回火5862HRC；渗层（渗层（0.81.2mm）、淬火、回火）、淬火、回火6063HRC；调质调质220250HBS。第十六页，共47页。硬硬度度要要求求的的数数值值应应与与材材料料可可能能达达到到的的硬硬度度相相一一致致，钢材主要考虑含碳量和淬透性。钢材主要考虑含碳量和淬透性。如如4545钢，若要求钢，若要求606063HRC63HRC（）；）；调质调质505055HRC55HRC（）。）。表表面面热热处处理理的的硬硬化化层层要要求求（类类型型 、深度等）。、深度等）。某某些些特特殊殊技技术术要要求求，如如高高速速钢钢淬淬火火多多有有晶晶粒粒度度级级别别要求，军械零件要求，军械零件(ln jin)(ln jin)有强度、塑性、韧性等要求。有强度、塑性、韧性等要求。标注位置及示例：标注位置及示例：图图7-47-4图图7-37-3第十七页，共47页。7.4变形开裂与热处理结构工艺性变形开裂与热处理结构工艺性热处理（尤其淬火）的负面影响：热处理（尤其淬火）的负面影响：热处理变形和开裂热处理变形和开裂(热处理应力引起热处理应力引起)；表面氧化脱碳。；表面氧化脱碳。措施：措施：从零件设计从零件设计(shj)与制造和热处理工艺两方面。与制造和热处理工艺两方面。7.4.1减少零件热处理变形和防止开裂的方法减少零件热处理变形和防止开裂的方法（deformation&crack）选材：选材：针针对对性性选选用用高高淬淬透透性性的的合合金金钢钢、高高合合金金钢钢，替替代代碳碳钢钢、低低合合金金钢。钢。图图7-6图图7-5第十八页，共47页。预留加工余量：预留加工余量：找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。按变形规律调整切削按变形规律调整切削(qixio)(qixio)加工尺寸。加工尺寸。合理安排工艺路线。合理安排工艺路线。降低零件表面粗糙度降低零件表面粗糙度(以减低因局部应力集中而淬火开以减低因局部应力集中而淬火开 裂裂)。合理的锻造和热处理合理的锻造和热处理 ：成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理（球化退火和成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理（球化退火和调质要比正火有利）。调质要比正火有利）。修改技术条件：修改技术条件：适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。采用先进设备：采用先进设备：可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。图图7-107-10图图7-97-9图图7-87-8图图7-77-7第十九页，共47页。7.4.2 热处理结构工艺性零件机械设计（零件的结构、截面尺寸等）时要考虑其 热处理工艺性如何。考虑的主要方面：零件的结构要易于进行热处理（如避免悬殊截面、盲孔等）,易于达到技术(jsh)要求。零件的结构有利于减少变形、防止开裂。零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。第二十页，共47页。具体措施：具体措施：避免尖角；避免厚薄悬殊避免尖角；避免厚薄悬殊(xunsh)。采用封闭和对称结构；采用组合结构。采用封闭和对称结构；采用组合结构。合理布置孔洞位置；设置工艺孔。合理布置孔洞位置；设置工艺孔。采用局部淬火或整体淬火。采用局部淬火或整体淬火。作业：作业：1，2，4，7，8，9。见图见图7-11见图见图7-12见图见图7-13见图见图7-14见图见图7-15见图见图7-16见图见图7-17第二十一页，共47页。本本章章结结束束 返返 回回第二十二页，共47页。图图-零件失效零件失效(sh xio)形式分类形式分类 返回(fnhu)第二十三页，共47页。表表7-1 几种常见零件几种常见零件(ln jin)工作条件、失效形式及要求的力学性能工作条件、失效形式及要求的力学性能 返回(fnhu)第二十四页，共47页。返回(fnhu)图图7-2 按力学性能选材按力学性能选材(xun ci)的基本步骤的基本步骤第二十五页，共47页。返回(fnhu)第二十六页，共47页。返回(fnhu)第二十七页，共47页。返回(fnhu)第二十八页，共47页。返回(fnhu)第二十九页，共47页。返回(fnhu)第三十页，共47页。返回(fnhu)第三十一页，共47页。返回(fnhu)第三十二页，共47页。7-3 零件整体零件整体(zhngt)热处理标注示意图热处理标注示意图 返回(fnhu)第三十三页，共47页。7-4 零件零件(ln jin)局部热处理标注示意图局部热处理标注示意图 返回(fnhu)第三十四页，共47页。返回(fnhu)第三十五页，共47页。返回(fnhu)第三十六页，共47页。返回(fnhu)第三十七页，共47页。返回(fnhu)第三十八页，共47页。返回(fnhu)第三十九页，共47页。返回(fnhu)第四十页，共47页。返回(fnhu)第四十一页，共47页。返回(fnhu)第四十二页，共47页。返回(fnhu)第四十三页，共47页。返回(fnhu)第四十四页，共47页。返回(fnhu)第四十五页，共47页。返回(fnhu)第四十六页，共47页。返回(fnhu)第四十七页，共47页。