工程设计制造中材料选择6752.pptx

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1、6.16.1零件失效与失效类型零件失效与失效类型零件失效与失效类型零件失效与失效类型(failureofparts&types)(failureofparts&types)6.26.2零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择(materialselectionindesignofparts)(materialselectionindesignofparts)6.46.4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第第6章章工程设计制造中材料选择工程设计制造中材料选择（engineeringdes

2、ignengineeringdesign、manufacture&materialmanufacture&materialselectionselection）6.36.3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6.1 零件失效与失效类型零件失效与失效类型(failureofparts&types)6.1.16.1.1 失效概念失效概念失效概念失效概念 定定 义：义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。机械零件或工程构件丧失规

3、定功能的现象。失效含义：失效含义：零件零件破损，不能正常工作。破损，不能正常工作。零件零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。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：额额定定寿寿命命；某某些些指指标标的的规规定定范范围围（如如模模具具冲冲头头磨磨损损量量）达不到定量指标，即发生早期失效。达不到定量指标，即发生早期失效。6.1.26.1.2失效的形式与对策失效的形式与对策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（过量变形失效（过量变形失效（excessivedeformationfailureexcessive

4、deformationfailure）过量弹性变形失效：过量弹性变形失效：特特征征：e e过过大大（e e=/E=/E）,带带来来一一系系后后果果（如如镗镗杆杆的的“让刀让刀”）。）。措措施施：提提高高零零件件刚刚度度，具具体体办办法法为为改改变变零零件件几几何何，加大尺寸及用加大尺寸及用E E大的材料。大的材料。塑性变形失效：塑性变形失效：特征：特征：s s、发生整体屈服。、发生整体屈服。措措施施：选选高高强强度度材材料料、采采取取强强化化工工艺艺、加加大大截截面面尺尺寸或降低应力水平。寸或降低应力水平。图图6-1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

5、间累积过）时发生，时间累积过程。程。措施：措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。选用高强耐热钢及合适的热处理。断裂失效（断裂失效（断裂失效（断裂失效（fracturefailurefracturefailure）韧断：韧断：特征：特征：b 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 s时突然发生，无明显宏观塑性变形征时突然发生，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。截面零件以及应力集中，最易发生。措

6、施：措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。集中及消除内应力等。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；s s，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口、刀痕等应力集中处。刀痕等应力集中处。措措施施：选选材材；设设计计改改进进（避避免免或或减减少少应应力力集集中中）；表表面面加工质量；表面强化。加工质量；表面强化。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

7、：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）。表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效（surfacedamagefailuresurfacedamagefailure）磨损失效磨损失效 特特征征：摩摩擦擦作作用用的的结结果果之之一一；轻轻微微磨磨损损允允许许、过过量量磨磨损损会会失失效效，例例摩摩擦擦副副、工工模模具具、工工程程机机械械，量量大大面广。面广。措措施施：用用耐耐磨磨材材料料；表表面面强强化化、表表面面改改性性处处理理；润润滑滑条条件。件。接触疲劳失效接触疲劳失效 特征：特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用

8、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。的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。措施：措施：提高表面质量、表面强化。提高表面质量、表面强化。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12章）。章）。6.1.36.1.3失效的原因失效的原因失效的原因失效的原因（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6.2零件设计中的材料选择零件设计中的材料选择（materialselectionindesignofparts）6.2.16.2.1

9、选材三原则（选材三原则（选材三原则（选材三原则（threecriteriaofmaterialselectionthreecriteriaofmaterialselection）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用性能使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功是选材的必要条件，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。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：几种常见零件的力学性能要求

10、：选材基本步骤：选材基本步骤：表表6-1图图6-2工艺性原则（材料切削加工的影响因素）工艺性原则（材料切削加工的影响因素）工艺性原则（材料切削加工的影响因素）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，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。措施与综合结果：措施与综合结果

11、：低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，体量，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，切削性状珠光体，切削性。Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。切削加工性甚好。大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。易切削钢。一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。软）等不

12、佳。经济原则：要考虑多项成本。经济原则：要考虑多项成本。经济原则：要考虑多项成本。经济原则：要考虑多项成本。表表6-2表表6-3表表6-4 6.2.26.2.2零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；注意材料状态与手册的对应；注意材料状态与手册的对应；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；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。6.3热处理在零件加工工艺路线中的位置

13、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：一一是是某某种种热热处处理理工工艺艺与与其其它它加加工工工工序序的的相相对对次次序序（工艺流程或工艺路线）。（工艺流程或工艺路线）。二二是是如如何何根根据据目目的的、要要求求及及所所用用材材料料正正确确选选择择合合适的热处理工艺。适的热处理工艺。6.3.16.3.1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 最最终终

14、热热处处理理（淬淬火火、回回火火后后硬硬度度高高）一一般般安安排排在在半半精精加加工与最终的精加工（磨削等）之间。工与最终的精加工（磨削等）之间。最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。表表面面淬淬火火属属最最终终热热处处理理，常常采采用用预预先先热热处处理理（调调质质或或正正火）保证心部性能。火）保证心部性能。渗渗碳碳（或或碳碳氮氮共共渗渗）后后一一般般紧紧跟跟着着淬淬火火、回回火火；局局部部毋毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。某某些些薄薄层层表表面面改改性性处处理理（软软氮氮化化、渗渗硫硫及及其其它它涂涂层层等

15、等）后，不再进行切削加工。后，不再进行切削加工。高高精精度度零零件件等等常常需需多多次次去去应应力力退退火火或或回回火火（时时效效）处处理理或冷处理。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6-56-56.3.26.3.2 钢铁普通热处理方案的选择钢铁普通热处理方案的选择钢铁普通热处理方案的选择钢铁普通热处理方案的选择 6.3.36.3.3钢铁表面热处理方案的选择钢铁表面热处理方案的选择钢铁表面热处理方案的选择钢铁表面热处理方案的选择高频淬火：高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生在基本满足要求时优先考虑，尤其大批

16、量生产。产。渗渗碳：碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化层要求时采用。化层要求时采用。碳碳氮氮共共渗渗：在在负负荷荷不不甚甚大大时时，可可取取代代渗渗碳碳（周周期期短短且且耐耐磨性高于渗碳）。磨性高于渗碳）。软软氮氮化：化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场合。合。氮氮化：化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。表表6-66-6表表6-7 6.3.46.3.4 有色金属热处理方案的选择有色金属热处理方案的选择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

17、常用工艺：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，稳稳定定组组织织、提高塑性。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：变形后消除加工硬化或仅消除应力（较低温度）。变形后消除加工硬化或仅消除应力（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。6.3.56.3.5零件热处理技术要求的标注零件热处理技术要求的标注零件热处理技术要求的标注零件热处理技术要求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。由设计者完成。

18、由设计者完成。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。要要给给出出合合适适的的硬硬度度要要求求范范围围：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的的热热处处理理工工艺艺类类型型（毋毋须须工工艺艺细节）细节）:如如淬火、回火淬火、回火5862HRC；渗层（渗层（0.81.2mm）、淬火、回火）、淬火、回火6063HRC；调质调质220250HBS。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4

19、545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要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。标注位置及示例：标注位置及示例：图图6-46-4图图6-36-36.4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

20、)；表面氧化脱碳。；表面氧化脱碳。措施：措施：从零件设计与制造和热处理工艺两方面。从零件设计与制造和热处理工艺两方面。6.4.16.4.1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&crackdeformation&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、低合金钢。低合金钢。图图6-6图图6-5 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）

21、。按变形规律调整切削加工尺寸。按变形规律调整切削加工尺寸。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）。退火和调质要比正火有利）。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

22、磨、电火花加工。图图6-106-10图图6-96-9图图6-86-8图图6-76-76.4.26.4.2热处理结构工艺性热处理结构工艺性热处理结构工艺性热处理结构工艺性 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。热处理工艺性如何。考虑的主要方面：考虑的主要方面：零零件件的的结结构构要要易易于于进进行行热热处处理理（如如避避免免悬悬殊殊截截面面、盲盲孔等）孔等）,易于达到技术要求。易于达到技术要求。零件的结构有利于减少变形、防止开裂。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。零件的结构不易

23、发生早期失效，有较高寿命。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。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6-11见图见图6-12见图见图6-13见图见图6-14见图见图6-15见图见图6-16见图见图6-17本本章章结结束束 返返 回回图图6-零件失效形式分类零件失效形式分类 返回表表6-1 几种常见零件工作条件、失效形式及要求的力学性能几种常见零件工作条件、失效形式及要求的力学性能 返

24、回 返回图图6-2 按力学性能选材的基本步骤按力学性能选材的基本步骤 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回6-3 零件整体热处理标注示意图零件整体热处理标注示意图 返回6-4 零件局部热处理标注示意图零件局部热处理标注示意图 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH