机械零件材料及毛坯的选择与质量检验

第十章机械零件材料及毛坯的选择与质量检验机械制造中,要获得满意的零件，就必须从结构设计、合理选材、毛坯制造及机械加工等方面综合考虑。而正确选择材料和毛坯制造方法将直接关系到产品的质量和经济效益，因此，这项工作是机械设计和制造中的重要任务之一。机械零件的使用性是多种多样的，对材料和毛坯的选择要考虑诸多因素。这里只介绍一些材料及毛坯选择的一般原则。第一节机械零件的失效在我们的现实中，机械设备可能发生多种故障。对故障研究分析，首先应根据零件的损坏形式，找出失效的主要原因，为选材和改进工艺提供必要的依据。一、失效的基本概念零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。另外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。这些都使得失效分析变得越来越重要。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以至使用，都有很大的指导意义。二、零件失效的主要形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型。如图10-1所示。必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。失效分析的目的实际上就是要找出主要的失效形式。另外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳，蠕变疲劳，腐蚀磨损等等。但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种方式是辅助的，因此在分析时往往被归入主导方式一类中，例如腐蚀疲劳，疲劳特征是主导因素，腐蚀是起辅助作用的，因此被归入疲劳一类进行分析。三、零件失效的原因零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面，图10-2是导致零件失效的主要原因的示意图。（1）结构设计不合理设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆角，等等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，因而设计的零件的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时，就是如此来处理问题的。现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。（2）材料选取不当选材不当是材料方面导致失效的主要原因。问题出在材料上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其它因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。因此，对原材料加强检验是非常重要的步骤。（3）加工工艺问题零件加工成型过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。例如锻造不良可造成带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等；这些都可导致零件的失效。加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。若零件热处理后残留有较大的内应力，甚至有难以检查出来的裂纹时，使用中必定会造成严重的损坏。（4）安装不当零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂里管理比较严格的情况下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。（5）使用维护不正确超载荷运动，润滑条件不良，零件磨损增加等均可造成零件早期失效。四、失效分析的一般方法正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。（4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。（5）断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。（6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地的性质及失效方式。这项工作最重要，因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。第二节机械零件材料选择的一般原则机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得三者之间的统一。因此选材时一般应遵循以下三个原则：一、使用性能零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求。材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。见表10-1所示。有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手段紧密结合起来综合考虑。另外，当材料进行预选后，还应当进行实验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等，进一步验证材料机械性能选择的可靠性。二、工艺性能零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺性能包括以下内容：（1）铸造性能包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。（2）压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等。（3）焊接性能包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。（4）切削加工性能指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。（5）热处理性能指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。当工艺性能和机械性能相矛盾时，有时正是工艺性能的考虑使得某些机械性能显然合格的材料不得不加舍弃，此点对于大批量生产的零件特别重要。因为在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。例如，为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的切削性能可成为选材时考虑的主要问题。此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。三、经济性零件的选材应力求使零件生产的总成本最低。除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况，等等。（1）材料的价格不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。（2）国家的资源状况随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼但钨却十分丰富，所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用钼高速钢。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。（3）零件的总成本由于生产经济性的要求，选用材料时零件的总成本应降至最低。综上所述，零件选材的基本步聚如下：1、对产品功能要求特性，包括可能互相矛盾的要求，确定相对优先次序。2、决定产品每个构件所要求的性能，对各种候选材料在性能上进行比较。3、对外形、材料和加工方法进行综合考虑。四、典型零件的选材及工艺路线1、机床主轴图10-3是C620车床主轴的结构简图。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。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材结果如下：材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。2、汽车齿轮汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以汽车的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC1～3单位，耐用性可提高7～11倍。例：北京牌吉普车后桥圆锥主动齿轮。（图10-4）材料：20CrMnTi钢。热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm～1.6mm。性能要求：齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。第三节零件毛坯选择的一般原则毛坯种类的选择不仅影响毛坯的制造工艺及费用，而且也与零件的机械加工工艺和加工质量密切相关。为此需要毛坯