第十四章机械零件用材及成形工艺

工程材料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工程材料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。工程材料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工程材料南阳理工学院一、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工程材料南阳理工学院一、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。工程材料南阳理工学院一、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。工程材料南阳理工学院二、材料的失效及判断1.材料的失效2.材料失效的判断工程材料南阳理工学院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。①完全破坏不能使用；②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；③损伤不严重，但继续工作不安全：轴、齿轮产生微小裂纹。工程材料南阳理工学院2.材料失效的判断二、材料的失效及判断①从材料性能角度：σ[σ]；其中：σ—表示材料具有的广义性能，如各种力学性能、耐热性能、耐蚀性能等；[σ]—表示广义的许用性能，如各种许用应力、各种许用耐热性能、许用耐腐蚀性能等②从变形量角度：f[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。工程材料南阳理工学院三、材料的失效形式1.材料性能降低2.过量变形3.断裂4.零件表面损伤工程材料南阳理工学院三、材料的失效形式1.材料性能降低2.过量变形弹性变形失效没有明显特征，测量尺寸可反映出来工程材料南阳理工学院三、材料的失效形式过量弹性变形原因：零件刚度不够工程材料南阳理工学院三、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工程材料南阳理工学院三、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。韧性断口工程材料南阳理工学院三、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-低碳钢2-铸铁3-高弹性材料工程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tσtσ工程材料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4.零件表面损伤工程材料南阳理工学院三、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；减小压应力；提高表面粗糙度磨损失效工程材料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获得单相组织工程材料南阳理工学院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、材料的失效形式工程材料南阳理工学院四、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.失效分析的步骤工程材料南阳理工学院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、材料失效分析工程材料南阳理工学院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工程材料南阳理工学院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使用中的保养工程材料南阳理工学院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.失效分析的步骤工程材料南阳理工学院一、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工程材料南阳理工学院一、选材的基本原则1.适用性原则2.工艺性原则3.经济性原则工程材料南阳理工学院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：①零件的负载情况：指载荷的大小和应力状态；②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；③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、选材的基本原则工程材料南阳理工学院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。工程材料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.经济性原则工程材料南阳理工学院二、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.成形工艺的选择工程材料南阳理工学院分析零件使用环境、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.选材步骤工程材料南阳理工学院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.选材依据工程材料南阳理工学院常用零件的负荷及性能要求零件应力载荷其他失效形式主要力学性能要求螺栓拉应力切应力静载荷过量变形、断裂屈服强度、抗剪强度传动轴弯应力扭应力循环冲击轴颈处摩擦，振动疲劳破坏、过量变形、轴颈处磨损综合力学性能齿轮压应力弯应力循环冲击强烈摩擦，振动磨损、麻点剥落、齿折断表面：硬度及弯曲疲劳强度、接触疲劳抗力；心部：屈服强度、韧性弹簧扭应力弯应力循环冲击振动弹性丧失、疲劳断裂弹性极限、屈服比、疲劳强度冷作模具复杂应力循环冲击强烈摩擦磨损、脆断硬度，足够的强度、韧性二、材料及成形工艺选择的步骤、方法、依据工程材料南阳理工学院二、材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铸造锻件冲压件焊件轧材成形特点液态下成形固态下成形塑性变形固态下连接塑性变形力学性能稍低于锻件比铸件好强度硬度高，刚度好接头性能接近母材比相同成分的铸件好结构特点可生产结构相当复杂的零件形状较简单结构轻巧，形状可稍复杂尺寸结构一般不受限制形状简单，横向尺寸变化较少材料利用率高低较高较高较低生产周期长较长短较短短生产成本较低较高量大成本低较高较低适用范围各种结构零件和机械零件传动零件，工具，模具等各种零件以薄板成形的各种零件各种金属结构件，也用于毛坯生产结构上的毛坯料工程材料南阳理工学院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。工程材料南阳理工学院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、材料及成形工艺选择的步骤、方法、依据工程材料南阳理工学院二、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→淬火处理工程材料南阳理工学院一、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工程材料南阳理工学院一.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：疲劳断裂、过载断裂、磨损和过量变形工程材料南阳理工学院一.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。价格低廉工程材料南阳理工学院二.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。工程材料南阳理工学院二.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，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度HB220～HB240；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。工程材料南阳理工学院二.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：30～35HRC表面：56～62HRC。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。工程材料南阳理工学院二.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：消除内应力工程材料南阳理工学院三.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、磨损及轮齿折断工程材料南阳理工学院三.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。价格适中