工程材料及機械制造基礎

主講教師-高麗第九章工程材料的選用及機械零件毛坯的選擇一.失效概念：

指零部件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能等的變化而失去預定功能的現象。機件的失效二、機械零件的失效形式三、失效的原因（1）設計不當

主要是指零件的強度設計不足，或結構工藝性不當。

（2）選材不合理

對零件的失效形式判斷錯誤，所選材料不能滿足使用要求；

選材依據的性能指標不能反映材料對實際失效形式的抗力，錯選材料；

材料冶金質量差，熱處理技術要求不合格。（3）加工不當

零件加工工藝不正確可能造成種種缺陷。

（4）安裝使用不當

四、失效分析方法

實驗研究的步驟：

（1）對失效零件進行觀察，測量并記錄損壞位置、尺寸變化和斷口的宏觀特征。（2）了解零件的工作環(huán)境和失效經過，觀察相鄰零件的損壞情況，判斷損壞順序收集有關零件設計、材料、加工、安裝、使用和維修等方面的資料。

（3）根據需要選擇以下項目進行試驗：

①化學分析②斷口分析

③金相分析④機械性能測試

⑤斷裂力學分析⑥應力分析

1、選材的原則

（1）滿足零件使用性能的要求，防止失效事故的出現。①必須考慮材料和機件服役的實際情況。

②考慮鋼材的尺寸效應。③綜合考慮材料強度、塑性、韌性的合理配合。

（2）滿足零件的工藝性能的要求，提高成品率。

（3）滿足經濟性要求，用最低的成本獲取最大的經濟效益。2、零件選材的步驟

①通過分析零件的工作條件、形狀尺寸與應力狀態(tài)后，確定零件的技術條件。

②通過分析或試驗，結合同類零件失效分析的結果，確定零件在實際使用中主要的和次要的失效抗力指標，以此作為選材的依據。③通過力學計算，確定零件應具有的主要力學性能指標，正確選擇材料。④決定熱處理方法，并提出所選材料在供應狀態(tài)下的技術要求。

⑤審核所選材料的生產經濟性（包括熱處理的生產成本等）。⑥試驗、投產。

材料的工藝性能

鑄造性能:

主要指流動性、收縮性、偏析傾向、吸氣性等.接近共晶成分的合金鑄造性能最好。

鍛造性能:

焊接性能:主要指焊縫區(qū)形成裂紋及氣孔的能力。含碳量和合金元素含量↑,焊接性能↓材料的塑性高,變形抗力小,則鍛造性能好。切削加工性:

主要指允許的切削速度、切削抗力的大小、零件加工后的表面粗糙度、斷屑能力及刀具的耐用度。

鋼的硬度為170~230HB時,其切削性能最佳。在選用預先熱處理時,低碳鋼應采用正火；中碳鋼應采用正火或退火；高碳鋼應采用球化退火。

熱處理工藝性:

主要指淬透性，變形開裂傾向，過熱敏感性及氧化脫碳傾向等.

合金鋼的熱處理工藝性比碳鋼好。材料的工藝性能常用金屬材料工藝性能比較碳鋼合金鋼鑄鐵鑄造××√(灰鑄鐵√)鍛造低碳鋼√高碳鋼×高碳高合金鋼×××焊接低碳鋼√高碳鋼××××切削加工√高速鋼×易切削鋼√√熱處理工藝×√×熱處理方案的選擇選擇熱處理方案遵循的原則：1、要求綜合力學性能好的零件：調質2、要求彈性好的零件較大彈性變形量：淬火＋中溫回火（大截面）（彈簧鋼）去應力退火（小截面）

大彈性變形量：去應力退火或淬火＋時效處理（銅基合金）3、要求耐磨的零件：淬火＋低溫回火4、要求特殊物理性能的零件：根據要求進行處理一、齒輪類1.齒輪的工作條件和對性能的要求⑴齒輪的工作條件①由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應力；②換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷；③齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應力及摩擦力的作用。⑵齒輪的失效形式

斷齒、點蝕、磨損、膠合⑶齒輪材料的性能要求

①高的彎曲疲勞強度；②高的接觸疲勞強度和耐磨性；③較高的強度和沖擊韌性。齒面高的接觸疲勞抗力→表面硬、耐磨→表面淬火、滲碳、滲氮。齒根高的彎曲疲勞抗力→齒根要韌，具有一定的強度。⑷齒輪類零件的選材2.汽車、拖拉機齒輪汽車后橋齒輪汽車變速箱齒輪拖拉機齒輪汽車、拖拉機齒輪:⑴材料：⑵工藝路線：⑶各部熱處理組織及作用：20CrMnTi鍛→正火→機加工→滲碳、預冷淬火+低溫回火→噴丸(壓應力、σ-1↑)→精磨1）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應力）；②調整硬度、利于切削加工。2）滲碳、預冷淬火+低溫回火：表：M回+K+A’(少量)；心：M低碳，達到“表硬心韌”，滿足使用要求。3.機床變速箱齒輪⑴材料：⑵工藝路線：⑶各部熱處理組織及作用：機床齒輪45（或40Cr）鍛→正火→粗機加工→調質→精機加工1）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應力）；②調整硬度、利于切削加工。2）調質：S回，滿足整體機械性能要求,綜合機械性能↑3）高頻淬火+低溫回火：

表：

M回+A’(少量)；

心：S回，達到“表硬心韌”，滿足使用要求。二、軸類零件1.軸的工作條件和性能要求

⑴軸的工作條件①工作時主要受交變彎曲和扭轉應力的復合作用；②軸與軸上零件有相對運動,相互間存在摩擦和磨損；③軸在高速運轉過程中會產生振動,使軸承受沖擊載荷；④多數軸會承受一定的過載載荷。⑵軸的失效形式①長期交變載荷下的疲勞斷裂（包括扭轉疲勞和彎曲疲勞斷裂）；②大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂；③與其它零件相對運動時產生的表面過度磨損。⑶軸的使用性能要求①高的強度、足夠的硬度和良好的韌性；②高的疲勞極限；③在相對運動的摩擦部位，如軸頸、花鍵等處，應具有高的硬度和耐磨性。2.軸的選材

制造軸類零件的材料主要是碳素結構和合金結構鋼，一般是以鍛件或軋制型材為毛胚。根據承載能力的大小選用材料，然后根據選材的不同選擇相應的熱處理工藝。3、軸類零件加工工藝路線及分析（1）車床主軸——C620車床主軸為例進行選材

該主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，但載荷和轉速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。3、軸類零件加工工藝路線及分析（1）車床主軸C620車床主軸簡圖⑴材料：⑵工藝路線：⑶各部熱處理組織及作用：車床主軸45（或40Cr）鍛→正火→粗機加工→調質→精機加工→軸頸：高頻淬火+低溫回火→磨1）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應力）；②調整硬度、利于切削加工。2）調質：S回，滿足整體機械性能要求,綜合機械性能↑3）高頻淬火+低溫回火：

表：M回+A’(少量)；心：S回，達到“表硬心韌”，滿足使用要求。⑴材料：⑵工藝路線：⑶各部熱處理組織及作用：鏜桿（磨床主軸）38CrMoAlA鍛→退火→粗車→調質→精車→去應力退火→粗磨→氮化→精磨→時效→研磨1）退火：P+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應力）；②調整硬度、利于切削加工。2）調質：S回，滿足整體機械性能要求,綜合機械性能↑3）去應力退火：消除機加工應力。

4）氮化：表：合金氮化物；心：S回，達到“表硬心韌”。

5）時效：消除磨削應力，穩(wěn)定組織及尺寸，滿足精度要求。內燃機曲軸175A型柴油機曲軸簡圖二、內燃機曲軸選材——常用曲軸材料

鍛鋼曲軸：優(yōu)質中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2

、40Cr,35CrMo鋼等。

鑄造曲軸：鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等,如ZG25、QT600-2、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。⑴材料：⑵工藝路線：⑶各部熱處理組