11工程材料的選用及工藝路線分析11.1機械零件失效形式及原因分析11.2機械工程材料的選用

11.3典型零件選材及工藝路線確定

工程材料的選用和加工工藝路線安排是否合理，關(guān)系到產(chǎn)品的使用性能、使用壽命及制造成本，甚至關(guān)系到設(shè)備的安全和經(jīng)濟效益。所以，掌握材料的性能、材料的熱處理和工藝等知識，并運用這些知識合理選擇工程材料、安排工藝路線，對工程實踐至關(guān)重要

11.1機械零件失效形式及原因分析失效是指零件在使用過程中，由于零件的尺寸、形狀、組織或性能發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致零件不能滿足正常工作要求或者機械機構(gòu)喪失了原有設(shè)計功能的情況。零件失效有三種情況：（1）零件完全破壞，不能工作；（2）雖能工作，但不能保證安全；（3）雖保證安全，但不能保證精度或起不到預(yù)定的作用。達(dá)到預(yù)期壽命的失效稱為正常失效，遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的不正常失效稱為早期失效。正常失效是比較安全的，而早期失效常常會造成事故和經(jīng)濟損失。通過研究零件各類失效特征及規(guī)律，找出失效的主要原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對于預(yù)防失效（尤其是早期失效）再次發(fā)生具有非常重要的意義。11.1.1零件失效的形式過量變形失效斷裂失效表面損傷失效材質(zhì)變化失效破壞正常工作條件而導(dǎo)致的失效。常見零件的常見失效形式及對性能要求零件在實際工作中的失效形式往往不只是一種。一般造成一個零件失效由一種失效形式起主導(dǎo)作用。失效分析的核心問題就是要找出主要的失效形式，分析失效原因。失效分析可以用來指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計、選材、加工、質(zhì)量管理和使用，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)。

11.1.2零件失效的原因引起零件失效的原因是多方面的。主要有四個方面：設(shè)計因素材料因素加工因素安裝使用11.1.2.1設(shè)計因素零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計不合理而引起的零件失效時常發(fā)生，如零件存在尖角、尖棱等。設(shè)計中的過載、應(yīng)力集中、機構(gòu)選擇不當(dāng)、安全系數(shù)過小等也都會導(dǎo)致零件在使用中失效。因此，機械零件的設(shè)計不僅要有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計也要合理。

11.1.2.2材料因素（1）選材不當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計和選材時，設(shè)計者對失效形式誤判，選材所依據(jù)的性能指標(biāo)不恰當(dāng)，選材不能滿足工作條件的要求。（2）材料缺陷材料的冶金質(zhì)量太差，存在缺陷如夾雜物、偏析等，而這些缺陷通常是導(dǎo)致零部件失效的原因。（3）毛坯加工過程中產(chǎn)生的缺陷材料在毛坯加工（鑄造、鍛造、焊接）或者在熱處理過程中，產(chǎn)生的缺陷會導(dǎo)致失效產(chǎn)生。如鑄件多產(chǎn)生疏松、偏析、內(nèi)裂紋、夾雜物等缺陷，因此高強度的機械零件較少用鑄件。而鍛造明顯改善了材料的力學(xué)性能，許多受力零件就采用鍛件。11.1.2.3加工（或工藝）因素制造時，采用的加工方法、工藝安排或工藝參數(shù)不正確等都可能造成零件的缺陷，如切削加工時粗糙度過大；磨削時產(chǎn)生裂紋；熱成形時產(chǎn)生的過熱、帶狀組織；熱處理工序中產(chǎn)生氧化、脫碳、淬火變形與開裂等。這些缺陷都可能導(dǎo)致零件失效。

11.1.2.4安裝使用因素零件安裝過緊、過松，安裝位置不當(dāng)、重心不穩(wěn)，固定不緊、密封不好等，都會使零部件不能正常工作而過早失效。在使用過程中，使用者要根據(jù)使用要求進(jìn)行維護(hù)、冷卻、潤滑、檢修等，否則就會由于使用不當(dāng)造成零件和設(shè)備的失效。

11.1.3失效分析步驟失效分析實驗研究的步驟：（1）對失效零件的殘骸進(jìn)行肉眼觀察、測量并記錄損壞的位置、尺寸變化和斷口的宏觀特征。收集表面剝落物和腐蝕產(chǎn)物，必要時照相留據(jù)。（2）了解零件的工作環(huán)境和失效經(jīng)過，觀察相鄰零件的損壞情況，判斷損壞順序，收集有關(guān)零件設(shè)計、材料、加工、安裝、使用和維修等方面的資料。（3）根據(jù)需要進(jìn)行試驗。失效分析實驗項目1）化學(xué)分析2）斷口分析3）金相分析4）力學(xué)性能測試5）斷裂力學(xué)分析6）應(yīng)力分析11.2機械工程材料的選用選擇材料是機械設(shè)計重要的一個環(huán)節(jié)，為零件選擇合適的材料是一項復(fù)雜的工作。因為合理地選擇和使用材料要考慮很多因素，不僅要考慮材料的使用性能是否能滿足其工作條件；也要考慮材料的加工工藝性能，以提高零件的生產(chǎn)率；還要考慮其經(jīng)濟性，以控制成本。也要考慮選材對環(huán)境、資源的影響。因此，工程設(shè)計人員必須掌握選用材料的原則和方法。

11.2.1選用材料的一般原則使用性能原則工藝性能原則經(jīng)濟性原則11.2.1.1使用性能原則使用性能是選用材料首要考慮的問題。使用性能是指零件在工作中應(yīng)該具有的力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能，是保證零件完成設(shè)計功能的必要條件。不同的零件，工作條件不同，功能各異，對材料的使用性能要求也不同。

A必須考慮材料的實際情況B考慮材料的截面尺寸效應(yīng)C硬度值的應(yīng)用D綜合考慮材料的性能11.2.1.2工藝性能原則材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。良好的工藝性能即加工技術(shù)難度小、工藝簡單、能耗低、材料的利用率高，是保證零件順利加工、提高零件質(zhì)量、簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本的重要條件。材料的選擇與工藝方法的確定，要同步進(jìn)行。金屬材料的加工工藝路線復(fù)雜，要求的工藝性能較多，如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。所以安排合理的加工工藝路線是很重要的工作11.2.1.3經(jīng)濟性原則在滿足使用性能要求的前提下，應(yīng)盡量選用價格比較便宜的材料。要從材料本身的價格、加工費用、資源供應(yīng)條件等方面考慮、也要考慮選用非金屬材料。但是不能片面強調(diào)材料費用及制造成本，必須要考慮產(chǎn)品的安全性和使用壽命。綜合考慮材料對產(chǎn)品功能和成本的影響，從而獲得最優(yōu)化的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。隨著社會工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境、資源、能源問題也是我們在選材時要考慮的因素。11.3典型零件選材及工藝路線確定11.3.1軸類零件例一車床主軸選材及工藝路線如圖11-1所示為C620車床主軸簡圖。按以上分析，C620車床主軸可選用45鋼，其工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→高頻感應(yīng)加熱淬火+回火→磨削該工藝路線中，正火處理可消除應(yīng)力，改善鍛造組織；調(diào)質(zhì)處理（整體調(diào)質(zhì)）后，組織為回火索氏體組織，使主軸獲得了高的綜合力學(xué)性能；對內(nèi)錐孔和軸頸進(jìn)行表面淬火和回火后硬度達(dá)到45HRC～52HRC，提高了其耐磨性。

11.3.2齒輪類零件例三如圖11-3為C6132型車床的傳動齒輪，機床傳動齒輪工作時受力不大，轉(zhuǎn)速中等，工作較平穩(wěn)，無強烈沖擊，強度和韌性要求均不高。該齒輪選用45鋼，其加工工藝路線如下：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火