單元十一

機(jī)械零件材料及毛坯選擇機(jī)械零件的失效分析01機(jī)械零件材料及毛坯的選擇02典型零件的選材及工藝分析03本章內(nèi)容機(jī)器零件的設(shè)計(jì)不單是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)該包括材料選擇、毛坯制備及切削加工工藝等方面的設(shè)計(jì)。合理選擇和使用工程材料是機(jī)械制造過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)選材法和萬(wàn)能材料法日益暴露出種種缺點(diǎn)，造成許多重大質(zhì)量事故，所以，選材正在逐漸變成一種嚴(yán)格地建立在試驗(yàn)與分析基礎(chǔ)上的科學(xué)方法。選材是指選擇材料的成分、組織形態(tài)、冶金質(zhì)量及機(jī)械和物理化學(xué)性能。一般機(jī)械零件，在設(shè)計(jì)和選材時(shí)，大多以使用性能指標(biāo)作為主要依據(jù)。而對(duì)機(jī)械零件起主導(dǎo)作用的機(jī)械性能指標(biāo)，則是根據(jù)零件的工作條件和失效形式提出的。項(xiàng)目概述項(xiàng)目目標(biāo)理解各種熱處理工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用；03了解金屬材料的失效形式及其分析過(guò)程；01掌握機(jī)械零件選材的原則及選材的一般方法；02了解典型的零件的選材及熱處理工藝；04失效是指零件在使用中，由于形狀、尺寸的改變或內(nèi)部組織及性能的變化而失去原設(shè)計(jì)的效能。一般機(jī)械零件在以下三種情況下可認(rèn)定為已失效：零件完全不能工作；零件雖能工作，但已不能完成設(shè)計(jì)功能；零件已有嚴(yán)重?fù)p傷，不能再繼續(xù)安全使用。一般機(jī)械零件失效的常見(jiàn)形式如下。（1）斷裂失效：塑性斷裂、低應(yīng)力脆性斷裂、疲勞斷裂和蠕變斷裂，其中疲勞斷裂危害最大。（2）表面損傷失效：零件表面的磨損、接觸疲勞和腐蝕。（3）變形失效：彈性變形、塑性變形或高溫下發(fā)生蠕變等。同一個(gè)零件可能有幾種不同的失效形式，例如軸類零件，其軸頸處因摩擦而發(fā)生磨損失效，在應(yīng)力集中處則發(fā)生疲勞斷裂，兩種失效形式同時(shí)起作用。但一般情況下，總是由一種形式起主導(dǎo)作用，很少以兩種形式同時(shí)都使零件失效。另外，這些失效形式可相互組合成為更復(fù)雜的失效形式，如腐蝕疲勞斷裂、腐蝕磨損等。引起零件失效的因素很多且較為復(fù)雜，在進(jìn)行零件的具體失效分析時(shí)，應(yīng)該從多方面進(jìn)行考查。零件失效可能涉及零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選擇，材料的加工，產(chǎn)品的裝配及使用保養(yǎng)等方面。機(jī)械零件的失效分析過(guò)程如下。（1）收集并整理失效零件的有關(guān)資料，確定重點(diǎn)分析的對(duì)象，根據(jù)這些資料全面地從設(shè)計(jì)、加工、使用各方面進(jìn)行具體的分析.（2）確定失效的發(fā)源點(diǎn)及失效的方式，通過(guò)宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學(xué)或電子顯微鏡）斷口分析或必要的金相剖面分析以確定。（3）對(duì)失效樣品進(jìn)行性能測(cè)試、組織分析、化學(xué)分析和無(wú)損探傷。（4）通過(guò)斷力學(xué)分析確定失效的原因及提出改進(jìn)措施。（5）綜合各方面分析資料做出判斷，確定失效的具體原因，提出改進(jìn)措施，寫(xiě)出報(bào)告。而零件的失效形式主要與其特有的工作條件是分不開(kāi)的。零件的工作條件主要包括：（1）受力情況：力的大小、種類、分布、殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中情況等。（2）載荷性質(zhì)：靜載荷、沖擊載荷、循環(huán)載荷等。（3）溫度：低溫、常溫、高溫、變溫等。（4）環(huán)境介質(zhì)：干爽、潮濕、腐蝕性介質(zhì)等。（5）摩擦潤(rùn)滑：干摩擦、滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、有無(wú)潤(rùn)滑劑等。（6）有無(wú)振動(dòng)。一、選材的一般原則選材的基本原則是材料在能滿足零件使用性能的前提下，具有較好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)本國(guó)資源情況，優(yōu)先選擇國(guó)產(chǎn)材料。材料的使用性能應(yīng)滿足工作要求,對(duì)一般機(jī)械零件來(lái)說(shuō)，選材時(shí)主要考慮的是其機(jī)械性能（力學(xué)性能）。零件按力學(xué)性能選材時(shí)，結(jié)合該類零件出現(xiàn)的主要失效形式，找出該零件在實(shí)際使用中的主要和次要的失效抗力指標(biāo)，以此作為選材的依據(jù)，選擇出合適材料。彈性模量是控制彈性變形失效難易程度的指標(biāo)；屈服強(qiáng)度是決定塑性變形難易程度的指標(biāo)；沖擊韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性是描述脆性斷裂難易程度的指標(biāo)等。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，僅有對(duì)材料的適用性能的要求是不夠的，必須將這些使用性能要求量化為相應(yīng)的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，再結(jié)合其他因素綜合比較，選出合適的材料，再根據(jù)材料的應(yīng)用范圍進(jìn)行判斷、選材。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度、硬度等。材料的工藝性應(yīng)滿足加工要求

任何零件都是由不同的工程材料通過(guò)一定的加工工藝制造出來(lái)的。加工成零件的難易程度稱為材料的工藝性能。良好的加工工藝性能保證在一定生產(chǎn)條件下，高質(zhì)量、高效率、低成本地加工出所設(shè)計(jì)的零件，尤其是在大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，顯得更為重要。前面介紹過(guò)，材料的工藝性能包括鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性和熱處理工藝性等。一、選材的一般原則材料的選擇應(yīng)力求使零件生產(chǎn)的總成本最低除了使用性能與工藝性能外，經(jīng)濟(jì)性也是選材必須考慮的重要問(wèn)題。選材的經(jīng)濟(jì)性不單是指選用的材料本身價(jià)格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選材料來(lái)制造零件時(shí)，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時(shí)所選材料應(yīng)符合國(guó)家的資源情況和供應(yīng)情況，等等。（1）材料的價(jià)格：往往滿足零件的使用性能和工藝性能的材料不止一種，因此，設(shè)計(jì)人員要在熟悉材料市場(chǎng)價(jià)格的基礎(chǔ)上，選用性價(jià)比比較高的材料。（2）國(guó)家的資源狀況：選材時(shí)要注意所選材料是否符合我國(guó)的資源狀況，盡量選用來(lái)源豐富的材料，少選或不選資源短缺的資源，如鎳、鉻、鈷等。另外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。（3）零件的總成本：由于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的要求，選用材料時(shí)零件的總成本應(yīng)降至最低。一、選材的一般原則4.零件的選材應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織的可能性一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)零件的制造，是采用手工操作還是機(jī)器操作，是采用單件生產(chǎn)還是采用機(jī)械化自動(dòng)流水作業(yè)，這些因素都對(duì)產(chǎn)品的成本和質(zhì)量起著重要的作用。因此，在選材時(shí)，應(yīng)該考慮到所選材料能滿足實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)的可能性。在遵循選材原則的基礎(chǔ)上，還有許多影響材料性能和使用壽命的因素。（1）零件的實(shí)際工作情況：實(shí)際使用的材料不可能絕對(duì)純凈；實(shí)際工作中的材料的性能指標(biāo)與試驗(yàn)中的由一定差異等。（2）材料的尺寸效應(yīng)：即用相同材料制成的尺寸大小不一樣的零件，其力學(xué)性能會(huì)有一些差異。（3）材料力學(xué)性能之間的合理配合：根據(jù)實(shí)際情況合理調(diào)配強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等性能指標(biāo)。一、選材的一般原則金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料是目前主要的工程材料，它們各具特性，所以各有其合適的用途。相比于其他非金屬材料，金屬材料具有優(yōu)良的綜合性能，還能通過(guò)多種熱處理提高和改善材料性能，充分發(fā)揮材料的潛力。所以金屬材料，特別是鋼鐵材料，目前仍是機(jī)械工業(yè)中最主要的結(jié)構(gòu)材料。下面介紹典型零件選材的同時(shí)緊密結(jié)合熱處理工藝加以分析、討論。一、軸類零件的選材及熱處理軸類零件的工作條件、失效形式及技術(shù)要求軸是機(jī)器中的重要零件之一，用來(lái)支持旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪等。大多數(shù)軸主要用于支承傳動(dòng)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，其工作條件和失效形式如下。（1）大多承受一定的過(guò)載或沖擊載荷，導(dǎo)致扭斷或折斷。（2）軸頸和花鍵部位承受較大的摩擦，導(dǎo)致過(guò)量磨損。（3）傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷與彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致疲勞斷裂。根據(jù)軸的工作條件與失效形式，要求主軸材料應(yīng)具備以下主要性能。（1）具有較高的綜合力學(xué)性能。軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要承受一定的變動(dòng)載荷與沖擊載荷，常產(chǎn)生過(guò)量變形與疲勞斷裂失效。如果主軸材料通過(guò)正火或調(diào)質(zhì)處理后具有較好的綜合力學(xué)性能，即較高的硬度、強(qiáng)度、塑性與韌性，則能有效地防止主軸產(chǎn)生變形與疲勞失效。（2）主軸軸頸等部位淬火后應(yīng)具有高的硬度和耐磨性，提高主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度及使用壽命。軸類零件的選材軸的材料及熱處理工藝的選擇應(yīng)根據(jù)其工作條件、失效形式及技術(shù)要求來(lái)確定。軸類零件的材料一般選用中碳鋼或中碳合金鋼，常用的鋼種是45鋼、40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo、40CrNiMo。為了改善材料力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理。中碳鋼以45號(hào)鋼用得最為廣泛。合金鋼具有較高的機(jī)械性能，但價(jià)格較貴，多用于有特殊要求的軸。（1）主軸尺寸較大，承載較大時(shí)，采用合金調(diào)質(zhì)鋼。（2）主軸承受重載荷、高轉(zhuǎn)速，沖擊與變動(dòng)載荷很大時(shí)，選用合金滲碳鋼。（3）主軸在高溫、高速和重載條件下工作，采用合金結(jié)構(gòu)鋼。一、軸類零件的選材及熱處理3.機(jī)床主軸的選材及熱處理工藝分析機(jī)床主軸是最常見(jiàn)的軸類零件，下面就以機(jī)床主軸為例，就其選材和熱處理工藝進(jìn)行分析。C616型臥式車床變速箱的主軸如圖11-2所示。該主軸承受交變彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，但載荷不大，轉(zhuǎn)速較低，受沖擊較小，故材料具有一般綜合力學(xué)性能即可滿足要求。主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，經(jīng)常與卡盤(pán)、頂尖有相對(duì)摩擦，花鍵部位與齒輪有相對(duì)滑動(dòng)，因此這些部位硬度及耐磨性有較高要求。該主軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度及使用壽命，軸頸處應(yīng)采用硬度為220～250HBS的材料。圖11-2C616型臥式變速箱的車床主軸簡(jiǎn)圖一、軸類零件的選材及熱處理根據(jù)上述工作條件分析，該主軸可選45鋼，為了獲得良好的綜合力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度，進(jìn)行整體調(diào)質(zhì)，硬度為220～250HBS；內(nèi)外錐圓采用鹽浴局部淬火和回火，硬度為45～50HRC，獲得較高的耐磨性；花鍵部分采用高頻淬火及低溫回火，獲得較高的硬度（48～53HRC）和耐磨性。其工藝路線為：下料→鍛造→正火→機(jī)械粗加工→調(diào)質(zhì)→機(jī)械半精加工→局部淬火（內(nèi)外錐圓）→回火→粗磨→滾銑花鍵→花鍵高頻淬火+低溫回火→精磨。一、軸類零件的選材及熱處理二、齒輪類零件的選材及熱處理1.齒輪的工作條件、失效形式及對(duì)材料性能的要求齒輪作為一種重要的機(jī)械傳動(dòng)零件，在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，各類齒輪的工作過(guò)程大致相似，主要用于傳遞動(dòng)力、調(diào)節(jié)速度和方向，只是受力程度，傳動(dòng)精度有所不同。齒面接觸傳遞動(dòng)力，在嚙合齒表面存在很高的接觸壓應(yīng)力及強(qiáng)烈的摩擦，從而發(fā)生齒面剝落現(xiàn)象；傳遞動(dòng)力時(shí)，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力，易造成齒根的疲勞斷裂；當(dāng)嚙合不良，啟動(dòng)或換擋時(shí)，輪齒將承受較高的沖擊載荷。由上可知通常情況下，齒輪的失效形式主要有：疲勞斷裂、齒面磨損、過(guò)載斷裂等。除過(guò)載外，齒輪根部的彎曲疲勞應(yīng)力造成輪齒折斷的首要原因，疲勞斷裂約占失效齒輪總數(shù)的三分之一。其次是齒面接觸區(qū)的強(qiáng)烈摩擦。在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋并逐漸脫落，形成麻點(diǎn)，造成接觸疲勞失效。根據(jù)齒輪的工作條件和主要失效形式，要求齒輪應(yīng)具備以下主要性能。（1）具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度齒根圓角處的金相組織（馬氏體和少量殘余奧氏體）與硬度、表面殘余壓應(yīng)力以及一定的心部硬度（36～40HRC）和有效淬火層深度（齒輪模數(shù)的15%～20%）對(duì)提高彎曲疲勞強(qiáng)度有著重要的作用。（2）具有高的接觸疲勞抗力通過(guò)提高齒面硬度，特別是采用滲碳、滲氮、碳氮共滲及其他齒面強(qiáng)化措施可大幅度提高齒面抗剝落的能力。一般地，滲碳淬火后齒輪表層的理想組織是細(xì)晶粒馬氏體加上少量殘余奧氏體。心部金相組織應(yīng)是馬氏體和貝氏體的混合組織。另外，齒輪表層組織中含有少量均勻分布的細(xì)小的碳化物對(duì)提高表面接觸疲勞強(qiáng)度和抗磨損能力都是有利的。二、齒輪類零件的選材及熱處理彈簧的工作條件及失效形式彈簧大多是在沖擊、振動(dòng)或周期性彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變應(yīng)力下工作，利用彈性變形來(lái)達(dá)到貯存能量、吸振、緩和沖擊的作用。彈簧承受大載荷且是變動(dòng)載荷時(shí)，易造成疲勞斷裂；彈簧受到?jīng)_擊載荷或振動(dòng)載荷且載荷過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變形過(guò)大，周而復(fù)始會(huì)導(dǎo)致彈性喪失。因此，材料應(yīng)具有高的疲勞極限；彈簧類零件的材料應(yīng)具有高的彈性極限和彈性比功，保證彈簧具有足夠的彈性變形能力。此外，彈簧材料還應(yīng)具有足夠的塑性、韌性，因脆性大的材料對(duì)缺口十分敏感，會(huì)顯著降低疲勞強(qiáng)度；對(duì)于特殊條件下工作的彈簧，還有某些特殊性能要求，如耐熱性，耐蝕性等。二、齒輪類零件的選材及熱處理彈簧的選材及熱處理工藝分析彈簧鋼按化學(xué)成分可分為碳素彈簧鋼與合金彈簧鋼兩大類。碳素彈簧（Wc=0.5%～0.7%）一般為高碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，如60、65、70、75、60Mn、65Mn、75Mn等。這類鋼價(jià)格比合金彈簧鋼便宜，熱處理后具有一定的強(qiáng)度，但淬透性差。一般只適宜制作線徑較小的不太重要的彈簧（主要承受靜載荷及有限次數(shù)的循環(huán)載荷），如直徑小于Φ12mm的一般機(jī)器上的彈簧，直徑小于Φ25mm的彈簧發(fā)條，剎車彈簧等。合金彈簧鋼（Wc=0.5%～0.7%）中加入硅、錳、鉻、釩、鎢等合金元素，提高鋼的淬透性，強(qiáng)化鐵素體，細(xì)化晶粒以及增加回火穩(wěn)定性?？紤]到錳有較大的過(guò)熱敏感性，因此，對(duì)于性能要求較高的彈簧，還需加入少量的鉻、釩、鎢等元素，以減少?gòu)椈射摰倪^(guò)熱傾向，同時(shí)進(jìn)一步提高鋼的性能。二、齒輪類零件的選材及熱處理二、齒輪類零件的選材及熱處理彈簧的尺寸不同，其成形工藝和熱處理方法也有差別。線徑或板厚大于10mm的螺旋彈簧或板彈簧，往往在熱態(tài)下成形，然后進(jìn)行淬火，中溫回火處理，獲得回火托氏體組織，硬度為35～50HRC，具有高的屈強(qiáng)比，彈性極限和較高的韌性。線