机械零件用材料及成型工艺的选择课件.ppt
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- 机械零件 用材 料及 成型 工艺 选择 课件
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1、l零件的失效分析零件的失效分析l材料及成型工艺选择的步骤和方法材料及成型工艺选择的步骤和方法l典型零件的材料及成型工艺的选择典型零件的材料及成型工艺的选择l失效的概念:一般说来,发生下列情况失效的概念:一般说来,发生下列情况之一时,被定位为失效之一时,被定位为失效:完全失去原完全失去原定功能;定功能;仍然可用,但是不再能够良仍然可用,但是不再能够良好地实现其原定功能;好地实现其原定功能;严重损伤,使严重损伤,使其在继续使用的过程中失去可靠性和安其在继续使用的过程中失去可靠性和安全性。全性。一、失效分析的目的和作用一、失效分析的目的和作用找出失效原因,提出防止或推迟失效的措找出失效原因,提出防止
2、或推迟失效的措施,防止类似事件再次发生,提高产品质施,防止类似事件再次发生,提高产品质量。量。二、零件失效的原因二、零件失效的原因1.设计因素设计因素最常见的情况是零件尺寸和几何结构不正确,如过渡最常见的情况是零件尺寸和几何结构不正确,如过渡圆角半径太小,存在过大的应力集中;设计中对零件圆角半径太小,存在过大的应力集中;设计中对零件的工作条件估计错误或估计不足,零件设计承载能力的工作条件估计错误或估计不足,零件设计承载能力不够;或忽略了某些设计因素,如温度、环境介质的不够;或忽略了某些设计因素,如温度、环境介质的影响等。这些都是在设计过程需要特别注意的。影响等。这些都是在设计过程需要特别注意的
3、。2.加工工艺因素加工工艺因素对于很多零件而言,尽管原始设计时正确的,但是如果加对于很多零件而言,尽管原始设计时正确的,但是如果加工工艺条件不满足设计要求,仍任会导致零件失效。工工艺条件不满足设计要求,仍任会导致零件失效。如冷加工中常出现的过深的刀痕,磨削裂纹等缺陷;如冷加工中常出现的过深的刀痕,磨削裂纹等缺陷;热成型出现的过热等缺陷,热处理工序遗漏,工艺参热成型出现的过热等缺陷,热处理工序遗漏,工艺参数选择有误等,都是造成零件失效的重要原因。数选择有误等,都是造成零件失效的重要原因。3.材料因素材料因素材料造成的失效可能是由于选材不当,也可能是由于冷、材料造成的失效可能是由于选材不当,也可能
4、是由于冷、热工艺加工工艺过程中形成的缺陷,导致材料的力学热工艺加工工艺过程中形成的缺陷,导致材料的力学性能有所下降,造成实际承载能力降低。性能有所下降,造成实际承载能力降低。4.安装使用因素安装使用因素三三.形式形式过量变形失效过量变形失效过量弹性变形过量弹性变形过量塑性变形过量塑性变形断裂失效断裂失效韧性断裂韧性断裂应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂蠕变断裂疲劳断裂疲劳断裂低应力断裂低应力断裂脆性断裂脆性断裂表面损伤失效表面损伤失效磨损磨损接触疲劳接触疲劳腐蚀腐蚀l材料的静载性能指标有哪些材料的静载性能指标有哪些?l什么是过量弹性变形失效什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性发生过量弹性变形的原
5、因是什么变形的原因是什么?设计时应选择什么性设计时应选择什么性能指标能指标?l发生过量塑性变形的原因是什么发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指抗力指标有哪些标有哪些?主要问题:主要问题:1.过量弹性变形及抗力指标过量弹性变形及抗力指标(1)零构件发生过量弹性变形失效:零构件发生过量弹性变形失效:D Dl D Dl(拉压或者弯曲条件下)拉压或者弯曲条件下)或者或者q q q q(扭转条件下)(扭转条件下)(2)过量弹性变形的原因:零构件的刚度不够)过量弹性变形的原因:零构件的刚度不够(3)抗力指标:弹性模量)抗力指标:弹性模量E或者切变模量或者切变模量G2.过量塑性变形及抗力指标过量塑性变形及抗
6、力指标(1)发生条件:塑性变形量超过允许变形量)发生条件:塑性变形量超过允许变形量(2)原因:偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变)原因:偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够形的能力不够(3)抗力指标:比例极限、弹性极限和屈服极限)抗力指标:比例极限、弹性极限和屈服极限本书中本书中所讲的所讲的材料的材料的力学性力学性能指标能指标及应用及应用刚度刚度:在设计中,考虑构件在在设计中,考虑构件在受力时发生的弹性变形量,需受力时发生的弹性变形量,需要用刚度。主要力学性能是材要用刚度。主要力学性能是材料的弹性模量。如镗床的镗杆、料的弹性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴等齿轮轴等弹性指标弹性指标:弹性极限和
7、弹性弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等类弹簧等强度和塑性指标:强度和塑性指标:屈服强度屈服强度和塑性用于一般零件的抗断和塑性用于一般零件的抗断裂设计。裂设计。硬度硬度:在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞环性能指标。如滚珠轴承、活塞环等等.1.断裂可分为几类?韧性断裂和脆性断裂如何区分?断裂可分为几类?韧性断裂和脆性断裂如何区分?2.断裂过程分为几个阶段?韧性断裂和脆性断裂的断裂断裂过程分为几个阶段?韧性断裂和脆性断裂的断裂过程的区别在哪里?过程的区别在哪里?3.什么是材料的韧
8、性?评价材料韧性的力学性能指标有什么是材料的韧性?评价材料韧性的力学性能指标有哪些?哪些?4.材料韧性指标的含义及应用?材料韧性指标的含义及应用?l静载荷和冲击载荷静载荷和冲击载荷l断裂:断裂:材料在外力作用下分为两个或者两个以材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。上部分的现象。l断裂的分类:韧性断裂和脆性断裂断裂的分类:韧性断裂和脆性断裂l断裂过程:裂纹萌生和裂纹扩展断裂过程:裂纹萌生和裂纹扩展l韧性:表示材料在塑性变形和断裂过程中韧性:表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。吸收能量的能力。1.冲击韧性:材料在冲击载荷下吸收塑性冲击韧性:材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂
9、功的能力。是材料强度和塑变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。性的综合表现。2.衡量指标:冲击吸收功衡量指标:冲击吸收功Ak冲击韧度冲击韧度ak(akAk/Fk)3.应用:评价材料韧性的好坏,与屈服强度结合应用:评价材料韧性的好坏,与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。用于一般零件抗断裂设计。4.低温冲击试验:低温冲击试验:(材料的韧脆转变温度材料的韧脆转变温度TK)(1)断裂韧度)断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标,指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。学性能指标,指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位:单位:MPam1/2或者或者MNm-
10、3/2(2)应用)应用(判断构件是否安全,合理选材)(判断构件是否安全,合理选材)KIKIC构件发生脆性断裂构件发生脆性断裂KIKIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件构件发生低应力脆性断裂的临界条件(3)应用场合:主要用于高强度钢制造的飞机、应用场合:主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件,或者是用中低强度钢制造气轮导弹和火箭的零件,或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。机转子、大型发电机转子等。1.粘着磨损粘着磨损(1)又称咬合磨损,在滑动摩擦条件下,摩擦)又称咬合磨损,在滑动摩擦条件下,摩擦幅的接触面发生金属粘着,在随后的相对滑幅的接触面发生金属粘着,在随后的相对滑动中
11、粘着处被破坏,有金属屑粒被拉拽下来动中粘着处被破坏,有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。或者是金属表面被擦伤的一种磨损形式。(2)过程)过程(3)粘着磨损的特点:磨损速度大;破坏严重。)粘着磨损的特点:磨损速度大;破坏严重。(4)防止措施)防止措施合理选材,摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类合理选材,摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料材料;提高表面硬度;提高表面硬度;合理设计减小接触压应力;合理设计减小接触压应力;减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。局部粘着局部粘着粘着处粘着处被撕掉被撕掉金属表面被划金属表面被划伤或者金属屑伤或者金属屑粒脱落粒脱落2.磨粒磨损磨粒磨损(1)
12、定义:)定义:又称磨料磨损,在滑动摩擦时零件又称磨料磨损,在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒,使磨面发生局部塑性变表面存在硬质磨粒,使磨面发生局部塑性变形,磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致形,磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。零件表面逐渐损耗的一种磨损。 (2)过程)过程金 属 表 面金 属 表 面发 生 局 部发 生 局 部塑性变形塑性变形磨粒嵌入金属磨粒嵌入金属表面,切割金表面,切割金属表面属表面表 面 被 划表 面 被 划伤伤(4)防止措施)防止措施提高表面硬度(从选材方面);提高表面硬度(从选材方面);减少磨粒数量(从工作状况方面)减少磨粒数量(从工作状况方
13、面)。3.接触疲劳(疲劳磨损,麻点磨损)接触疲劳(疲劳磨损,麻点磨损)(1)定义:)定义:零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时,在交零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时,在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。现象。(2 2)过程:类似于疲劳断裂,是裂纹萌生和扩展过程。)过程:类似于疲劳断裂,是裂纹萌生和扩展过程。(3)主要防止措施主要防止措施提高材料硬度;提高材料纯度;提高零件心部和表面强度;提高材料硬度;提高材料纯度;提高零件心部和表面强度;减小表面粗糙度。减小表面粗糙度。一、材料及其成型工艺路线选择的步骤一、材料及其成型工艺路
14、线选择的步骤1.分析零件的服役条件、形状、尺寸和应力状态,分析零件的服役条件、形状、尺寸和应力状态,确定零件的技术条件;确定零件的技术条件;2.找出零件主要和次要的失效抗力指标;找出零件主要和次要的失效抗力指标;3.根据力学计算,确定性能指标,正确选择材料;根据力学计算,确定性能指标,正确选择材料;4.选择成型方法,确定热处理工艺方法,编制加选择成型方法,确定热处理工艺方法,编制加工工艺路线;工工艺路线;5.审核所选材料及其成型方法的安全性、可靠性审核所选材料及其成型方法的安全性、可靠性及其经济性。及其经济性。1.按零件类别及结构特征进行选择按零件类别及结构特征进行选择(1)轴杆类零件;)轴杆
15、类零件;(2)盘套、饼块类零件;)盘套、饼块类零件;(3)机架、箱体类零件。)机架、箱体类零件。2.按力学性能要求进行选择按力学性能要求进行选择(1)以综合力学性能为主进行选择;)以综合力学性能为主进行选择;(2)以疲劳强度为主进行选择;)以疲劳强度为主进行选择;(3)以磨损为主进行选择。)以磨损为主进行选择。3.按制造中的经济性进行选择。按制造中的经济性进行选择。l轴类零件轴类零件l齿轮类零件齿轮类零件1轴类零件的工作条件轴类零件的工作条件(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用复合作用;(2)轴与轴上零件有相对运动轴与轴上零件有相对运动,相互间存相互间
16、存在摩擦和磨损在摩擦和磨损;(3)轴在高速运转过程中会产生振动轴在高速运转过程中会产生振动,使使轴承受冲击载荷轴承受冲击载荷;(4)多数轴会承受一定的过载载荷。多数轴会承受一定的过载载荷。l2轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式l(1)长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂)曲疲劳断裂)l转轴弯曲疲劳断口形貌转轴弯曲疲劳断口形貌直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断断l(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂l(3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损,轴与其它零件相对运动时
17、产生的表面过度磨损,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损3.轴类零件的性能要求轴类零件的性能要求(1)综合机械性能综合机械性能:足够强度、塑性和一定韧性足够强度、塑性和一定韧性,以防以防过载断裂、冲击断裂过载断裂、冲击断裂;(2)高疲劳强度高疲劳强度,对应力集中敏感性低对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂以防疲劳断裂;(3)足够淬透性足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效以防磨损失效;(4)良好切削加工性能良好切削加工性能,价格便宜。价格便宜。l4.轴类零件的选材和热处理轴类零件的选材和热处理l轴类零件一般按强度、刚度计算和
18、结构要求两方轴类零件一般按强度、刚度计算和结构要求两方面进行零件设计、选材及热处理。通过强度、刚面进行零件设计、选材及热处理。通过强度、刚度计算保证轴的承载能力,防止过量变形和断裂度计算保证轴的承载能力,防止过量变形和断裂失效。结构要求是保证轴上零件的可靠固定与拆失效。结构要求是保证轴上零件的可靠固定与拆装,并使轴具有合理的结构工艺性及运转的稳定装,并使轴具有合理的结构工艺性及运转的稳定性。性。l轴类零件的形状、尺寸及受力情况差别很大,汽轴类零件的形状、尺寸及受力情况差别很大,汽轮机转子轴的直径可达轮机转子轴的直径可达1m以上,受力很大;普以上,受力很大;普通机床主轴的直径大多在通机床主轴的直
19、径大多在100mm以下;而钟表以下;而钟表轴的直径在轴的直径在0.5mm以下,受力很小。因此,轴的以下,受力很小。因此,轴的选材及热处理也是多种多样的。选材及热处理也是多种多样的。 制造轴类零件的材料主要是碳素结构钢和合金结制造轴类零件的材料主要是碳素结构钢和合金结构钢。轻载、低速、不重要的轴,可选用构钢。轻载、低速、不重要的轴,可选用Q235,Q255,Q275等普通碳钢,这类钢通常不进等普通碳钢,这类钢通常不进行热处理。受中等载荷而且精度要求不高的轴类行热处理。受中等载荷而且精度要求不高的轴类零件,常用优质碳素结构钢,如零件,常用优质碳素结构钢,如35、45、50钢等,钢等,其中其中45钢
20、应用最多。为改善其力学性能,一般需钢应用最多。为改善其力学性能,一般需进行正火、调质处理,为提高轴表面的耐磨性,进行正火、调质处理,为提高轴表面的耐磨性,还可进行表面淬火及低温回火。对于受较大载荷还可进行表面淬火及低温回火。对于受较大载荷或要求精度高的轴,以及处于高、低温等恶劣条或要求精度高的轴,以及处于高、低温等恶劣条件下工作的轴,应选用合金钢。常用的有件下工作的轴,应选用合金钢。常用的有20Cr,40MnB,40Cr,40CrNi,20CrMnTi,12CrNi3,38CrMoAl,9Mn2V,GCr15等。依据合金钢的种类等。依据合金钢的种类及轴的性能要求,应采用适当的热处理,如调质、及
21、轴的性能要求,应采用适当的热处理,如调质、表面淬火、渗碳、氮化等,以充分发挥合金钢的表面淬火、渗碳、氮化等,以充分发挥合金钢的性能潜力。性能潜力。l例例1:以:以CA6140车床主轴为例进行分析车床主轴为例进行分析lCA6140车床为广泛使用的普通机床,其主车床为广泛使用的普通机床,其主轴转速中等,运转平稳,冲击载荷不大,轴转速中等,运转平稳,冲击载荷不大,承受中等循环载荷,故主轴具有一般综合承受中等循环载荷,故主轴具有一般综合力学性能即可。主轴在滚动轴承中转动,力学性能即可。主轴在滚动轴承中转动,主轴上大端的内锥孔和外锥体与顶尖、卡主轴上大端的内锥孔和外锥体与顶尖、卡盘经常有相对摩擦,为防止
22、磨损保证精度,盘经常有相对摩擦,为防止磨损保证精度,轴颈和大端内、外锥部分要求有较高的耐轴颈和大端内、外锥部分要求有较高的耐磨性。综上分析,该主轴的选材、热处理磨性。综上分析,该主轴的选材、热处理及加工工艺路线如下:及加工工艺路线如下:l主轴材料:主轴材料:45钢。钢。l主轴热处理技术条件:整体调质,硬度主轴热处理技术条件:整体调质,硬度220250HBS;内锥孔与外锥体局部淬火,内锥孔与外锥体局部淬火,硬度硬度4550HRC;轴颈部位高频淬火,硬;轴颈部位高频淬火,硬度度4550HRC。加工工艺路线加工工艺路线:下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质半精加工半精加工钻中心孔钻中心孔精车
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