第十二章 机械零件用材料及成型工艺.ppt

第十二章机械零件用材料及成型工艺的选择 主要内容 零件的失效分析材料及成型工艺选择的步骤和方法典型零件的材料及成型工艺的选择 第一节零件的失效分析 失效的概念 一般说来 发生下列情况之一时 被定位为失效 完全失去原定功能 仍然可用 但是不再能够良好地实现其原定功能 严重损伤 使其在继续使用的过程中失去可靠性和安全性 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施 防止类似事件再次发生 提高产品质量 二 零件失效的原因1 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 2 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 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 3 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 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 4 安装使用因素 三 形式 过量变形失效 过量弹性变形 过量塑性变形 断裂失效 韧性断裂 应力腐蚀断裂 蠕变断裂 疲劳断裂 低应力断裂 脆性断裂 表面损伤失效 磨损 接触疲劳 腐蚀 一 零件在常温静载下的过量变形 材料的静载性能指标有哪些 什么是过量弹性变形失效 发生过量弹性变形的原因是什么 设计时应选择什么性能指标 发生过量塑性变形的原因是什么 抗力指标有哪些 主要问题 1 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 Dl Dl 拉压或者弯曲条件下 或者q q 扭转条件下 2 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E或者切变模量G2 过量塑性变形及抗力指标 1 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形的能力不够 3 抗力指标 比例极限 弹性极限和屈服极限 本书中所讲的材料的力学性能指标及应用 刚度 在设计中 考虑构件在受力时发生的弹性变形量 需要用刚度 主要力学性能是材料的弹性模量 如镗床的镗杆 齿轮轴等 弹性指标 弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标 如汽车板簧和各类弹簧等 强度和塑性指标 屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计 硬度 在耐磨零件中必须考虑的性能指标 如滚珠轴承 活塞环等 二 断裂失效 1 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过程的区别在哪里 3 什么是材料的韧性 评价材料韧性的力学性能指标有哪些 4 材料韧性指标的含义及应用 静载荷和冲击载荷断裂 材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象 断裂的分类 韧性断裂和脆性断裂断裂过程 裂纹萌生和裂纹扩展韧性 表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 1 冲击韧性及衡量指标 1 冲击韧性 材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力 是材料强度和塑性的综合表现 2 衡量指标 冲击吸收功Ak冲击韧度ak ak Ak Fk 3 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 4 低温冲击试验 材料的韧脆转变温度TK 2 断裂韧性及衡量指标 1 断裂韧度KIC 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 单位 MPa m1 2或者MN m 3 2 2 应用 判断构件是否安全 合理选材 KIKIC构件发生脆性断裂KI KIC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 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 三 磨损失效 1 粘着磨损 1 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 2 过程 3 粘着磨损的特点 磨损速度大 破坏严重 4 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材料 提高表面硬度 合理设计减小接触压应力 减小表面粗糙度 2 磨粒磨损 1 定义 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 2 过程 4 防止措施提高表面硬度 从选材方面 减少磨粒数量 从工作状况方面 3 接触疲劳 疲劳磨损 麻点磨损 1 定义 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现象 2 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 第二节材料及成型工艺选择的步骤和方法 一 材料及其成型工艺路线选择的步骤1 分析零件的服役条件 形状 尺寸和应力状态 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 3 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 可靠性及其经济性 二 选择的具体方法 1 按零件类别及结构特征进行选择 1 轴杆类零件 2 盘套 饼块类零件 3 机架 箱体类零件 2 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 2 以疲劳强度为主进行选择 3 以磨损为主进行选择 3 按制造中的经济性进行选择 第三节典型零件的选材及工艺分析 轴类零件齿轮类零件 一 轴类零件 1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复合作用 2 轴与轴上零件有相对运动 相互间存在摩擦和磨损 3 轴在高速运转过程中会产生振动 使轴承受冲击载荷 4 多数轴会承受一定的过载载荷 2轴类零件的失效方式 1 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 转轴弯曲疲劳断口形貌直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断 2 大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形 断裂 3 与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损 轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损3 轴类零件的性能要求 1 综合机械性能 足够强度 塑性和一定韧性 以防过载断裂 冲击断裂 2 高疲劳强度 对应力集中敏感性低 以防疲劳断裂 3 足够淬透性 热处理后表面要有高硬度 高耐磨性 以防磨损失效 4 良好切削加工性能 价格便宜 4 轴类零件的选材和热处理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装 并使轴具有合理的结构工艺性及运转的稳定性 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1m以上 受力很大 普通机床主轴的直径大多在100mm以下 而钟表轴的直径在0 5mm以下 受力很小 因此 轴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35 45 50钢等 其中45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 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 依据合金钢的种类及轴的性能要求 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性能潜力 例1 以CA6140车床主轴为例进行分析CA6140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 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 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 为防止磨损保证精度 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 热处理及加工工艺路线如下 主轴材料 45钢 主轴热处理技术条件 整体调质 硬度220 250HBS 内锥孔与外锥体局部淬火 硬度45 50HRC 轴颈部位高频淬火 硬度45 50HRC 加工工艺路线 例2 内燃机曲轴的选材和加工工艺分析该轴是内燃机中形状复么的轴件之一 它的作用是输出内燃机功率 驱动机械作功 并通过曲柄连杆机构带动活塞上下往复运动 使内燃机连续工作 曲轴是内燃机的关键性零件之一 曲轴的工作条件 失效形式及性能要求 曲轴工作时 受到连杆传来的周期性燃气压力 曲柄连杆机构的惯性力 扭转和弯曲应力及冲击力等复杂应力的共间作用 曲轴轴颈除担负很大载荷外 还受到严重的滑动摩擦 曲轴的主要失效形式是磨损和疲劳断裂 表面磨损尤以连杆轴颈最为严重 综上分析 曲轴的主要性能要求是 要有优良的综合力学性能 高的疲劳强度和足够的刚度 轴颈表面要有良好的耐磨性 曲轴用材及热处理 根据内燃机类型 功率 转速和轴承材料等条件进行综合考虑 以便确定曲轴材料及热处理工艺 曲轴根据制造工艺分为锻钢曲轴和铸铁曲轴 锻钢曲轴的常用材料为中碳钢和合金调质钢 应用最多的是45钢和35CrMo 轻 小型载重汽车 轿车和拖拉机的内燃机曲轴 多采用45钢制造 中速大功率的柴油机曲轴多采用35CrMo钢制造 高速大功率柴油机曲轴可采用42CrMo 50CrMo 40CrNiMo等制造 锻钢曲轴多采用全纤维模锻件毛坯 保证内部纤维组织连续 受力状态分布合理 以提高曲轴承载能力和使用寿命 中碳钢曲轴通常先正火 硬度163 229HBS 粗加工后调质处理 207 269HBS 然后在轴颈处进行中频淬火 低温回火 合金钢曲轴一般先退火 粗加工后调质处理 再对轴颈中频淬火及低温回火 如需更高的耐磨性 可对轴颈进行渗氮处理 铸造曲轴常用的材料有 球墨铸铁 珠光体可锻铸铁 合金铸铁等 球墨铸铁曲轴的静强度 过载特性 耐磨性和缺口敏感性比45钢锻钢曲轴好 且制造成本低 可以代替部分锻钢曲轴 二 齿轮类零件 1 齿轮的工作条件一对齿轮副在运转工作中 因传递动力而使齿根部受到弯曲应力 而齿面的啮合运动使齿面存在相互滚动和滑动摩擦的摩擦力 同时在齿面接触处承受很大交变接触压应力 此外 由于换档 启动或啮合不均 齿轮常受到一定的冲击载荷 瞬间过载作用 若是开式齿轮 还会受到外来磨粒的摩擦作用 2 主要失效形式齿轮在上述工作条件下 主要的失效形式有 1 轮齿断裂 其中多数为疲劳断裂 主要是由于轮齿根部所受的弯曲应力超过了材料的抗弯强度而引起 而过载断裂是由丁短时过载或冲击过载而引起 多发生在硬齿面齿轮或韧性不足的材料制造的齿轮中 2 表面疲劳磨损 点蚀 在交变接触应力作用下 齿面产生微裂纹 微裂纹的扩展 引起齿面点状剥落 3 齿面磨损 因齿面接触去的摩擦作用 使齿厚变小 4 齿面塑性变形 主要因齿轮强度不足和齿面硬度较低 在低速重载和起动 过载频繁的传动齿轮中容易产生 3 性能要求为保证齿轮的正常运转 防止早期失效 其主要性能要求有 1 具有高的接触疲劳强度 高的表面硬度和耐磨性 防止齿面损伤 2 具有高的抗弯强度 适当的心部强度和韧性 防止疲劳 过载及冲击断裂 3 齿轮材料应具有良好的切削加工性能 热处理工艺性能 以获得高的加工精度 提高齿轮抗疲劳能力 此外 在齿轮副中 因小齿轮的齿根薄 轮齿受载次数多 其硬度应比大齿轮高 一般两齿轮齿面硬度差 软齿而为30一50HBs 硬齿面为5HRC左右 4 齿轮的选材及热处理确定齿轮用材及热处理方法 主要根据齿轮的传动方式 开式或闭式 载荷性质与大小 传动速度和精度要求等工作条件而定 同时还要考虑 依据齿轮模数和截面尺寸提出的淬透性及齿面硬化要求 齿轮副的材料及硬度值的匹配等问题 齿轮用材绝大多数是钢 锻钢与铸钢 某些开式传动的低速轻载齿轮可用铸铁 特殊情况下还可采用有色金属及工程塑料等 1 钢制齿轮齿轮毛坯主要通过型材的切削加工和锻造 自由锻或模锻 两种方法获得 由于锻造齿轮毛坯的纤维组织分布合理 力学性能好 故重要用途的齿轮都采用锻造毛坯 钢质齿轮按齿面硬度分为硬齿面齿轮和软齿面齿轮 齿面硬度低于350HBS为软齿面 高于350HBS以为硬齿面 1 轻载 低速或中速 冲击载荷小 精度要求较低的一般齿轮 通常选用中碳钢如Q255 Q275 40 45 50 50Mn等制造 常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮 正火硬度为160一200HBS 调质硬度一般为200一280HB5 一般不超过350HBS 因其硬度适中 精切齿廓可在热处理后进行 工艺简单 成本较低 但承载能力不高 主要应用于标准系列减速箱齿轮 冶金机械 机床和重型机械中的一些次要齿轮 2 中载 中速 受一定冲击载荷 运动较为平稳的齿轮 选用中碳钢或合金调质钢 如45 50Mn 40Cr 42SiMn等 其最终热处理采用高频淬火及低温回火 齿面硬度可达50一55HRC 齿心部保持原正火或调质状态 具有较好的韧性 由于感应加热表面淬火的轮齿变形较小 若精度要求不高 如7级以下 时 可不必再磨齿 机床中大多数齿轮就是这种类型的齿轮 应当指出 对表面硬化的齿轮 应注意控制硬化层深度及其沿齿廓的合理分布 3 重载 高速或中速 且承受较大冲击载荷的齿轮 选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢 如20CrMnTi 20MnVB 20CrMo 18Gr2Ni4WA等 其热处理是渗碳 淬火 低温回火 齿轮表面硬度 58 63HRC 因淬透性较高 齿轮心部可获得较高的强度和韧件 这种齿轮表面耐磨性 抗接触疲劳强度 抗弯强度及心部抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高 但热处理变形大较 精度要求较高时 最后要安排磨削 主要适用于汽车 拖拉变速箱和后桥中的齿轮 碳氮共渗工艺与渗碳相比 具有热处理变形小 生产周期短 力学性能好等优点 许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺 4 精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮 如内齿轮 主要要求精度高 热处理变形小 宜采用氮化钢 如35CrMo 38CrMoAl等 热处理为调质及氮化处理 氮化后齿面硬度高 通常可达850 1200HV 热处理变形小 热稳定好 并具有一定的耐蚀性 其缺点是硬化层较薄 不耐冲击 故不适于载荷频繁变化的重载齿轮 而多用于载荷平稳 润滑良好的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮 近年来 由于软氮化和离子氮化工艺的发展 使工艺周期缩短 可选用钢种增加 氮化齿轮的应用不断增加 2 铸钢齿轮某些尺寸较大 如 400一600mm 形状复杂并承受 定冲击的齿轮 其毛坯用锻造难以成型时 需要采用铸钢 常用碳素铸钢有 ZG35 ZG45 ZG55等 载荷较大的齿轮采用合金铸钢如 ZG40Cr ZG35CrMo ZG42MnSi等 铸钢齿轮的热处理 通常是在加工前进行正火或退火处理 以消除铸件内应力 改善组织和性能不均以提高切削性能 一般要求不高 转速较低的铸钢齿轮可以在退火或正火状态下使用 耐磨性要求高的 可进行表面淬火 3 铸铁齿轮一般开式传动齿轮多用灰口铸铁制造 灰口铸