第十四章 机械零件用材及成形工艺

1、十四章 机械零件用材及成形工艺的选择 学习目标主要内容本章小结思考练习选材的问题是机械工程类技术人员常会碰到的问题，它与机械设计及机械制造关系极为密切，是我们必须要掌握的一部分内容。本章从整体上了解工程材料的使用工况及其对材料性能的要求；材料的常见失效形式；各种材料的性能等与材料及成形工艺选择的关系。重点掌握零件材料及其成形工艺的选择方法。通过零件用材的选择实例。了解选材时考虑的材料、需求、制备工艺、经济要求等基本要点。主 要 内 容第一节 材料的失效形式材料的失效形式 第二节 选材的基本原则和方法选材的基本原则和方法 第三节 典型零件的材料及成形典型零件的材料及成形 工艺选择工艺选择 一、材

2、料的使用条件材料的使用条件 二、材料的失效及判据材料的失效及判据 三、材料的失效形式三、材料的失效形式 四、材料失效分析材料失效分析 第一节 材料的失效形式 一、材料的使用条件 零件的功能： （1）在一定压力、温度、介质下，保持规定形状和尺寸； （2）实现规定的机械运动； （3）传递力和能。材料通过制造的零件实现其价值。一、材料的使用条件 受力情况 使用环境温度 使用介质： 其它方面 二、材料的失效及判断 1.材料的失效 2.材料失效的判断1.材料的失效二、材料的失效及判断 零件失去设计要求的功能（性能、形状、尺寸）称为失效。2.材料失效的判断二、材料的失效及判断 三、材料的失效形式 1.材料

3、性能降低 2.过量变形 3.断裂 4.零件表面损伤 三、材料的失效形式1.材料性能降低 2.过量变形 弹性变形失效三、材料的失效形式三、材料的失效形式 塑性变形失效三、材料的失效形式3.断裂分类：u韧性断裂： 断前产生明显塑性变形，尺寸明显变化。如低碳钢在拉应力下产生塑性变形后断裂。韧性韧性断口断口三、材料的失效形式u脆性断裂：断前几乎不产生塑性变形，如灰铸铁在拉应力作用下不产生塑性变形而断裂脆性脆性断口断口1-低碳钢2-铸铁3-高弹性材料三、材料的失效形式u疲劳断裂： 零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象称为疲劳断裂。交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂过程：

4、 裂纹萌生疲劳裂纹扩展最后断裂。疲劳断裂宏观断口1-最后断裂区；2-前沿线；3-裂纹扩展区 tt 当零件表面尺寸变化或表面破坏超过许用程度时引起的失效现象。 分类：磨损失效 腐蚀失效 三、材料的失效形式4.零件表面损伤三、材料的失效形式预防、减小磨损失效的措施：u提高零件表面硬度；u减小压应力；u提高表面粗糙度 磨损失效磨损失效 材料受环境介质的作用引起的破坏现象。如钢铁生锈、土壤腐蚀等。 腐蚀失效腐蚀失效 三、材料的失效形式防止腐蚀的办法：u 改变金属成分（合金化） 提高基体电极电位 形成致密氧化膜 获得单相组织u 表面保护（覆盖法） 发蓝，磷化，阳极化 电镀 喷漆u 改善环境：干燥气体覆盖

5、法三、材料的失效形式四、材料失效分析 1.失效分析的目的及作用 2.材料失效的原因 3.失效分析的步骤1.失效分析的目的及作用 失效分析目的是找出材料失效原因，研究材料失效规律、失效速度、失效周期，找出引起材料失效的关键因素及提高材料寿命的措施，从选材和选择工艺方法角度预防零部件的早期失效。四、材料失效分析2.材料失效原因四、材料失效分析 零件设计 选材铸造钢锭 挤压棒料2.材料失效原因四、材料失效分析 材料加工工艺 零件安装使用u锻造时的过热、过烧u热处理中的脱碳u材料成型方法不当：高碳钢的毛坯准备形式u切削加工时的粗糙度太差、刀痕过深等u安装时的过紧、过松u使用中的保养u保护现场，搜集失效

6、零件残骸，观测并记录损坏部位；了解零件工作环境。了解失效经过，观察相关零件的损坏情况，判断损坏的顺序。u检测：化学分析 断口分析 显微分析 应力分析 力学性能测试 断裂力学分析u综合分析：综合以上各种材料，判断出引起材料失效的原因，提出改进措施。u写出失效分析报告。四、材料失效分析3.失效分析的步骤一、选材的基本原则选材的基本原则 二、材料及成形工艺选择材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据的步骤、方法、依据 第二节 选材的基本原则和方法 一、选材的基本原则 1.适用性原则 2.工艺性原则 3.经济性原则 1.适用性原则 为满足材料使用要求，进行材料选择时，主要从三方面考虑： 零件的负载情况：

7、指载荷的大小和应力状态； 材料的使用环境：材料所处的环境，如介质、 工作温度及摩擦等； 材料的使用性能要求：材料的使用寿命、材料 的各种广义许用应力、广义许用变形等。一、选材的基本原则2.工艺性原则一、选材的基本原则u零件形状复杂、尺寸较大、力学性能要求不高时，采用铸造方法，要求流动性好、收缩性小等；u零件形状不复杂、尺寸不大、力学性能要求高时，采用锻造成形，要求材料的塑性要好；u零件有特殊力学性能要求时，采用热处理强化，要求淬透性好，变形、开裂倾向小;u采用切削加工时，软硬要适当。原材料价格原材料利用率材料成形成本加工费用安装调试费、维修费、管理费。 一、选材的基本原则3.经济性原则 二、材

8、料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据 1.选材步骤 2.选材依据 3.成形工艺的选择 分析零件使用环境、受力情况，确定技术条件（零件应具有的主要力学性能指标），作为选材依据。 根据力学计算及材料特点，正确选材。 结合材料成本、材料成形工艺性、零件复杂程度、生产批量、现有生产条件等，选择合适成形工艺。 综合材料成形成本、热处理成本、使用可靠性，优化选出最合适材料 经过试验、调整，最终确定合理材料及成型工艺方法。 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据1.选材步骤u负荷情况u材料使用温度u受腐蚀情况u耐磨损情况 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据2.选材依据常用零件的负荷及性能要求 零

9、 件应力 载荷 其他 失效形式 主要力学性能要求 螺栓拉应力切应力 静载荷 过量变形、断裂 屈服强度、抗剪强度 传动轴弯应力扭应力 循环冲击 轴颈处摩擦，振动疲劳破坏、过量变形、轴颈处磨损 综合力学性能 齿轮压应力弯应力 循环冲击 强烈摩擦，振动磨损、麻点剥落、齿折断 表面：硬度及弯曲疲劳强度、接触疲劳抗力；心部：屈服强度、韧性 弹簧扭应力弯应力循环冲击 振动 弹性丧失、疲劳断裂 弹性极限、屈服比、疲劳强度 冷作模具复杂应力 循环冲击 强烈摩擦磨损、脆断 硬度，足够的强度、韧性 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据3.成形工艺的选择u复习：各种

10、成形工艺方法特点铸造锻件冲压件焊件轧材成形特点液态下成形 固态下成形 塑性变形固态下连接 塑性变形力学性能稍低于锻件 比铸件好 强度硬度高，刚度好 接头性能接近母材 比相同成分的铸件好 结构特点可生产结构相当复杂的零件 形状较简单 结构轻巧，形状可稍复杂 尺寸结构一般不受限制 形状简单，横向尺寸变化较少 材料利用率 高低较高较高较低生产周期长较长 短较短 短 生产成本较低较高量大成本低 较高较低适用范围各种结构零件和机械零件 传动零件，工具，模具等各种零件 以薄板成形的各种零件 各种金属结构件，也用于毛坯生产结构上的毛坯料 3.成形工艺的选择 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据u一些材

11、料的成形工艺类型是确定的： 材料选铸铁，则选铸造成形；材料选薄板，则选板料冲压成形；材料选ABS塑料件，则选注塑成形；材料选陶瓷件，则应选陶瓷成形工艺等。零件力学性能要求：铸造件锻造件零件使用性能要求：铝合金铸件要求耐压、防漏时，选低压铸造而不选压力铸造零件的生产批量；零件形状复杂程度及精度要求现有生产条件充分考虑利用新工艺、新技术、新材料的可能性 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据 二、材料及成形工艺选择 的步骤、方法、依据一、轴杆类零件选材实例轴杆类零件选材实例 二、齿轮类零件选材实例零件选材实例三、箱体类三、箱体类零件零件选材实例选材实例第三节 典型零件的材料及成形工艺选择 一.

12、轴类零件选材实例 轴类零件包括：各种传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、连杆、拔叉等。u传递扭矩，同时还承受一定的交变弯曲应力。u轴颈承受较大的摩擦。u有时承受一定的冲击载荷或过量载荷。 轴的工作条件 轴的失效形式：疲劳断裂、过载断裂、磨损和过量变形一.轴类零件选材实例 轴的性能要求u足够的强度、刚度、塑性、韧性，以防止过载或冲击断裂。u高的硬度和耐磨性，提高轴的运转精度和使用寿命。u高的疲劳强度，防止疲劳断裂。u良好的切削加工性能，热处理变形小。u价格低廉二.轴杆类零件选材实例 选材及成形工艺选择u载荷中等，冲击不大 二.轴杆类零件选材实例选用材料：45钢、40Cr毛坯准备形

13、式：锻造热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度HB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火或退火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。二.轴杆类零件选材实例u受力大，承受高转速、冲击与循环载荷很大（汽车传动轴）选用材料：渗碳钢（20、20CrMnTi）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、渗碳淬火。性能要求：心部：3035HRC 表面：5662HRC。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工非渗碳部位保护渗碳+淬火+低温回火精加工。二.轴杆类零件选材实例u受力小或主要承受静载荷的轴类零件，或形状复杂的曲轴、凸轮轴选用材料

14、：球墨铸铁毛坯准备形式：铸造加工工艺路线： 铸造正火+高温回火粗加工、半精加工轴颈表面淬火+回火精加工。 正火目的：得到细化的P，提高Rm、HRC 高温回火：消除内应力三.齿轮类零件选材实例 齿轮的工作条件u通过齿面接触传递动力，周期地受弯曲应力和接触应力作用；u啮合齿表面承受较大摩擦和磨损；u由于换档启动或啮合不良，轮齿会受到冲击。 齿轮的失效形式：齿面接触疲劳、磨损及轮齿折断三.齿轮类零件选材实例 齿轮的性能要求u高的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度。u齿面有高的硬度和耐磨性。u轮齿心部有足够的强度和韧性。u良好的切削加工性能和最小的淬火变形。u价格适中。三.齿轮类零件选材实例 选材及成形工

15、艺选择u中低转速，载荷不大的中小型传动齿轮（如机床变速齿轮）选用材料：调质钢（45、40Cr）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、表面淬火+低温回火。性能要求：心部：3035HRC 表面：5055HRC。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工表面淬火+低温回火精加工。三.齿轮类零件选材实例u高速、重载、冲击较大的齿轮（如汽车变速齿轮）选用材料：渗碳钢（20CrMoTi）毛坯准备形式：锻造热处理：调质、渗碳+淬火+低温回火。性能要求：心部：2832HRC 表面：5662HRC。 加工工艺路线： 下棒料锻造正火粗加工调质处理半精加工渗碳+表面淬火+低温回火精加工。三.齿轮类零件选材实例

16、u力学性能高、形状复杂、尺寸大的齿轮选用材料：铸钢（ZG270-500、ZG310-570）毛坯准备形式：铸造热处理：正火或退火。 加工工艺路线： 铸造正火或退火机械加工。三.齿轮类零件选材实例u轻载、低速、冲击较小的齿轮选用材料：铸铁（HT200、HT300）毛坯准备形式：铸造热处理：正火或退火。 加工工艺路线： 铸造正火或退火机械加工。三.齿轮类零件选材实例u受力不大、无润滑条件下工作的齿轮选用材料：塑料（如尼龙、聚碳酸脂等）成型方法：注射成型应用：石英钟u仪器仪表或接触腐蚀介质的轻载齿轮选用材料：有色金属（H62黄铜、CuSn6P锡青铜、7A04超硬铝等）成型方法：机械加工五.箱体类零件

17、选材实例 箱体类零件的工作条件u支承、定位、密封。u受力不大，多承受压应力。u形状复杂、尺寸大、壁厚较薄。 箱体类零件的失效形式u变形失效。u断裂失效。u磨损失效。五.箱体类零件选材实例 箱体类零件的性能要求u较高的硬度、抗压强度。u良好的减震性。u高的尺寸稳定性，保证定位准确、密封可靠。五.箱体类零件选材实例 箱体类零件的选材及成型工艺u受力较大、要求高强度、受较大冲击的箱体选用材料：铸钢（ZG40Mn等）成型方法：铸造热处理：退火应用：大型轧钢机机架、重型水压机横梁五.箱体类零件选材实例u受力不大或主要承受静力、不受冲击的箱体选用材料：灰铸铁（HT200等）成型方法：铸造热处理：退火应用：

18、机床床身、齿轮箱u受力较大、形状简单的箱体选用材料：碳素结构钢板（Q235等）成型方法：焊接五.箱体类零件选材实例u受力不大、要求重量轻、导热性好的箱体选用材料：铝合金（ZL104、ZL101等）成型方法：压力铸造热处理：时效应用：摩托车发动机箱体五.箱体类零件选材实例u受力很小、要求重量很轻的箱体选用材料：塑料（ABS、有机玻璃等）成型方法：注射成形应用：手机外壳、家用电器外壳六.单级齿轮减速器组件的成形方法选择 在机械传动中，为降低转速并相应地增大转矩，常在原动机部分与工作机部分之间安装具有固定传动比的独立部件，它通常是由封闭在箱体内的齿轮传动组成，这种独立传动的部件称为减速器。六.单级齿轮减速器组件的成形方法选择u箱体和箱盖形