第十一章 机械设计及选材

1、 第一节、机械设计与选材的关系第一节、机械设计与选材的关系 第二节、机械产品的失效第二节、机械产品的失效 第三节、选材的思路与程序第三节、选材的思路与程序 第四节、第四节、 选材的典型实例分析选材的典型实例分析第一节、机械设计与选材的关系第一节、机械设计与选材的关系一、机械产品的设计过程一、机械产品的设计过程提出设计任务技术功能设计总体结构设计几何形状设计选 材工艺过程设计(加工及组织)设计总图服役条件分析服役条件分析失效形式估计失效形式估计确定失效抗力确定失效抗力及性能指标及性能指标材料设计机构设计第一节、机械设计与选材的关系第一节、机械设计与选材的关系二、设计与制造工艺路线二、设计与制造工

2、艺路线锻造时效处理精磨低温回火淬火粗磨机械加工球化退火第二节、机械产品的失效第二节、机械产品的失效 失效失效定义定义：零件或部件失去应有的功效：零件或部件失去应有的功效 失效失效分三类分三类是指：是指： 零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作； 严重损严重损伤伤，继续工作很不安全；，继续工作很不安全； 虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。 只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。一般失效。一般称呼称呼失效大多是特指零件的失效大多是特指零件的早期失效早期失效，即未，即

3、未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。 失效分析失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。的改进措施。根据失效分析的结果，改进对零件的设计、根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。第二节、机械产品的失效第二节、机械产品的失效一、机械产品失效的原因一、机械产品失效的原因1、设计不当3、材质不良4、装配、使用不当2、用材失

4、误例如：在轴类零件上开槽等例如：在轴类零件上开槽等。例如：热疲劳性能不匹配。例如：热疲劳性能不匹配。例如：材料中存在缺欠。例如：材料中存在缺欠。例如：配合不当、对中不良等例如：配合不当、对中不良等第二节、机械产品的失效第二节、机械产品的失效二、机械构件失效的形式二、机械构件失效的形式1、过量变形n 过量弹性变形过量弹性变形n 过量塑性变形过量塑性变形n 塑性变形后失稳后断裂塑性变形后失稳后断裂n 低应力脆性断裂低应力脆性断裂n 疲劳断裂疲劳断裂n 材料表面失效材料表面失效2、断裂失效第二节、机械产品的失效第二节、机械产品的失效二、机械构件失效的形式二、机械构件失效的形式中间轴疲劳断裂 故障现象

5、故障现象 中间轴零件形状见图1，在做台架试验的过程中，累计运行18.9万次后发生断裂，其部位在螺纹与齿部台阶的根部。 中间轴设计技术要求中间轴设计技术要求 1材料：42CrMo2 热处理：调质，硬度 255-285HB, 花键部分感应淬火：53-55HRC3 台架试验，输入扭矩20000 N.M，要求寿命40万次 宏观形貌 疲劳条带中间轴疲劳断裂 主要分析结论主要分析结论 1 造成疲劳断裂的主要原因是台阶处跟部圆角半径太小，只有R1, 引起极大的应力集中，实际应力远大于疲劳极限，造成裂纹源易形成，并形成多疲劳源。2 螺纹部分本身也相当于一个裂纹源，应力集中程度大，而且离台阶根部太近，只有2-3

6、mm。故有两处疲劳裂纹从螺纹根部萌生。断口分析表明台阶根部和螺纹根部是两个薄弱环节，多疲劳源的形成和扩展主要是这两个部位应力集中程度太大。 宏观形貌 疲劳条带第三节、选材的思路与程序第三节、选材的思路与程序一、选材的思路一、选材的思路 材料力学性能：材料力学性能： 材料的工艺性能；材料的工艺性能； 材料的经济性能；材料的经济性能； 材料的比重；材料的比重； 机械零件选材的一般程序机械零件选材的一般程序第三节、选材的思路与程序第三节、选材的思路与程序一、选材的思路一、选材的思路 材料力学性能：材料力学性能： 第四节 选材的典型实例分析一、一、轴类零件的选材及工艺路线轴类零件的选材及工艺路线 1。

7、轴类零件的性能要求。轴类零件的性能要求 轴类零件工作时支承传动零件并传递运动和动轴类零件工作时支承传动零件并传递运动和动力，因此应有较高的综合力学性能（强韧性），力，因此应有较高的综合力学性能（强韧性），局部承受摩擦的部位局部承受摩擦的部位 如花键、轴颈等处要求较高如花键、轴颈等处要求较高的硬度，以提高耐磨性。的硬度，以提高耐磨性。 包括各类轴、连杆、丝杠、高强度螺栓等。包括各类轴、连杆、丝杠、高强度螺栓等。2。选材及热处理。选材及热处理 一般选用中碳钢或中碳合金钢经调质处理使一般选用中碳钢或中碳合金钢经调质处理使零件整体得到满意的强韧性，如选零件整体得到满意的强韧性，如选45, 40Cr等。

8、等。 局部承受摩擦的部位则进行局部表面淬火或局部承受摩擦的部位则进行局部表面淬火或氮化处理。氮化处理。 须氮化处理的零件宜选用氮化专用钢，如须氮化处理的零件宜选用氮化专用钢，如38CrMoAl等。等。 一些形状复杂而对力学性能要求不是很高的一些形状复杂而对力学性能要求不是很高的零件（如低速内燃机曲轴）可选用球墨铸铁。零件（如低速内燃机曲轴）可选用球墨铸铁。 轴类轴类第四节第四节 选材的典型实例分析选材的典型实例分析机床主轴机床主轴工作特点工作特点： 受力不大，有时受到冲击载荷作用，要求较高的刚受力不大，有时受到冲击载荷作用，要求较高的刚度，轴头锥面和锥孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑动轴度，轴

9、头锥面和锥孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑动轴承的轴颈则需要高的耐磨性。承的轴颈则需要高的耐磨性。选材：选材：由于材料的受力不大可用普通由于材料的受力不大可用普通4545钢，对高精度机床为钢，对高精度机床为保证氮化可靠性，应选用保证氮化可靠性，应选用38CrMoAlA38CrMoAlA专用氮化钢为好。专用氮化钢为好。下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 精车精车 消除应力处理消除应力处理 喷砂喷砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨 轴类轴类第四节第四节 选材的典型实例分析选材的典型实例分析汽车半轴汽车半轴工作特点工作特点： 驱动车轮转动的直接驱动件，承受驱动车轮转动的直接驱动件，承

10、受较大的扭转应力，在启动、颠簸、特别是紧较大的扭转应力，在启动、颠簸、特别是紧急制动时受到更大的冲击应力，对材料的抗急制动时受到更大的冲击应力，对材料的抗弯强度、疲劳强度和韧性提出较高的要求。弯强度、疲劳强度和韧性提出较高的要求。选材：选材：调质钢，中型载重车辆可选用调质钢，中型载重车辆可选用40Cr40Cr钢，而重型载重车钢，而重型载重车辆则选用性能更高的辆则选用性能更高的40CrMnMo40CrMnMo钢。钢。工艺路线：工艺路线： 下料下料 锻造锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精车精车表面淬火及低温回火表面淬火及低温回火精磨精磨二、齿轮类零件的选材及工艺路线二、齿轮类零件的选材及工艺路线第

11、四节第四节 选材的典型实例分析选材的典型实例分析机床齿轮机床齿轮工作特点：工作特点： 工作负荷不太大，中速运转，较平稳。工作负荷不太大，中速运转，较平稳。选材：选材： 常用常用4545钢或钢或40Cr40Cr钢等钢等调质钢调质钢。工艺路线：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 精加工精加工 高频淬火及低温回火高频淬火及低温回火 精磨精磨二、齿轮类二、齿轮类第四节第四节 选材的典型实例分析选材的典型实例分析汽车变速箱齿轮汽车变速箱齿轮工作特点工作特点： 受力较大，高速运转，受冲击频繁。其耐磨性、疲受力较大，高速运转，受冲击频繁。其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等要求均比机床用齿轮高。劳强度、心部强度以及冲击韧性等要求均比机床用齿轮高。一般调质钢经高频淬火不能满足要求，并且这类齿轮大多成一般调质钢经高频淬火不能满足要求，并且这类齿轮大多成批生产，对批量大、标准化