工程材料及热处理11工程材料的选用及工艺路线分析

11工程材料的选用及工艺路线分析11.1机械零件失效形式及原因分析11.2机械工程材料的选用

11.3典型零件选材及工艺路线确定

工程材料的选用和加工工艺路线安排是否合理，关系到产品的使用性能、使用寿命及制造成本，甚至关系到设备的安全和经济效益。所以，掌握材料的性能、材料的热处理和工艺等知识，并运用这些知识合理选择工程材料、安排工艺路线，对工程实践至关重要

11.1机械零件失效形式及原因分析失效是指零件在使用过程中，由于零件的尺寸、形状、组织或性能发生了变化，从而导致零件不能满足正常工作要求或者机械机构丧失了原有设计功能的情况。零件失效有三种情况：（1）零件完全破坏，不能工作；（2）虽能工作，但不能保证安全；（3）虽保证安全，但不能保证精度或起不到预定的作用。达到预期寿命的失效称为正常失效，远低于预定寿命的不正常失效称为早期失效。正常失效是比较安全的，而早期失效常常会造成事故和经济损失。通过研究零件各类失效特征及规律，找出失效的主要原因，提出相应的改进措施，对于预防失效（尤其是早期失效）再次发生具有非常重要的意义。11.1.1零件失效的形式过量变形失效断裂失效表面损伤失效材质变化失效破坏正常工作条件而导致的失效。常见零件的常见失效形式及对性能要求零件在实际工作中的失效形式往往不只是一种。一般造成一个零件失效由一种失效形式起主导作用。失效分析的核心问题就是要找出主要的失效形式，分析失效原因。失效分析可以用来指导产品的设计、选材、加工、质量管理和使用，是提高产品质量的重要依据。

11.1.2零件失效的原因引起零件失效的原因是多方面的。主要有四个方面：设计因素材料因素加工因素安装使用11.1.2.1设计因素零件的结构形状和尺寸设计不合理而引起的零件失效时常发生，如零件存在尖角、尖棱等。设计中的过载、应力集中、机构选择不当、安全系数过小等也都会导致零件在使用中失效。因此，机械零件的设计不仅要有足够的强度、刚度和稳定性，而且结构设计也要合理。

11.1.2.2材料因素（1）选材不当在产品设计和选材时，设计者对失效形式误判，选材所依据的性能指标不恰当，选材不能满足工作条件的要求。（2）材料缺陷材料的冶金质量太差，存在缺陷如夹杂物、偏析等，而这些缺陷通常是导致零部件失效的原因。（3）毛坯加工过程中产生的缺陷材料在毛坯加工（铸造、锻造、焊接）或者在热处理过程中，产生的缺陷会导致失效产生。如铸件多产生疏松、偏析、内裂纹、夹杂物等缺陷，因此高强度的机械零件较少用铸件。而锻造明显改善了材料的力学性能，许多受力零件就采用锻件。11.1.2.3加工（或工艺）因素制造时，采用的加工方法、工艺安排或工艺参数不正确等都可能造成零件的缺陷，如切削加工时粗糙度过大；磨削时产生裂纹；热成形时产生的过热、带状组织；热处理工序中产生氧化、脱碳、淬火变形与开裂等。这些缺陷都可能导致零件失效。

11.1.2.4安装使用因素零件安装过紧、过松，安装位置不当、重心不稳，固定不紧、密封不好等，都会使零部件不能正常工作而过早失效。在使用过程中，使用者要根据使用要求进行维护、冷却、润滑、检修等，否则就会由于使用不当造成零件和设备的失效。

11.1.3失效分析步骤失效分析实验研究的步骤：（1）对失效零件的残骸进行肉眼观察、测量并记录损坏的位置、尺寸变化和断口的宏观特征。收集表面剥落物和腐蚀产物，必要时照相留据。（2）了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏顺序，收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。（3）根据需要进行试验。失效分析实验项目1）化学分析2）断口分析3）金相分析4）力学性能测试5）断裂力学分析6）应力分析11.2机械工程材料的选用选择材料是机械设计重要的一个环节，为零件选择合适的材料是一项复杂的工作。因为合理地选择和使用材料要考虑很多因素，不仅要考虑材料的使用性能是否能满足其工作条件；也要考虑材料的加工工艺性能，以提高零件的生产率；还要考虑其经济性，以控制成本。也要考虑选材对环境、资源的影响。因此，工程设计人员必须掌握选用材料的原则和方法。

11.2.1选用材料的一般原则使用性能原则工艺性能原则经济性原则11.2.1.1使用性能原则使用性能是选用材料首要考虑的问题。使用性能是指零件在工作中应该具有的力学性能、物理和化学性能，是保证零件完成设计功能的必要条件。不同的零件，工作条件不同，功能各异，对材料的使用性能要求也不同。

A必须考虑材料的实际情况B考虑材料的截面尺寸效应C硬度值的应用D综合考虑材料的性能11.2.1.2工艺性能原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。良好的工艺性能即加工技术难度小、工艺简单、能耗低、材料的利用率高，是保证零件顺利加工、提高零件质量、简化生产工艺、降低生产成本的重要条件。材料的选择与工艺方法的确定，要同步进行。金属材料的加工工艺路线复杂，要求的工艺性能较多，如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能等。所以安排合理的加工工艺路线是很重要的工作11.2.1.3经济性原则在满足使用性能要求的前提下，应尽量选用价格比较便宜的材料。要从材料本身的价格、加工费用、资源供应条件等方面考虑、也要考虑选用非金属材料。但是不能片面强调材料费用及制造成本，必须要考虑产品的安全性和使用寿命。综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。随着社会工业化的发展，环境、资源、能源问题也是我们在选材时要考虑的因素。11.3典型零件选材及工艺路线确定11.3.1轴类零件例一车床主轴选材及工艺路线如图11-1所示为C620车床主轴简图。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，其工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→高频感应加热淬火+回火→磨削该工艺路线中，正火处理可消除应力，改善锻造组织；调质处理（整体调质）后，组织为回火索氏体组织，使主轴获得了高的综合力学性能；对内锥孔和轴颈进行表面淬火和回火后硬度达到45HRC～52HRC，提高了其耐磨性。

11.3.2齿轮类零件例三如图11-3为C6132型车床的传动齿轮，机床传动齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高。该齿轮选用45钢，其加工工艺路线如下：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火