《机械制造基础》-第7章

第一节

零件的失效与选材机械零件和工程结构的质量高低，除了与结构设计、毛坯制造及切削加工工艺等有关外，材料选用是否合理也是其中的一个重要因素。要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质大小以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。一、零件的失效一台设备总是由一些零（部）件所组成的，每个零（部）件都有其自己的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。而所谓的失效，主要是指零件在使用过程中，由于某种原因，导致其尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而不能完美地完成指定的功能。下一页返回第一节

零件的失效与选材零件的失效一般包括以下几种情况：（1）零件被完全破坏，不能继续工作。（2）虽能安全工作，但不能完美地起到预期的作用。（3）零件严重损坏，继续工作不安全。（一）失效形式零件的失效形式多种多样，通常按零件的工作条件及失效的宏观表现与规律，将失效分为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三种主要形式，见表7−1。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材（二）失效原因零件失效的因素很多，主要从方案设计、材料选择、加工工艺和安装使用等方面考虑。1.设计不合理零件结构形状、尺寸等设计不合理，对零件的受力性质和大小、温度及环境等工作条件估计不足或判断有误、安全系数过小等，均会使零件的性能满足不了工作性能要求而引起失效。2.选材不合理选用材料的性能不能满足零件工作条件要求，或所选材料质量差，如含有过量的夹杂物、杂质元素及成分不合格等，这些都容易造成零件失效。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材3.加工工艺不当零件或毛坯在加工和成形过程中，由于工艺方法、工艺参数不正确等，常会出现某些缺陷，导致失效。这些缺陷包括零件在锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹；焊接过程中的未焊透、偏析、冷热裂纹；铸造过程中的疏松、夹渣；机加工过程中的尺寸公差和表面粗糙度不合适；热处理过程中产生的淬裂、硬度不足、回火脆性、硬软层硬度梯度过大；精加工磨削中的磨削裂纹等。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材4.安装使用不正确机器在装配和安装过程中，未达到所要求的技术指标，如齿轮、杆、螺旋等啮合传动件的间隙不合适（过紧或过松，接触状态未调整好），连接零件必要的“防松”不可靠，铆焊结构的必要探伤检验不良，润滑与密封装置不良等；使用中不按工艺规程操作和维修，保养不善或过载使用等，均会造成失效。（三）失效分析步骤机械构件由于服役条件不同，其失效的情况千变万化，涉及多门学科知识，因而难以规定统一的失效分析步骤。现列出失效分析的一般步骤。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材1.现场调查研究和收集资料2.整理分析3.断口分析4.组织结构的分析5.性能测试及分析6.综合分析二、零件的选材（一）零件选材的基本原则1.使用性原则使用性能是指零件在正常使用状态下，材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。在大多数情况下，它是选材首先要考虑的问题。由于不同的零件，其工作条件和失效形式不同，使得不同的零件所要求材料应具备的使用性能也不尽相同。因此，对零件进行选材时，首先要根据零件的工作条件和失效形式，正确地判断其所要求的主要使用性能；然后根据主要的使用性能指标来选择较为合适的材料，有时还需要进行一定的模拟试验来最终确定零件的材料。2.工艺性原则材料的工艺性能是指材料加工成零件的难易程度。在选材的过程中，同使用性能相比，工艺性能常处于次要地位。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材小批量生产时，材料工艺性能的影响不是很大，但在某些特殊情况下，如大批量生产时，工艺性能也会成为选材考虑的主要依据，易切削钢的选用与生产就是个最好的例子。另外，一种材料即使使用性能很好，但若加工极其困难，或者加工费用太高，一般情况下这种材料也是不可取的。所以，材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。高分子材料的成形工艺比较简单，切削加工性能较好。但是，其导热性差，在切削加工过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，从而使热固性塑料变焦或使热塑性塑料变软。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材3.经济性原则材料的经济性是选材的根本原则。在满足使用性能的前提下，应尽可能选用价格低廉、资源充足、加工方便和总成本低的材料，以取得最大的经济效益，提高产品在市场上的竞争力。常用金属材料的相对价格见表7−3。（二）选材的方法大多数零件是在多种应力作用下工作的，而每个零件的受力情况又因其工作条件的不同而不同。因此，应根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材1.以综合力学性能为主时的选材承受冲击力和循环载荷的零件，如连杆、锤杆、锻模等，其主要失效形式是过量变形与疲劳断裂。对这类零件的性能要求主要是综合力学性能要好，根据零件的受力和尺寸大小，常选用中碳钢或中碳合金钢，并进行调质或正火处理。2.以疲劳强度为主时的选材疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是由疲劳破坏引起的。这类零件的选材，应主要考虑疲劳强度。应力集中是导致疲劳破坏的重要原因。实践证明，材料强度越高，疲劳强度也越高；上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材在强度相同时，调质后的组织比退火、正火后的组织具有更好的塑性和韧性，且对应力集中的敏感性较小，具有较高的疲劳强度。因此，对受力较大的零件应选用淬透性较好的材料，以便进行调质处理；对材料表面进行强化处理，也可有效地提高疲劳强度。3.以磨损为主时的选材根据零件工作条件的不同，可分为两种情况：（1）磨损较大、受力较小的零件和各种量具，如钻套、顶尖等，可选用高碳钢或高碳合金钢，并进行淬火和低温回火，获得高硬度回火马氏体和碳化物组织，以满足要求。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材（2）同时受磨损和交变应力作用的零件，为使其耐磨并具有较高的疲劳强度，应选用能进行表面淬火或渗碳或渗氮等的钢材，经热处理后使零件“外硬内韧”，既耐磨又能承受冲击。（三）选材的步骤（1）分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求。一般主要考虑力学性能，特殊情况还应考虑物理、化学性能。（2）对同类零件的用材情况进行调查研究，可从其使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的依据。（3）从确定的零件性能要求中，找出最关键的性能要求；然后通过力学计算或试验等方法，确定零件应具有的力学性能指标或理化性能指标。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材这一项是选材的关键，要根据零件的尺寸、受力大小，算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能的关系，确定出性能指标数值。（4）根据确定的最关键的性能指标数值要求，查阅材料手册找出几种合适材料，对这些材料的应用范围进行分析、对比和判断，最后选出合适的材料。所选材料除应满足零件的使用性能和工艺性能要求外，还要能适应高效加工和组织现代化生产。（5）确定热处理方法或其他强化方法。（6）审核所选材料的经济性。上一页下一页返回第一节

零件的失效与选材（7）关键零件投产前应对所选材料进行试验，以验证所选材料与热处理方法能否达到各项性能指标要求、冷热加工有无困难。当试验结果合格后，可小批投产。对于不重要零件或某些单件、小批生产的非标准设备以及维修中所用的材料，若对材料的选用和热处理都有成熟资料和经验时，可不进行试验和试制。上一页返回第二节

零件毛坯的选择一、概述毛坯是形状和尺寸与成品相接近，且通常比成品大出一部分加工量的待加工件。毛坯一般要经过切削加工、热处理或其他加工处理后才能达到设计所要求的最终形状、尺寸、表面质量及性能指标。（一）毛坯的分类1.按用途分类毛坯可分为结构毛坯件、工具毛坯件及其他毛坯件。1）结构毛坯件结构毛坯件包括机器结构中的机械零件毛坯件（如齿轮、轴、箱体等）和工程结构毛坯件（如梁、柱、杆等）。下一页返回第二节

零件毛坯的选择2）工具毛坯件工具毛坯件包括刃具、模具和量具等毛坯件。3）其他毛坯件其他毛坯件包括日常制品、艺术制品等毛坯件。2.按加工方法分类毛坯可分为铸件、锻件、冲压件和焊接件等。（二）毛坯选择的内容主要指毛坯材料的选用及毛坯加工方法的选择。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择1.毛坯材料的选用毛坯材料一般多选用金属材料，如铸铁、碳钢、合金钢、有色金属和粉末冶金材料；也有的选用非金属材料作毛坯材料，如工程塑料、复合材料等。2.毛坯加工方法的选择通常采用铸造、锻造、冲压、粉末冶金、挤压、轧制、焊接和黏结等方法。在每种加工方法的大类中还可细分为若干小类，如铸造可分为砂型铸造和特种铸造。二、毛坯选择的基本原则毛坯应依据零件的结构类型、使用性能、生产批量和生产条件进行选择。选择时，必须遵循以下基本原则。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择（一）保证零件的使用性能1.不同结构的零件毛坯生产方法的选用不同的零件具有不同的结构、形状与尺寸，应选择与各自零件相适应的生产方法。通常情况下，重量超过100kg的毛坯，采用砂型铸造、自由锻造或拼焊等毛坯制造方法。砂型铸造生产的毛坯不受尺寸和形状的限制。自由锻造生产的毛坯比较简单。重量超过1.5t的锻件需用水压机进行锻造。拼焊的大型毛坯可用厚钢板、铸钢件或锻件作为毛坯组件，再通过焊接成为毛坯。小型毛坯的生产方法较多，应根据其具体的形状选用适当的生产方法，选用时可参考表7−5。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择2.不同内在质量的零件毛坯生产方法的选用一般来说，铸件的力学性能低于同材质的锻件。因此，对于受力复杂或在高速重载下工作的零件常选用锻件。焊接结构由于主要使用轧材或配合使用锻件/铸钢件装配焊成，故其内在质量也比较高。3.不同条件下工作的零件毛坯生产方法的选用零件的工作条件不同，对其性能要求亦不相同，相应的毛坯材料及生产方法必须满足这些要求。例如，由于灰铸铁的抗振性能好，故机床床身和动力机械的缸体常选用灰铸铁，并选用铸造方法生产，即可满足其使用性能与工艺性能要求。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择但是对轧钢机机架来说，由于其受力较大而且比较复杂，为了防止变形，要求结构刚度和紧度较高，故常采用铸钢件。（二）满足材料的工艺性能要求所谓毛坯的工艺性能良好，其要求有三个方面：一是所选毛坯的加工方法能把毛坯制造出来；二是能容易地制造出来；三是所生产的毛坯能保证质量。第二点对批量生产的情况更为重要。（三）降低制造成本零件的制造成本包括所消耗的材料费用、燃料和动力费、工资、设备与工艺装备的折旧费和修理费、废品损失费以及其他辅助费用等。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择在选择毛坯的类型及生产方法时，通常是在满足零件使用性要求和工艺性要求的前提下，对几个可供选择的方案从经济上进行分析比较，从中选择总成本较低的方案。（1）尽量选用生产过程简单、生产率高、生产周期短、能耗与材耗少、投资小的毛坯加工方法，既降低了成本，又保证了质量。（2）毛坯的加工批量决定了加工的机械化、自动化程度。批量越大，越有利于这一程度的提高。（四）符合生产条件所选的毛坯加工方法是否在本企业的生产工厂、车间和小组实际可行。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择毛坯的加工应符合本单位的设备条件，包括车间面积、炉子的容量、天车的吨位、设备的功能及先进性等；还应和实际的技术水平和现有的加工工艺状况相吻合，尽量选用先进设备、新型材料、先进的加工工艺方法，尽可能向少切削、无切削加工方向发展。当本单位无法解决或生产不合算时要考虑外协加工或外购毛坯，以降低成本。以上四项原则是相互联系的，应在保证毛坯质量要求的前提下，力求选用高效、低成本、制造周期短的毛坯生产方法。上一页下一页返回第二节

零件毛坯的选择三、汽车零件的毛坯选择一辆汽车由上万个零部件组装而成，而上万个零部件又是由各种不同的材料制成的。以我国中型载货汽车用材为例，钢铁约占64%，铸铁约占21%，有色金属约占1%，非金属材料约占14%。汽车主要由发动机、底盘、车身和电气系统四部分组成。图7−1所示为汽车主要零件的系统结构图。表7−7

和表7−8

所示分别为汽车发动机和底盘及车身主要零件的毛坯选择实例。上一页返回第三节

零件热处理的技术条件和工序位置

在制造汽车零件过程中，除了进行各种冷热加工外，还要穿插进行热处理。正确分析和理解热处理的技术条件，合理安排零件加工工艺路线中的热处理工序，对于改善金属材料的切削加工性能、保证零件的质量及满足使用性能要求都具有重要的意义。一、热处理的工序位置根据热处理的目的和工序位置的不同，热处理可分为预备热处理和最终热处理两类。（一）预备热处理的工序位置预备热处理包括退火、正火和调质等。其工序位置一般安排在毛坯生产之后、切削加工之前，或粗加工之后、精加工之前。下一页返回第三节

零件热处理的技术条件和工序位置

（二）最终热处理的工序位置最终热处理包括淬火、回火和表面热处理等。零件经最终热处理后就获得所需的使用性能。因零件表面的硬度较高，除进行磨削加工外，一般不能再进行其他的切削加工，所以最终热处理均安排在半精加工之后。在实际生产中，灰铸铁件、铸钢件和某些钢轧件、钢锻件因工作要求性能不高，在铸造、锻造后经退火、正火或调质后就能满足使用性能，往往不再进行其他热处理，此时这些热处理就成为最终热处理。上一页下一页返回第三节

零件热处理的技术条件和工序位置

二、零件热处理的技术条件及标注需要热处理的零件，设计者应根据零件的性能要求，在图样上标明零件所用材料的牌号，并注明热处理的技术条件，以供热处理生产和检验时使用。热处理技术条件的内容包括零件最终的热处理方法、热处理后应达到的力学性能指标等。零件热处理后应达到的力学性能指标一般仅需标注出硬度值。但对于某些力学性能要求较高的重要零件，如动力机械中的曲轴、连杆和齿轮等关键零件，还应标注出强度、塑性和韧性指标，有的还应给出对显微组织的要求。上一页下一页返回第三节

零件热处理的技术条件和工序位置

对于渗碳件，还应标注出渗碳淬火、回火后表面和芯部的硬度、渗碳的部位（全部或局部）、渗碳层深度等。对于表面淬火零件，在图样上应标注出淬硬层的硬度、深度与淬硬部位，有的还应给出对显微组织及限制变形的要求（如轴淬火后的弯曲度、孔的变形量等）。上一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

机械零件按照形状特征和用途的不同，主要分为轴杆类零件、盘套类零件和箱架类零件三类。它们在机械上的重要程度、工作条件不同，对性能的要求也不同。因此，正确选择零件的材料种类和牌号、毛坯类型和毛坯加工方法，合理安排零件的加工工艺路线，具有重要意义一、轴杆类零件轴杆类零件一般是回转体零件，其结构特点是轴向（纵向）尺寸远大于径向（横向）尺寸。轴杆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、齿轮轴、连杆、拨叉、锤杆、摇臂以及螺栓和销子等，如图7−3

所示。下一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

轴是机械上最重要的零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上，所以，轴主要起传递运动和转矩的作用。下面以图7−4所示的曲轴为例进行分析。（一）工作条件175型柴油机为单缸四冲程柴油机，气缸直径为75mm，转速为2200～2600r/min，功率为4.4kW。由于功率不大，因此曲轴所承受的弯曲、扭转和冲击等载荷也不大。上一页下一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

（二）性能要求由于该曲轴在滑动轴承中工作，故要求轴颈部位有较高的硬度及耐磨性。一般性能要求是抗拉强度Rm≥750MPa，整体硬度在240～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV，断后伸长率A≥2%，冲击韧性aK≥150kJ/m2

。（三）材料选择曲轴材料主要有优质中碳钢、中碳合金钢、铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁以及合金铸铁等。根据上述曲轴的工作条件和性能要求，该曲轴材料可选用QT700−2。上一页下一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

（四）毛坯选择根据上述曲轴的工作条件、性能要求以及选用的材料，应选铸造毛坯。当然，该曲轴也可选用45、45Cr钢通过模锻制造，从而适应批量生产的要求。（五）加工工艺路线生产中，该曲轴的加工工艺路线一般为铸造→正火→去应力退火→切削加工→轴颈气体渗氮。其中正火为预备热处理，去应力退火、气体渗氮属于最终热处理。它们的作用如下：上一页下一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

（1）正火。正火主要是为了消除毛坯的铸造应力，以及获得细珠光体组织，以满足强度要求。（2）去应力退火。去应力退火主要是为了消除正火时产生的内应力。（3）气体渗氮。气体渗氮的主要目的是在保证不改变组织及加工精度的前提下提高轴颈表面的硬度和耐磨性。上一页下一页返回第四节

典型零件材料和毛坯的选择及加工工艺分析

二、盘套类零件盘套类零件一般是指径向尺寸大于轴向尺寸或两个方向尺寸相