《工程材料及成形技术基础》课件 第13章 零件材料与毛坯的选择

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第十三章零件材料与毛坯的选择了解失效和失效分析的基本概念；熟悉机械零件选材的原则；掌握典型零件的选材、成形及热处理方法，能分析加工工艺路线。主要内容材料的选择毛坯的选择材料的选用原则材料的选用方法各种毛坯成形工艺的特点典型零件的加工工艺选择第十三章零件材料与毛坯的选择第一节材料与毛坯的选择原则一、四大基本原则使用性能足够的原则工艺性能良好的原则经济性合理的原则环保性的原则第一节材料与毛坯的选择原则经济性原则：考虑材料的价格、零件总成本

、国家资源等因素；环保性原则：选用无毒无害材料，对材料进行循环和重复利用，减少成形过程中对环境的污染。使用性能原则：根据零件的工作条件、失效形式，确定零件的使用性能要求；工艺性能原则：材料的工艺性能应满足生产工艺（铸、锻、焊、机加工、热处理）的要求；第二节材料及毛坯选择的方法和步骤一、机械零件的失效分析指零件在使用过程中，由于某种原因不能工作或虽能继续工作但已失去应有功能的现象。定义：失效特征：零件完全破坏已不能正常工作；零件已严重损伤继续工作不安全；零件不能达到设计的工作功能。只要发生上述三种情况的任何一种，都会认为零件已经失效。2、断裂第二节材料及毛坯选择的方法和步骤失效的主要形式1、过量变形3、表面损伤零件在工作过程中因应力集中等原因造成变形量超过允许范围，导致设备无法正常工作的现象。零件在工作过程中完全断裂而导致整个机器或设备无法工作的现象。根据零件表面所受物理和化学作用的不同，表面损伤可分为磨损和腐蚀两类。失效形式失效现象典型失效零件举例过量变形失效过量弹性变形因刚性不足，零件工作时弹性变形量超过允许范围细长杆、杆件、薄壁杆件过量塑性变形工作应力超过材料的σs，使零件产生过量塑性变形而无法工作紧固螺栓、传动轴、机床丝杆蠕变变形在长期应力和高温作用下，零件的蠕变变形量超出规定范围高温下工作的螺栓第二节材料及毛坯选择的方法和步骤失效形式失效现象典型失效零件举例断裂失效韧性断裂工作应力大于σs，零件发生明显塑性变形并逐渐增大直至断裂起重机链环低应力脆性断裂工作应力低于σs，零件在无明显塑性变形的情况下突然断裂桥梁、压力容器、冷作模具疲劳断裂零件受交变应力长期作用，在低应力下发生突然脆断曲轴、弹簧、螺旋桨蠕变断裂在长期高温和应力作用下，零件的蠕变变形不断增加，最终发生断裂高温炉管、换热器第二节材料及毛坯选择的方法和步骤失效形式失效现象典型失效零件举例表面损伤失效表面磨损由于摩擦使零件表面损伤，如使零件尺寸变化、重量减少、精度降低、表面粗糙度增加，甚至发生咬合等而不能正常工作齿轮、油泵柱塞副、刃具、模具、量具表面腐蚀零件受环境介质的化学或电化学作用而产生表面损坏化工容器及管道等表面疲劳在交变接触压应力作用下，零件表面因疲劳而发生局部剥落滚动轴承、齿轮第二节材料及毛坯选择的方法和步骤卸荷槽部位腐蚀裂纹的宏观形貌特征裂纹在扫描电镜下的形貌特征卸荷槽部位裂纹及金相组织形貌特征第二节材料及毛坯选择的方法和步骤常见的滚动轴承失效形式接触疲劳失效磨损失效腐蚀失效断裂失效第二节材料及毛坯选择的方法和步骤齿面点蚀轮齿折断齿面胶合齿面磨损齿轮的失效齿面塑性变形第二节材料及毛坯选择的方法和步骤第二节材料及毛坯选择的方法和步骤正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。1）收集证据2）断口分析，判断失效方式；失效零件的残骸失效零件的资料3）测定数据，包括成分、组织和性能的分析与测试；4）确定失效原因。失效分析的一般方法01根据零件的使用性能要求、工作条件和失效形式，正确地选择材料。02正确地进行设计计算，做到设计结构合理、尺寸大小适宜、相互配合得当。03正确选择并严格地按照工艺制度进行加工，确保材料的内在质量。04机械加工应保证零件的表面质量、尺寸精度和形状位置精度。05采用适当的热处理工艺，改善材料的机械性能。06采用适当的表面强化工艺，提高零件的表面质量。零件早期失效防止的原则第二节材料及毛坯选择的方法和步骤第二节材料及毛坯选择的方法和步骤二、零件选材的步骤（1）分析零件在设备正常工作时的工作条件和工作环境，如机械性能方面的载荷、应力、磨损等。（2）估计或通过实验确定零件失效的主要形式，如断裂、疲劳等。（3）根据零件的工作条件及主要失效形式确定材料应具备的性能。（4）确定满足使用性能的几种方案，分析比较其工艺性能和经济性，选用最佳材料。三、确定毛坯的成形方法第二节材料及毛坯选择的方法和步骤对形状较复杂的毛坯，一般可用铸造方法制造；目前大多数铸件采用砂型铸造；对尺寸精度要求较高的小型铸件，可采用特种铸造。机械零件常用毛坯种类有：铸件、锻件、焊接件、型材等。因其力学性能较好，常用于受力复杂的重要钢质零件。自由锻件的精度和生产率较低，主要用于小批生产和大型锻件的制造；模型锻造件的尺寸精度和生产率较高，主要用于产量较大的中小型锻件。1、铸件2、锻件第二节材料及毛坯选择的方法和步骤型材主要有板材、棒材、线材等。常用截面形状有圆形、方形、六角形和特殊截面形状。就其制造方法，又可分为热轧和冷拉两大类。1）热轧型材尺寸较大，精度较低，用于一般的机械零件；2）冷拉型材尺寸较小，精度较高，主要用于毛坯精度要求较高的中小型零件。焊接件主要用于单件小批生产和大型零件及样机试制；优点：制造简单、生产周期短、节省材料、减轻重量；缺点：抗振性较差，变形大，需时效处理后才能机加工。包括冲压件，粉末冶金件，冷挤件，塑料压制件等。3、型材4、焊接件5、其他毛坯成形件最终组织：心部S回表面M回工作条件：转速中等，载荷不大，工作平稳，无强烈冲击性能指标：心部220~250HBS，齿面硬度≥52HRC选材：45、40Cr工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轮齿高频淬火及低温回火→精磨机床齿轮第三节典型零件的选材与工艺路线分析载重汽车变速箱齿轮心部M回+F表面M回+Fe3C+A′最终组织：工艺路线：锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削选材：20CrMnTi、20Cr性能指标：耐磨性、疲劳强度、心部强度、冲击韧性等均要求比机床齿轮高（Rm>1000MPa，AK≥50J，齿面硬度≥55HRC）工作条件：受力较大，受冲击频繁。第三节典型零件的选材与工艺路线分析C620车床主轴心部S回表面M回最终组织：工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴颈表面淬火＋低温回火→磨削选材：45工作条件与性能要求：受交变弯曲和扭转复合应力，载荷和转速不高，冲击载荷不大，一般综合机械性能即可；大端轴颈、锥孔与卡盘、顶尖间有摩擦，要有较高硬度和耐磨性。机床主轴（普通车床轻载主轴)

第三节典型零件的选材与工艺路线分析最终组织：S回最终组织：M回

连杆手工刃具性能：承受多种力的作用，要求综合性能好。选材：45、40Cr、球墨铸铁等。工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工。性能：高硬度、高耐磨性，红硬性和韧性要求不高。选材：碳素工具钢，T8、T10、T12等。工艺路线：锻造→球化退火→机加工→淬火+低温回火。手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速刃具。第三节典型零件的选材与工艺路线分析最终组织：M回板牙丝锥齿轮滚刀低速切削、形状较复杂的刃具

性能要求：高硬度、高耐磨性，一定的热硬性和韧性选材：9SiCr、CrWMn工艺：锻造→球化退火→机加工→淬火+低温回火丝锥、板牙、拉刀等，T工作<300ºC高速切削用的刃具高速车刀、钻头、铣刀等，T工作<600ºC性能要求：高硬度、高耐磨性，高热硬性、高精度；较高的强度、韧性。选材：高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)、硬质合金、陶瓷。工艺：锻造→球化退火→粗加工→淬火+回火→精加工→表面处理第三节典型零件的选材与工艺路线分析板弹簧拉伸螺旋弹簧汽车板簧：用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷，需要高的屈服强度和疲劳强度。选材：轻型汽车65Mn、60Si2Mn；中型或重型汽车50CrMn、55Si