工程设计制造与材料选择课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1 零件失效与失效类型,(failure of parts&types),2 零件设计中的材料选择,(material selection in design of parts),4 变形开裂与热处理结构工艺性,工程设计-制造与材料选择,（engineering design、manufacture&material selection）,3 热处理在零件加工工艺路,线中的位置及热处理方案的选择,1,零件失效与失效类型,(failure of parts&types),1.1,失效概念,定 义：,机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。,失效含义：,零件,破损，不能正常工作。,零件,尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。,零件不能安全工作。,失效的定量指标：,额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。,1.2 失效的形式与对策,过量变形失效（excessive deformation failure）,过量弹性变形失效：,特征：,e,过大（,e,=/E）,带来一系后果（如镗杆的“让刀”）。,措施：,提高零件刚度，具体办法为改变零件几何，加大尺寸及用E大的材料。,塑性变形失效：,特征：,s,、发生整体屈服。,措施：,选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或降低应力水平。,图7-1,过量蠕变失效：,特征：,T0.3Tm（尽管s）时发生，时间累积过程。,措施：,选用高强耐热钢及合适的热处理。,断裂失效（fracture failure）,韧断：,特征：,b,，先塑变后断裂；原因为强度不足。,措施：,；提高材料强度。,低应力脆断：,特征：,s,时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；低温、大截面零件以及应力集中，最易发生。,措施：,提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。,疲劳断裂：,特征：,脆断，无明显塑变；,s,，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、刀痕等应力集中处。,措施：,选材；设计改进（避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。,蠕变断裂：,过量蠕变变形后发生（高温下，详见第11章）。,介质加速断裂：,应力腐蚀等（介质+应力的复合作用，详见第12章）。,表面损伤失效,（surface damage failure）,磨损失效,特征：,摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨损会失效，例摩擦副、工模具、工程机械，量大面广。,措施：,用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。,接触疲劳失效,特征：,接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。,措施：,提高表面质量、表面强化。,腐蚀失效：,量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第,12,章）。,1.3,失效的原因,（自学）,总体上共四方面：,设计,选材与热处理,加工缺陷,装配与使用,2 零件设计中的材料选择,（material selection in design of parts）,2.1 选材三原则（three criteria of material selection）,使用性能原则与选材基本步骤,使用性能,是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。,几种常见零件的力学性能要求：,选材基本步骤：,表7-1,图7-2,工艺性原则（材料切削加工的影响因素）,材料的切削加工性的影响因素：,材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。,材料硬度与其切削加工性的关系：,钢铁材料的合适硬度范围160230HB，组织尚有影响，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。,措施与综合结果：,低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，HB，切削性。,高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状珠光体，切削性。,Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。,大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。,一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。,经济原则：要考虑多项成本。,表7-2,表7-3,表7-4,2.2,零件选材时应注意的几个问题,使用性能优先；,设计指标与保安全指标；,注意材料状态与手册的对应；,注意尺寸效应；,注意数据的可靠性；,注意具体的供货状态；,注意不同材料的成型加工方式的不同。,3 热处理在零件加工工艺路线中的位置及,热处理方案的选择,两方面问题：,一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序（工艺流程或工艺路线）。,二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合适的热处理工艺。,3.1,热处理在工艺路线中的位置,热处理在工艺路线中的位置的安排原则,最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。,最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。,表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。,渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。,某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。,高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。,热处理在工艺路线中的位置,表7-5,3.2,钢铁普通热处理方案的选择,3.3 钢铁表面热处理方案的选择,高频淬火：,在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生产。,渗 碳：,更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化层要求时采用。,碳氮共渗：,在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且耐磨性高于渗碳）。,软 氮 化：,减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场,合。,氮 化：,负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。,表7-6,表7-7,3.4,有色金属热处理方案的选择,铝合金常用工艺：,均匀化退火：,消除铸造铝合金的成分偏析及铸造内应力，稳定组织、提高塑性。,再结晶退火或去应力退火：,变形后消除加工硬化或仅消除应力（较低温度）。,固溶、时效处理：,获得时效强化的效果。,3.5 零件热处理技术要求的标注,是一个重要问题，它确定了使用性能及工艺路线。由设计者完成。,多以硬度（HRC、HBS）作为力学性能的技术要求。,要给出合适的硬度要求范围：HRC35个单位，HBS3050个单位。,通常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型（毋须工艺细节）:,如,淬火、回火5862HRC；,渗层（0.81.2mm）、淬火、回火6063 HRC；,调质220250 HBS。,硬度要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致，钢材主要考虑含碳量和淬透性。,如,45钢，若要求6063HRC（）；,调质5055HRC（）。,表面热处理的硬化层要求（类型、深度等）。,某些特殊技术要求，如高速钢淬火多有晶粒度级别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。,标注位置及示例：,图7-4,图7-3,4 变形开裂与热处理结构工艺性,热处理（尤其淬火）的负面影响：,热处理变形和开裂(热处理应力引起)；表面氧化脱碳。,措施：,从零件设计与制造和热处理工艺两方面。,4.1 减少零件热处理变形和防止开裂的方法,（deformation&crack）,选材：,针对性选用高淬透性的合金钢、高合金钢，替代碳钢、低合金钢。,图7-6,图7-5,预留加工余量：,找出变形规律、半精加工预留余量（变形量）。,按变形规律调整切削加工尺寸。,合理安排工艺路线。,降低零件表面粗糙度(以减低因局部应力集中而淬火开,裂)。,合理的锻造和热处理：,成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理（球化退火和调质要比正火有利）。,修改技术条件：,适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。,采用先进设备：,可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。,图7-10,图7-9,图7-8,图7-7,4.2,热处理结构工艺性,零件机械设计（零件的结构、截面尺寸等）时要考虑其,热处理工艺性如何。,考虑的主要方面：,零件的结构要易于进行热处理（如避免悬殊截面、盲孔等）,易于达到技术要求。,零件的结构有利于减少变形、防止开裂。,零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。,具体措施：,避免尖角；避免厚薄悬殊。,采用封闭和对称结构；采用组合结构。,合理布置孔洞位置；设置工艺孔。,采用局部淬火或整体淬火。,作业：1，2，4，7，8，9。,见图7-11,见图7-12,见图7-13,见图7-14,见图7-15,见图7-16,见图7-17,本 章 结 束,返 回,图-零件失效形式分类,返回,表7-1 几种常见零件工作条件、失效形式及要求的力学性能,返回,返回,图7-2 按力学性能选材的基本步骤,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,7-3 零件整体热处理标注示意图,返回,7-4 零件局部热处理标注示意图,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,返回,保证质量，是对社会的承诺。,10月-24,10月-24,Tuesday,October 1,2024,以科技为动力，以质量求质量是企业的生命，质量是企业的效益，质量是企业发展的动力，以质量求生存。,15:50:07,15:50:07,15:50,10/1/2024 3:50:07 PM,加强安全生产监督检查，防止和减少生产安全事故。,10月-24,15:50:07,15:50,Oct-24,01-Oct-24,做好品质记录，打好品管基础。,15:50:07,15:50:07,15:50,Tuesday,October 1,2024,消防安全常抓不懈，抓而不紧等于不抓。,10月-24,10月-24,15:50:07,15:50:07,October 1,2024,勿忘安全须时时警钟长鸣，珍惜生命当刻刻头脑清醒。,2024年10月1日,3:50 下午,10月-24,10月-24,安全生产，违法必究。,01 十月 2024,3:50:07 下午,15:50:07,10月-24,当你违章作业之际，正是灾难降临之时。,十月 24,3:50 下午,10月-24,15:50,October 1,2024,质量创郊率，效率出效益。,2024/10/1 15:50:07,15:50:07,01 October 2024,以科技为动力，以质量求生存。,3:50:07 下午,3:50 下午,15:50:07,10月-24,人人讲安全，事事为安全；时时想安全，处处要安全。,10月-24,10月-24,15:50,15:50:07,15:50:07,Oct-24,消除火患是最好的防范。,2024/10/1 15:50:07,Tuesday,October 1,2024,黄金有价人无价，人身安全事最大。,10月-24,2024/10/1 15:50:07,10月-24,谢谢大家！,