工程设计-制造与材料选择(ppt 47)

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,*,1,零,零件,失,失效与,失,失效类,型,型,(failure of parts&types),2 零,件,件设计中的,材,材料选择,(materialselectionin designof parts),4,变,变形开裂与,热,热处理结构,工,工艺性,工程设计-,制,制造与材料,选,选择,（engineering design,、,、manufacture&material selection）,3 热,处,处理在零件,加,加工工艺路,线中的位置,及,及热处理方,案,案的选择,1,零件失效与,失,失效类型,(failure of parts&types),1.1,失效概念,定,义,义：机械零件或,工,工程构件丧,失,失规定功能,的,的现象。,失效含义,：,：,零件,破损，不能,正,正常工作。,零件,尚可安全工,作,作，但不能,满,满足原有功,能,能要求。,零件不能安,全,全工作。,失效的定,量,量指标：,额定寿命；,某,某些指标的,规,规定范围（,如,如模具冲头,磨,磨损量）达,不,不到定量指,标,标，即发生,早,早期失效。,1.2,失,失效的,形,形式与对策,过量变形,失,失效（excessive deformationfailure）,过量弹,性,性变形失效,：,：,特征：,e,过大（,e,=/E）,带来一系,后,后果（如镗,杆,杆的“让刀,”,”）。,措施：提高零件刚,度,度，具体办,法,法为改变零,件,件几何，加,大,大尺寸及用E大的材料,。,。,塑性变,形,形失效：,特征：,s,、发生整体,屈,屈服。,措施：选高强度材,料,料、采取强,化,化工艺、加,大,大截面尺寸,或,或降低应力,水,水平。,图7-1,过量蠕,变,变失效：,特征：T0.3Tm（尽管,s）,时,时发生，时,间,间累积过程,。,。,措施：选用高强耐,热,热钢及合适,的,的热处理。,断裂失效,（,（fracturefailure）,韧断：,特征：,b,，先塑变后,断,断裂；原因,为,为强度不足,。,。,措施：,；,；提高材料,强,强度。,低应力脆,断,断：,特征：,s,时突然发生,，,，无明显宏,观,观塑性变形,征,征兆，最危,险,险，如铸铁,拉,拉伸时的断,裂,裂；低温、,大,大截面零件,以,以及应力集,中,中，最易发,生,生。,措施：提高材料韧,性,性；减少各,种,种加工缺陷,；,；减少应力,集,集中及消除,内,内应力等。,疲劳断裂,：,：,特征：脆断，无明,显,显塑变；,s,，多次循环,造,造成，如齿,轮,轮的断齿。,量,量大面广，,多,多起源于表,面,面缺口、刀,痕,痕等应力集,中,中处。,措施：选材；设计,改,改进（避免,或,或减少应力,集,集中）；表,面,面加工质量,；,；表面强化,。,。,蠕变断裂,：,：,过量蠕变变,形,形后发生（,高,高温下，详,见,见第11章,）,）。,介质加速,断,断裂：,应力腐蚀等,（,（介质+应,力,力的复合作,用,用，详见第12章）。,表面损伤,失,失效,（surface damagefailure）,磨损失效,特征：摩擦作用的,结,结果之一；,轻,轻微磨损允,许,许、过量磨,损,损会失效，,例,例摩擦副、,工,工模具、工,程,程机械，量,大,大面广。,措施：用耐磨材料,；,；表面强化,、,、表面改性,处,处理；润滑,条,条件。,接触疲劳,失,失效,特征：接触零件之,间,间周期性压,应,应力或接触,应,应力反复作,用,用的结果，,例,例齿轮齿面,剥,剥落、轴承,表,表面麻点。,措施：提高表面质,量,量、表面强,化,化。,腐蚀失效,：,：,量大面广；,选,选抗蚀材料,、,、表面防护,等,等（见第,12,章）。,1.3,失效的原因,（自学）,总体上共四,方,方面：,设计,选材与热处,理,理,加工缺陷,装配与使用,2,零,零件设计中,的,的材料选择,（materialselectionindesign ofparts,）,）,2.1,选,选材三原,则,则（three criteria ofmaterial selection）,使用性能,原,原则与选材,基,基本步骤,使用性能是选材的必,要,要条件，是,零,零件乃至机,器,器完成其功,能,能的基本保,证,证。使用性,能,能可由力学,性,性能、物理,性,性能和化学,性,性能表征。,机,机械零件主,要,要是力学性,能,能。,几种常见,零,零件的力学,性,性能要求：,选材基本,步,步骤：,表7-1,图7-2,工艺性原,则,则（材料切,削,削加工的影,响,响因素）,材料的切,削,削加工性的,影,影响因素：,材料类型、,切,切削方法、,切,切削速度、,刀,刀具与机床,情,情况等。,材料硬度,与,与其切削加,工,工性的关系,：,：,钢铁材料的,合,合适硬度范,围,围160230HB,，,，组织尚有,影,影响，如球,化,化组织的切,削,削加工性优,于,于片层状组,织,织。,措施与综,合,合结果：,低、中碳,钢,钢，铁素体,太,太软且数量,多,多；用正火,增,增加珠光体,量,量，HB,，,，切削性,。,。,高碳钢，,片,片状珠光体,，,，易磨损刀,具,具；用球化,退,退火成粒状,珠,珠光体，切,削,削性。,Al、Mg等有色金,属,属、石墨化,铸,铸铁，强度,低,低且易切屑,，,，切削加工,性,性甚好。,大批量的,强,强度要求不,高,高的零件（,如,如标准件）,，,，可采用易,切,切削钢。,一般钢材,淬,淬、回火后,磨,磨削加工性,较,较好，有色,金,金属（太软,）,）等不佳。,经济原,则,则：要考虑,多,多项成本。,表7-2,表7-3,表7-4,2.2,零件选材时,应,应注意的几,个,个问题,使用性能优,先,先；,设计指标与,保,保安全指标,；,；,注意材料状,态,态与手册的,对,对应；,注意尺寸效,应,应；,注意数据的,可,可靠性；,注意具体的,供,供货状态；,注意不同材,料,料的成型加,工,工方式的不,同,同。,3 热处,理,理在零件加,工,工工艺路线,中,中的位置及,热处理方案,的,的选择,两方面问题,：,：,一是某种热,处,处理工艺与,其,其它加工工,序,序的相对次,序,序（工艺流,程,程或工艺路,线,线）。,二是如何根,据,据目的、要,求,求及所用材,料,料正确选择,合,合适的热处,理,理工艺。,3.1,热处理在工,艺,艺路线中的,位,位置,热处理在,工,工艺路线中,的,的位置的安,排,排原则,最终热处理,（,（淬火、回,火,火后硬度高,）,）一般安排,在,在半精加工,与,与最终的精,加,加工（磨削,等,等）之间。,最终热处理,可,可以进行多,次,次（如多次,回,回火等）。,表面淬火属,最,最终热处理,，,，常采用预,先,先热处理（,调,调质或正火,）,）保证心部,性,性能。,渗碳（或碳,氮,氮共渗）后,一,一般紧跟着,淬,淬火、回火,；,；局部毋须,渗,渗碳者，可,采,采取渗前镀,铜,铜或渗后去,除,除。,某些薄层表,面,面改性处理,（,（软氮化、,渗,渗硫及其它,涂,涂层等）后,，,，不再进行,切,切削加工。,高精度零件,等,等常需多次,去,去应力退火,或,或回火（时,效,效）处理或,冷,冷处理。,热处理,在,在工艺路线,中,中的位置,表7-5,3.2,钢铁普通热,处,处理方案的,选,选择,3.3,钢,钢铁表面,热,热处理方案,的,的选择,高频淬火,：,：在基本满足,要,要求时优先,考,考虑，尤其,大,大批量生产,。,。,渗,碳,碳：更高性能要,求,求（尤其表,、,、内配合）,、,、更深硬化,层,层要求时采,用,用。,碳氮共渗,：,：在负荷不甚,大,大时，可取,代,代渗碳（周,期,期短且耐磨,性,性高于渗碳,）,）。,软,氮,氮 化：减摩，要求,变,变形小，且,疲,疲劳强度较,高,高的场,合。,氮,化,化：负荷不大，,但,但耐磨、耐,蚀,蚀的精密零,件,件。,表7-6,表7-7,3.4,有色金属热,处,处理方案的,选,选择,铝合金常用,工,工艺：,均匀化退,火,火：,消除铸造铝,合,合金的成分,偏,偏析及铸造,内,内应力，稳,定,定组织、提,高,高塑性。,再结晶退,火,火或去应力,退,退火：,变形后消除,加,加工硬化或,仅,仅消除应力,（,（较低温度,）,）。,固溶、时,效,效处理：,获得时效强,化,化的效果。,3.5,零,零件热处,理,理技术要求,的,的标注,是一个重要,问,问题，它确,定,定了使用性,能,能及工艺路,线,线。由设计,者,者完成。,多以硬度（HRC、HBS）作为,力,力学性能的,技,技术要求。,要给出合适,的,的硬度要求,范,范围：HRC35个单位，,HBS3050,个,个单位。,通常要标出,达,达到硬度要,求,求的热处理,工,工艺类型（,毋,毋须工艺细,节,节）:,如淬火、回火5862HRC；,渗层（0.81.2mm）、淬,火,火、回火6063HRC；,调质220,250HBS。,硬度要求的,数,数值应与材,料,料可能达到,的,的硬度相一,致,致，钢材主,要,要考虑含碳,量,量和淬透性,。,。,如45钢，若,要,要求6063HRC,（,（）；,调质5055HRC,（,（）。,表面热处理,的,的硬化层要,求,求（类型、深度,等,等）。,某些特殊技,术,术要求，如,高,高速钢淬火,多,多有晶粒度,级,级别要求，,军,军械零件有,强,强度、塑性,、,、韧性等要,求,求。,标注位置及,示,示例：,图7-4,图7-3,4 变形,开,开裂与热处,理,理结构工艺,性,性,热处理（,尤,尤其淬火）,的,的负面影响,：,：,热处理变形,和,和开裂(热,处,处理应力引,起,起)；表面,氧,氧化脱碳。,措施：,从零件设计,与,与制造和热,处,处理工艺两,方,方面。,4.1,减,减少零件,热,热处理变形,和,和防止开裂,的,的方法,（deformation&crack,）,）,选材：,针对性选用,高,高淬透性的,合,合金钢、高,合,合金钢，替,代,代碳钢、低,合,合金钢。,图7-6,图7-5,预留加工,余,余量：,找出变形规,律,律、半精加,工,工预留余量,（,（变形量,）,）。,按变形规,律,律调整切削,加,加工尺寸。,合理安排,工,工艺路线。,降低零件,表,表面粗糙度(以减低因,局,局部应力集,中,中而淬火开,裂)。,合理的锻,造,造和热处理,：,：,成分均匀化,与,与合理纤维,走,走向；合适,的,的预先热处,理,理（球化退,火,火和调质要,比,比正火有利,）,）。,修改技术,条,条件：,适当降低要,求,求，以采用,比,比较缓和的,淬,淬火介质和,工,工艺。,采用先进,设,设备：,可以高硬度,状,状态加工，,如,如特种磨、,电,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,工艺性,零件机械设,计,计（零件的,结,结构、截面,尺,尺寸等）时,要,要考虑其,热处理工艺,性,性如何。,考虑的主,要,要方面：,零件的结,构,构要易于进,行,行热处理（,如,如避免悬殊,截,截面、盲孔,等,等）,易于,达,达到技术要,求,求。,零件的结,构,构有利于减,少,少变形、防,止,止开裂。,零件的结,构,构不易发生,早,早期失效，,有,有较高寿命,。,。,具体措施,：,：,避免尖角,；,；避免厚薄,悬,悬殊。,采用封闭,和,和对称结构,；,；采用组合,结,结构。,合理布置,孔,孔洞位置；,设,设置工艺孔,。,。,采用局部,淬,淬火或整体,淬,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,结 束,返 回,图-,零,零件失,效,效形式分,类,类,返回,表7-1,几,几种常,见,见零件工,作,作条件、,失,失效形式,及,及要求的,力,力学性能,返回,返回,图7-2,按,按力,学,学性能选,材,材的基本,步,步骤,返回,返回,返回,返回,返回