機械零件的選用教材教材

機械零件材料的選用培訓講師工程部白天云目錄材料選用的一般原則選材的基本過程與失效分析典型零件的選材

第一章材料選用的一般原則選材的基本原則：所選材料的使用性能應能滿足零部件使用要求，經(jīng)久耐用，易于加工，成本低，即從材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟性三個方面進行考慮。

第一節(jié)材料使用性能定義：使用性能是指零部件在工作過程中應具備的力學性能、物理性能和化學性能，它是選材的最主要依據(jù)。對于機械零件，最重要的使用性能是力學性能.

根據(jù)使用性能選材的步驟如下：①分析零部件的工作條件，確定使用性能工作條件分析包括:a.受力狀態(tài)（拉、壓）b.載荷性質(zhì)（靜載、動載、交變載荷）c.載荷大小及分布d.工作溫度e.環(huán)境介質(zhì)（潤滑劑、海水、酸、堿）f.對零部件的特殊性能要求（電、磁、熱）等。②分析零部件的失效原因，確定主要使用性能通過對零部件失效原因的分析，找出導致失效的主導因素，準確確定出零部件所必需的主要使用性能。幾種常用零部件的工作條件及對性能要求

零件工

作

條

件

常見的失效形式

要求的主要機械性能應力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)緊固螺栓拉/剪靜載

—過量變形斷裂強度，塑性傳動軸彎/扭循環(huán)沖擊軸頸摩擦振動疲勞斷裂過量變形軸頸摩損綜合機械性能傳動齒輪壓/彎循環(huán)沖擊摩擦振動齒折斷,磨損,疲勞斷裂,接觸疲勞(麻點)表面高強度及疲勞極限心部強度、韌性彈

簧扭/彎交變沖擊振動彈性失穩(wěn)疲勞破壞彈性極限，屈強比疲勞極限冷作模具復雜交變沖擊強烈摩擦磨損脆斷硬度，足夠的強度韌性③對零部件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為材料性能指標的要求有了對零部件使用性能的要求，還不能馬上進行選材。需要通過分析、計算或模擬試驗將使用性能要求指標化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉(zhuǎn)化為“>60HRC”或“62~65HRC”等。這是選材最關(guān)鍵、最困難的一步。④材料的預選a.根據(jù)對零部件材料性能指標數(shù)據(jù)的要求查閱有

關(guān)手冊，找到合適的材料，根據(jù)這些材料的大

致應用范圍進行判斷、選材。b.對用預選材料設(shè)計的零部件，其危險截面在考慮安全系數(shù)后的工作應力，必須小于所確定的性能指標數(shù)據(jù)值。c.然后再比較加工工藝的可行性和制造成本的高低、以最優(yōu)方案的材料作為所選定的材料。第二節(jié)材料工藝性能材料的工藝性能:

定義：表示材料加工的難易程度。工藝性能的好壞，直接影

響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。工藝性能與使用性能相矛盾時，有時正是從工藝性能考慮，使得某些使用性能合格的材料不得不被放棄，成為選擇材料的主導因素。工藝性能對大批量生產(chǎn)的零部件尤為重要，因為在大批量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。一、金屬工藝性能主要是切削加工性能、材料的成型性能（鑄造、鍛造、焊接）和熱處理性能（淬透性、變形、氧化和脫碳傾向等）。鑄造性能主要指流動性、收縮性、熱裂傾向性、偏折和吸氣性等。接近共晶成分合金的鑄造性能最好。鑄鐵、硅鋁明等一般都接近共晶成分。鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。

1、鍛造性能

指冷、熱壓力加工時的塑性變形能力以及可熱壓力加工的溫度范圍，抗氧化性和對加熱、冷卻的要求等。低碳鋼的鍛造性最好，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。2.切削加工性能

指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的難易

程度以及對刃具的磨損程度來衡量。材料硬度在160~230HB范圍內(nèi)時，切削加工性能好。硬度太高，則切削抗力大，刃具磨損嚴重，切削加工性下降。硬度太低，則不易斷屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。二、

高分子材料工藝性能

高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成

形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。由于高分子材料的導熱性差，在切削過程中易使工件溫

度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。機械加工容易變形三、

陶瓷材料的工藝性能

陶瓷材料的加工工藝路線為：

備料→成形加工（配料、壓制、燒結(jié)）→磨加工→裝配。

陶瓷材料的加工工藝也比較簡單，主要工藝是成形。

按零部件的形狀、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不

同的成形加工方法（粉漿、熱壓、擠壓、可塑）。

陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金剛石砂輪

進行磨加工外，幾乎不能進行任何切削加工。第三節(jié)經(jīng)濟性能選材的經(jīng)濟性原則：

在滿足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零

部件的總成本，以取得最大的經(jīng)濟效益。為此，材料選用應充分利用資源優(yōu)勢，盡可能采用標準化、通用化的材料，以降低原材料成本、減少運輸、實驗研究費用。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不應選用合金鋼。第二章

選材的基本過程與失效分析選擇材料的基本過程零件的失效分析第一節(jié)選擇材料的基本過程第二節(jié)零件的失效分析1.定義:零件不能正常和安全的工作

即零件失效。2.原因結(jié)構(gòu)或形狀設(shè)計不合理材料的選擇不合理加工工藝不合理安裝與使用不合理3.零件失效分析方法步驟1．現(xiàn)場調(diào)查研究收集失效零件的殘骸，并拍照記錄實況，確定重點分析

對象，樣品應取自失效的發(fā)源部位。2．詳細記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計圖紙、

加工方式及使用情況。3．對所選定的試樣進行宏觀和微觀分析，確定失效的發(fā)源

點和失效的方式。掃描電鏡斷口分析確定失效發(fā)源地和

失效方式；金相分析，確定材料的內(nèi)部質(zhì)量。4．測定樣品的有關(guān)數(shù)據(jù)：性能測試、組織分析、

化學成份分析及無損探傷等。5．斷裂力學分析。6．最后綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效

的具體原因，提出改進措施，寫出分析報告。4.形式過量變形失效過量彈性變形過量塑性變形斷裂失效韌性斷裂應力腐蝕斷裂蠕變斷裂疲勞斷裂低應力斷裂脆性斷裂表面損傷失效磨損接觸疲勞腐蝕機械零件的失效形式1、整體斷裂

零件在受拉壓彎剪扭等外力載荷作用時，由于某一危險斷面上的應力超過零件的強度極限而發(fā)生的斷裂，或者零件在受變應力作用時，危險斷面上發(fā)生的疲勞斷裂均屬于此類。例如螺栓的斷裂，齒輪輪齒根的折斷。2、過大的殘余應力如果作用于零件上的應力超過了材料的屈服極限，則零件將產(chǎn)生殘余變形。機床上夾持定位零件的過大的殘余變形，要降低加工精度；高速轉(zhuǎn)子軸的殘余撓曲變形，將增大不平衡度，并進一步引進零件的變形。

機械零件的失效形式3、零件的表面破壞零件的表面破壞主要是腐蝕、磨損和接觸疲勞。腐蝕是發(fā)生在金屬表面的一種電化學或化學侵蝕現(xiàn)象。腐蝕的結(jié)果是使金屬表面產(chǎn)生銹蝕，從而使零件表面遭到破壞。與此同時，對于承受變應力的零件，還要引起腐蝕疲勞的現(xiàn)象。磨損是兩個接觸表面在相對運動的過程中發(fā)生物質(zhì)轉(zhuǎn)移或物質(zhì)喪失的現(xiàn)象。零件表面的疲勞是受到接觸應力長期作用的表面產(chǎn)生裂紋或微粒剝落的現(xiàn)象。腐蝕、磨損和接觸疲勞都是隨工作時間延續(xù)而逐漸發(fā)生的失效形式。處于潮濕空氣中或與水、汽及其他腐蝕性介質(zhì)相接觸的金屬零件，均有可能發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；所有作相對運動的零件接觸表面都有可能發(fā)生磨損；而接觸應力條件下工作的零件表面也將有可能發(fā)生接觸疲勞。破壞正常工作條件引起的失效有些零件只有在一定工作條件下才能正常地工作。例如，液體摩擦的潤滑軸承，只有在存在完整的潤滑油膜時才能正常工作；帶傳動和摩擦輪傳動，只有在傳遞的有效圓周力小于臨界摩擦力時才能正常工作；高速轉(zhuǎn)動的零件，只有其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)運件系統(tǒng)的固有頻率避開一個適當?shù)拈g隙時才能正常地工作等，如果破壞了這些必備的條件，則將發(fā)生不同類型的失效。例如，滑動軸承將發(fā)生過熱、膠合、磨損等形式的失效；帶傳動將發(fā)生打滑的失效；高速轉(zhuǎn)子將發(fā)生共振從而使振幅增大，以致引起斷裂的失效等。零件到底經(jīng)常發(fā)生哪種形式的失效，這與很多因素有關(guān)，并且在不同行業(yè)和不同的機器上也不盡相同。根據(jù)《MechanicalFaultDiagnosisandConditionMonitoring》中對1378項失效進行分析的結(jié)果來看，由于腐蝕、磨損和各種疲勞破壞所引起的失效占73.88%，而由于斷裂所引起的失效只占4.79%。那么可以說，腐蝕、磨損和疲勞是引起零件失效的主要原。第三章典型零件的選材機床主軸機床齒輪第一節(jié)C616–416車床主軸一)工作條件:1.該軸在滾動軸承中運轉(zhuǎn)。

2.承受中等負荷,承受一定的沖擊力。

3.轉(zhuǎn)速中等。二)技術(shù)要求:

1.整體調(diào)質(zhì)后硬度應為HB200～230,金相組織為回火索氏體。

2.內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為HRC45～50,

表面3～5mm內(nèi)金相組織為回火屈氏體和少量回火馬氏體。

3.花鍵部分硬度HRC48～50,金相組織同上三)選材:45鋼四)加工工藝路線:下料鍛造正火

粗加工調(diào)質(zhì)半精加工鉆中心孔精車加工

銑鍵槽局部淬火(錐孔及外錐體)粗磨滾銑花鍵花鍵淬火精磨第二節(jié).C616機床齒輪一)工作條件:

1.工作負荷不太大。

2.中速運轉(zhuǎn)(6～10m/s)