第十一章 機械設(shè)計及選材

1、1第十一章第十一章 機械設(shè)計與選材機械設(shè)計與選材零件的失效零件的失效選材原則選材原則 選材的典型實例分析選材的典型實例分析2第一節(jié)第一節(jié) 零件的失效零件的失效一、失效的概念 零件在工作過程中最終都要發(fā)生失效。所謂失效是指：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；嚴(yán)重損傷，繼續(xù)工作很不安全；雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用。 只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種，都認為零件已經(jīng)失效。一般稱呼失效大多是特指零件的早期失效，即未達到預(yù)期的效果或壽命，提前出現(xiàn)失效的過程。 失效：零件或部件失去應(yīng)有的功效3 失效分析： 探討零件失效的方式和原因，并提出相應(yīng)的改進措施。 根據(jù)失效分析的結(jié)果，改進對零件的設(shè)計、選

2、材、加工和使用，提高零部件的使用壽命，避免惡性事故的發(fā)生，帶來相應(yīng)的經(jīng)濟效益和社會效益。 4二、零件失效的原因 設(shè)計：設(shè)計： 由于零件設(shè)計時對其工作條件估計錯誤，如對工作時的過載估計不足，散熱、潤滑、環(huán)境腐蝕氣氛了解不足等，設(shè)計依據(jù)不合理；計算錯誤，但現(xiàn)在很少發(fā)生因計算錯誤造成的設(shè)計事故；結(jié)構(gòu)外形設(shè)計不合理，往往容易忽視高應(yīng)力處的應(yīng)力集中，僅考慮結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)尖角、缺口、過小的圓角。5材料：材料： 選材不當(dāng)，如根據(jù)材料的常規(guī)性能指標(biāo)作判據(jù)，但這些指標(biāo)可能并不是材料發(fā)生失效的抗力，還有為了經(jīng)濟或加工原因，選擇的材料不合理，即材料本身沒有設(shè)計者有求于的能力。問題出在材料上，但責(zé)任在設(shè)計者。 材料本身的

3、缺陷，如雜質(zhì)元素過多、夾雜物過多或存在夾層、裂紋的宏觀缺陷，即材料的質(zhì)量問題。 6加工：加工： 由于生產(chǎn)加工的工藝不良，也會造成各種缺陷。如鑄、鍛、焊工藝不良產(chǎn)生的偏析、帶狀組織或過熱、過燒現(xiàn)象；機械加工的光潔度不足，存在過深的刀痕、磨痕；熱處理不良出現(xiàn)的過熱、脫碳、淬火裂紋、回火不足導(dǎo)致較大的殘余內(nèi)應(yīng)力等。值得注意的是零件的結(jié)構(gòu)不合理會造成或加大產(chǎn)生各中加工缺陷的可能性。7安裝與使用：安裝與使用： 零件安裝時的配合過緊、過松、對中不良、固定不緊等會造成零件的早期失效，在使用時的非法過載或維護不良(潤滑、散熱、粉塵)也會造成零件的早期失效。意外事故：意外事故： 人為或非人為因素造成零件出現(xiàn)了不

4、可承受的載荷。 8三、零件失效形式與性能之間的關(guān)系 1.變形失效變形失效 彈性變形失效：由于發(fā)生過大的彈性變形而造成的零件失效。彈性變形超過了工作能容許的范圍，造成與其配合的零件相撞而破壞；細長桿的彈性失穩(wěn)而發(fā)生塑性彎曲或斷裂。材料的彈性模量僅決定于成分，熱處理對其影響較小。 9塑性變形失效：零件由于發(fā)生過大的塑性變形而不能繼續(xù)工作的失效。材料抵抗塑性變形的能力主要指標(biāo)是屈服強度，屈服強度愈高，發(fā)生塑性變形失效的可能行愈小，而有一些脆性材料可能屈服強度很高，但因為材料太脆，高強度的特點發(fā)揮不出來。102. 斷裂失效斷裂失效 快速斷裂失效：快速斷裂又稱為單調(diào)斷裂，在單調(diào)增加載荷的作用下，當(dāng)載荷超

5、過一定臨界值后迅速發(fā)生斷裂。斷裂的形式有塑性斷裂和低應(yīng)力脆斷。塑性斷裂往往是材料存在缺口或應(yīng)力的高度集中造成，如斷裂前材料有明顯的塑性變形，在早期就定為塑性變形失效。低應(yīng)力脆斷發(fā)生前沒有可見的征兆，往往會帶來災(zāi)難性后果(飛機墜毀、輪船沉沒)，為此要考慮材料的韌性，特別是沖擊韌性的脆性轉(zhuǎn)變溫度。 11疲勞斷裂失效：在低于屈服應(yīng)力的交變循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂，是機械零件的主要失效形勢之一。機械設(shè)計的校核用-1，材料的實質(zhì)是裂紋擴展速率，它要求材料有良好的強韌性配合。但在設(shè)計中應(yīng)考慮工作時實際發(fā)生的循環(huán)次數(shù)，不可都以無限次校核。12蠕變斷裂失效： 蠕變是指材料在固定的應(yīng)力作用下，隨時間的延長變形不

6、斷增加的現(xiàn)象，蠕變也可導(dǎo)致零件失效，蠕變失效可能是變形失效或斷裂失效。蠕變過程是原子的擴散過程，提高其抗力一方面選用高熔點材料，另一方面是高熔點質(zhì)點彌散分布減緩擴散的進行。此外大晶?？梢杂行岣卟牧系母邷貜姸取?介質(zhì)加速斷裂：在存在應(yīng)力，特別是有交變應(yīng)力又有裂紋時，許多介質(zhì)如鹽水可以加速斷裂過程，有稱為應(yīng)力腐蝕。 133. 表面損傷失效表面損傷失效 磨損失效： 磨損主要是在機械力的作用下，相對運動的接觸表面的材料以細屑形式逐漸磨耗，而使零件尺寸不斷變小的一種失效方式。磨損可能是被硬質(zhì)點切削下來，也可能是在大的壓力下焊合撕開，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨損的能力愈強。 14表面疲勞失效：相互接

7、觸的兩個運動表面(特別是滾動接觸),在工作過程中承受交變接觸應(yīng)力的作用，使材料表層發(fā)生疲勞破壞而脫落，造成零件失效。接觸疲勞按其損傷程度分為麻點(淺層剝落)與剝落(深層剝落)。提高表面接觸疲勞抗力要求在一定的層深范圍內(nèi)有高的硬度。 15腐蝕失效： 由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕作用造成的零件失效。腐蝕的種類有多種，如點腐蝕、裂隙腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕。重點在于改善材料的化學(xué)性能，不僅材料整體的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是晶界的化學(xué)穩(wěn)定性。 16第二節(jié)第二節(jié) 選材原則選材原則 一、所用材料要滿足使用性能 機械零件應(yīng)能承受相應(yīng)要求的載荷 零件承受工作時的拉、壓、彎、扭、剪、沖擊應(yīng)力，不能斷裂或超量的變形。適應(yīng)工作環(huán)

8、境 溫度、電、磁、熱、腐蝕等作用下，熱膨脹不能超限，絕緣或?qū)щ?，合理的外觀。保證零件經(jīng)久耐用 即零件要有一定的壽命。 17 所有的材料都不是萬能的，揚其利，避其弊。從失效分析入手，失效的方式?jīng)Q定對材料要求的主要性能。例如齒輪失效有折斷、接觸疲勞點蝕、過度磨損，要用有高硬度、好韌性的材料制造，手術(shù)刀要鋒利、不斷、不繡等等。 18二、所用材料要滿足生產(chǎn)中的工藝要求 所用材料要有相應(yīng)的工藝能制造出來。鑄造：材料的高溫流動性、收縮率、偏析、吸氣性等。熱鍛成形：熱塑性、流變應(yīng)力、加熱抗氧化性等。冷壓成形：屈服強度、塑性、加工硬化性等。焊接：焊縫強度和熱影響區(qū)的開裂問題，包括冷裂或熱裂傾向；熱處理：加熱時

9、氧化脫碳傾向和過熱敏感性，淬火時變形開裂傾向和淬透性、回火脆性和回火性能；冷機械切削加工：合適的硬度、斷屑性、得到的表面質(zhì)量。 19三、經(jīng)濟比成本低 比成本系指(材料費用工藝生產(chǎn)費用)/壽命 比成本為最小 這里要考慮材料的來源、國家資源、生產(chǎn)管理等。充分利用國內(nèi)資源，不排除世界貿(mào)易。在管理上，大批量的專業(yè)生產(chǎn)材料的消耗量大，材料的種類可多種，節(jié)省出單價差別；而小批量的生產(chǎn)，過多的品種增加了管理費用，用量少的以優(yōu)代劣，可以降低成本，不一定完全依賴原設(shè)計。 在這三條原則中，要依次選擇，首先要滿足性能，其次考慮加工、兼顧成本。技術(shù)的發(fā)展不斷對材料提出新要求，工藝的發(fā)展不斷創(chuàng)新加工方法。 20第三節(jié)第

10、三節(jié) 選材的典型實例分析選材的典型實例分析一、齒輪類一、齒輪類 齒輪在機床、汽車等機械中是十分重要、使用量很大的零件，主要用于速度調(diào)節(jié)和功率傳遞。工作時的受力情況：齒面承受很大的交變彎曲應(yīng)力；換檔、啟動或嚙合不均勻時承受沖擊應(yīng)力；齒面相互滾動、滑動，并承受接觸壓應(yīng)力。折斷(斷齒)齒面剝落過度磨損性能要求：性能要求：高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度；齒面有高的硬度和耐磨性；齒輪心部有足夠高的強度和韌性。2122機床齒輪工作特點：工作特點： 工作負荷不太大，中速運轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。工作負荷不太大，中速運轉(zhuǎn)，較平穩(wěn)。選材：選材： 常用常用4545鋼鋼或或40Cr40Cr鋼等鋼等調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼。工藝路線：工藝路

11、線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精加工精加工 高頻淬火及低溫回火高頻淬火及低溫回火 精磨精磨23汽車變速箱齒輪工作特點： 受力較大，高速運轉(zhuǎn)，受沖擊頻繁。其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等要求均比機床用齒輪高。一般調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)高頻淬火不能滿足要求，并且這類齒輪大多成批生產(chǎn)，對批量大、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的產(chǎn)品有利實現(xiàn)專門工藝過程的實施。選材：常用20CrMnTi鋼等類型滲碳鋼制造并進行滲碳處理。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 切削加工切削加工 滲碳滲碳淬火及低溫回火淬火及低溫回火 噴丸噴丸 磨削加工磨削加工 24二、軸類二、軸類 在機床、汽車等制造工業(yè)中

12、，軸類零件是另一類用量很大、且占有相當(dāng)重要地位的結(jié)構(gòu)件。 軸類零件主要作用是支撐傳動零件并傳遞運動和動力，共性特征是工作時受彎曲、扭轉(zhuǎn)多種應(yīng)力的交變作用，材料應(yīng)有較高的綜合機械性能。局部承受摩擦運動部位如軸頸、花鍵等處，要求有一定的硬度，以提高其抗磨損能力。 不同軸的工作環(huán)境和特定性能要求也不全相同，例如工作溫度(氣輪機)、潤滑條件、腐蝕介質(zhì)(海水中螺旋槳傳遞)、剛度(精密機床主軸)、安全性(提升機)等。對材料的選用也不盡相同，還必需根據(jù)具體應(yīng)用來進行具體分析。2526機床主軸工作特點： 受力不大，有時受到?jīng)_擊載荷作用，要求較高的剛度，軸頭錐面和錐孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑動軸承的軸頸則

13、需要高的耐磨性。選材：由于材料的受力不大可用普通45鋼，對高精度機床為保證氮化可靠性，應(yīng)選用38CrMoAlA專用氮化鋼為好。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 退火退火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) 精車精車 消除應(yīng)力處理消除應(yīng)力處理 噴砂噴砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨27汽車半軸工作特點： 驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的直接驅(qū)動件，承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在啟動、顛簸、特別是緊急制動時受到更大的沖擊應(yīng)力，對材料的抗彎強度、疲勞強度和韌性提出較高的要求。選材：調(diào)質(zhì)鋼，中型載重車輛可選用40Cr鋼，而重型載重車輛則選用性能更高的40CrMnMo鋼。工藝路線：工藝路線：下料下料 鍛造鍛造 正火正火 粗加工粗加工 調(diào)質(zhì)調(diào)