第十章　工程材料與熱加工工藝的選用

第一節(jié)零件的失效分析第二節(jié)材料與成形工藝的選擇原則第十章工程材料與熱加工工藝的選用第一節(jié)零件的失效分析所謂失效是指工程結(jié)構(gòu)或零部件在使用過(guò)程中，由于尺寸、形狀或材料組織與性能等的變化而失去所具有的效能的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，零件有下列情況之一時(shí)，即認(rèn)定為失效：零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；雖能工作，但不能保證安全；雖保證安全，但不能保證精度或起不到預(yù)定的作用。一、失效與失效分析零件失效形式多種多樣，通常按零件的工作條件及失效的宏觀表現(xiàn)和規(guī)律將失效分為：斷裂失效、變形失效、表面損傷失效及材料老化失效等。（一）斷裂失效斷裂失效是機(jī)械零件的主要失效形式，指零件在工作過(guò)程中完全斷裂而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械設(shè)備無(wú)法工作的現(xiàn)象。1．韌性斷裂失效2．疲勞斷裂失效3．低應(yīng)力脆性斷裂失效二、零件的失效形式4．環(huán)境斷裂5．低溫脆性斷裂失效6．蠕變斷裂失效（二）變形失效在外力作用下零件發(fā)生整體或局部的過(guò)量彈性變形或塑性變形導(dǎo)致整個(gè)機(jī)器或設(shè)備無(wú)法正常工作，或者能正常工作但保證不了產(chǎn)品質(zhì)量的現(xiàn)象，稱(chēng)之為變形失效。1.彈性變形失效2.塑性變形失效二、零件的失效形式（三）表面損傷失效由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸或表面粗糙度造成的失效，稱(chēng)為表面損傷失效。1.磨損失效2.腐蝕失效3.接觸疲勞失效二、零件的失效形式（四）材料的老化高分子材料在貯存和使用過(guò)程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象，從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱(chēng)為高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。二、零件的失效形式造成零件失效的原因是多方面的，其主要原因有以下幾個(gè)方面：（一）零件設(shè)計(jì)不合理（二）選材不當(dāng)（三）加工工藝不合理（四）裝配及使用不正確三、零件失效的原因設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思想有誤工作條件分析錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)外形不合理材料選材不當(dāng)材質(zhì)低劣（冶金缺陷）加工各種熱加工缺陷各種冷加工缺陷使用安裝不良維護(hù)不善操作不當(dāng)過(guò)載使用零件失效的主要原因零件失效的原因是多種多樣的，實(shí)際情況往往非常復(fù)雜，一個(gè)零件的失效可能是多種因素共同作用的結(jié)果。因此，必須根據(jù)零件損壞特征仔細(xì)調(diào)查研究，分析判斷，找出主要原因。失效分析過(guò)程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，必須對(duì)零件設(shè)計(jì)、選材、工藝和安裝使用等各方面進(jìn)行系統(tǒng)分析，才能找出失效原因。失效分析的過(guò)程如下：（一）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究（二）整理分析（三）試驗(yàn)分析（四）綜合分析得出結(jié)論四、失效分析過(guò)程第二節(jié)材料與成形工藝的選擇原則研究和制造有競(jìng)爭(zhēng)性的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，最重要的要求之一就是選擇產(chǎn)品中不同零件所用的各種材料和與之相應(yīng)的加工方法的最佳組合。由于所能采用的材料和加工方法很多，因而材料的選用通常是一個(gè)復(fù)雜而困難的判斷、優(yōu)化過(guò)程。在掌握各種工程材料性能的基礎(chǔ)上，正確、合理地選擇和使用材料是從事工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)人員的一項(xiàng)重要任務(wù)。

（一）使用性能原則使用性能是保證零部件完成指定功能的必要條件，它是選材的最主要依據(jù)。使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對(duì)于機(jī)械零件，最重要的使用性能是力學(xué)性能，對(duì)零部件力學(xué)性能的要求，一般是在分析零部件的工作條件（溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等）和失效形式的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。根據(jù)使用性能選材的步驟如下：一、材料選擇原則使用性能簡(jiǎn)要分類(lèi)分類(lèi)典型性能用途舉例力學(xué)性能強(qiáng)度剛度韌性

各機(jī)械裝置、承載結(jié)構(gòu)零件，如齒輪、軸、螺栓、連桿等物理性能密度

航天航空、運(yùn)動(dòng)機(jī)械導(dǎo)熱性

熱交換器、隔熱保溫裝置導(dǎo)電性

電機(jī)電器、輸變電設(shè)備化學(xué)性能耐熱性耐蝕性

熱工動(dòng)力機(jī)械與加熱設(shè)備、化工設(shè)備、海洋平臺(tái)、船舶與戶(hù)外結(jié)構(gòu)功能特性電磁、聲、光、熱等性能

功能器件，敏感元件，如太陽(yáng)能電池、壓電器件等使用性能要求的簡(jiǎn)單分類(lèi)使用性能選材原則零部件的工作條件是復(fù)雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)（如拉、壓、彎、扭、剪切等）、載荷性質(zhì)（靜載荷、動(dòng)載荷、交變載荷）、載荷大小及分布、工作溫度（低溫、室溫、高溫、變溫）、環(huán)境介質(zhì)（潤(rùn)滑劑、海水、酸、堿、鹽）、對(duì)零部件的特殊性能要求（電、磁、熱）等。在對(duì)工作條件進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上確定零部件的使用性能。1、分析零部件的工作條件，確定使用性能使用性能選材原則幾種常用零部件的工作條件及對(duì)性能要求零部件工作條件失效形式主要力學(xué)性能承受應(yīng)力載荷性質(zhì)緊固螺栓拉、剪靜過(guò)量變形、斷裂強(qiáng)度、塑性傳動(dòng)齒輪壓、彎循環(huán)、沖擊磨損、麻點(diǎn)、剝落、疲勞斷裂表面硬度、疲勞強(qiáng)度、心部韌性傳動(dòng)軸彎、剪循環(huán)、沖擊疲勞斷裂、過(guò)量變形、軸頸磨損綜合力學(xué)性能彈簧彎、剪循環(huán)、沖擊疲勞斷裂屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度連桿拉、壓循環(huán)、沖擊斷裂綜合力學(xué)性能軸承壓循環(huán)、沖擊磨損、麻點(diǎn)剝落、疲勞斷裂硬度、按觸疲勞強(qiáng)度冷作模具復(fù)雜循環(huán)、沖擊磨損、斷裂硬度、足夠的強(qiáng)度和韌性對(duì)零部件使用性能的要求，往往是多項(xiàng)的。例如傳動(dòng)軸，要求其具有高的疲勞強(qiáng)度、韌性和軸頸的耐磨性。因此，需要通過(guò)對(duì)零部件失效原因的分析，找出導(dǎo)致失效的主導(dǎo)因素，準(zhǔn)確確定出零部件所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時(shí)承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析表明，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應(yīng)以疲勞抗力作為主要使用性能要求來(lái)進(jìn)行曲軸的設(shè)計(jì)。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價(jià)格便宜、工藝簡(jiǎn)單的球墨鑄鐵。2、分析零部件的失效原因，確定主要使用性能使用性能選材原則3．將對(duì)零部件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為對(duì)材料性能指標(biāo)的要求有了對(duì)零部件使用性能的要求，還不能馬上進(jìn)行選材，還需要通過(guò)分析、計(jì)算或模擬試驗(yàn)將使用性能要求轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)。根據(jù)零部件的尺寸及工作時(shí)所承受的載荷，計(jì)算出應(yīng)力分布，再由工作應(yīng)力、使用壽命或安全性與材料性能指標(biāo)的關(guān)系，確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值。使用性能選材原則4．材料的預(yù)選根據(jù)對(duì)零部件材料性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的要求查閱有關(guān)手冊(cè)，找到合適的材料，根據(jù)這些材料的大致應(yīng)用范圍進(jìn)行判斷、選材。除了根據(jù)力學(xué)性能選材之外，對(duì)于在高溫和腐蝕介質(zhì)中工作的零件還要求材料具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，即抗氧化性和耐腐蝕性；此外，有些零件要求具有特殊性能，如電性能、磁性能或熱性能等，這時(shí)就應(yīng)根據(jù)材料的物理性能和化學(xué)性能進(jìn)行選材。使用性能選材原則

（二）工藝性能原則材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。任何零部件都要通過(guò)一定的加工工藝才能制造出來(lái)。因此在滿(mǎn)足使用性能選材的同時(shí)，必須兼顧材料的工藝性能。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。一般在選材中，材料的工藝性能與使用性能相比，處于次要地位。但有時(shí)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，此時(shí)工藝性能成為選擇材料的主導(dǎo)因素。工藝性能選材原則1．金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能是指金屬適應(yīng)某種加工工藝的能力。金屬材料的加工工藝復(fù)雜，要求的工藝性能較多，主要有機(jī)械加工性能、材料的成形性能（鑄造、壓力加工、焊接）和熱處理性能（淬透性、變形、氧化和脫碳傾向等）。工藝性能選材原則2．高分子材料工藝性能高分子材料的加工工藝比較簡(jiǎn)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尚好，但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過(guò)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。工藝性能選材原則3．陶瓷材料的工藝性能陶瓷材料的加工工藝也比較簡(jiǎn)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(jìn)行磨削加工外，幾乎不能進(jìn)行任何切削加工。工藝性能選材原則

（三）經(jīng)濟(jì)性能原則選材的經(jīng)濟(jì)性原則是在滿(mǎn)足使用性能和工藝性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的總成本，包括材料的價(jià)格、加工費(fèi)、試驗(yàn)研究費(fèi)、維修管理費(fèi)等達(dá)到最低，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在許多工業(yè)部門(mén)中可占產(chǎn)品價(jià)格的30%～70%，因此設(shè)計(jì)人員要十分關(guān)心材料的市場(chǎng)價(jià)格。經(jīng)濟(jì)性能選材原則表10-2我國(guó)常用金屬材料的相對(duì)價(jià)格經(jīng)濟(jì)性能選材原則

（一）適用性原則適用性原則指材料的成形方法要滿(mǎn)足零件的使用性能和工藝性能要求。1．滿(mǎn)足使用性能零件的使用性能要求體現(xiàn)在對(duì)其形狀、尺寸、加工精度、表面粗糙度等外部質(zhì)量，以及對(duì)其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。滿(mǎn)足零件的使用性能要求是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件，是材料成形方法選擇應(yīng)考慮的首要問(wèn)題。二、成形方法選擇原則表10-3幾種成形加工方法的材料利用率與單位能耗適用性原則2．加工費(fèi)用盡量選擇加工成本較低的成形方法。例如，制造內(nèi)腔較大的零件時(shí)，采用鑄造或旋壓加工成型比采用實(shí)心鍛件經(jīng)切削加工制造內(nèi)腔要便宜。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件如果能采用焊接結(jié)構(gòu)，可比整體鍛造后機(jī)械加工成形更為方便。適用性原則

（二）經(jīng)濟(jì)性原則在所選擇的成形方法滿(mǎn)足適應(yīng)性原則的前提下，應(yīng)對(duì)可選的成形方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，選擇成本低廉的方案。1．材料的利用率前面介紹了材料價(jià)格對(duì)選材的影響，在關(guān)注材料價(jià)格的同時(shí)，也要致力于提高材料的利用率。成形方法選擇應(yīng)盡量使毛坯尺寸、形狀與成品零件相近，從而減少加工余量，提高材料的利用率，減少機(jī)械加工工作量。經(jīng)濟(jì)性原則2．滿(mǎn)足工藝性能工藝性能包括鑄造性能、可鍛性、可焊性、熱處理性能及切削加工性能等。滿(mǎn)足工藝性能是指所選擇的成形方法與毛坯的材料和結(jié)構(gòu)之間相適應(yīng)。成形加工工藝性的好壞影響到零件加工的難易程度、生產(chǎn)效率及成本等。故選擇成形方法時(shí)，必須注意零件材料和結(jié)構(gòu)所能適應(yīng)的加工工藝性。經(jīng)濟(jì)性原則3．實(shí)際生產(chǎn)條件現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)備能力，人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。在一般情況下，應(yīng)正確分析企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)條件和工藝水平，充分利用本企業(yè)的現(xiàn)有條件完成生產(chǎn)任務(wù)。例如生產(chǎn)重型機(jī)械產(chǎn)品時(shí)（例如萬(wàn)噸水壓機(jī)），當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運(yùn)輸設(shè)備的條件下，可以適當(dāng)改變零件的加工方式，選用鑄造與焊接聯(lián)合成形的工藝，即首先將大件分成幾小塊鑄造后，再用焊接拼焊成大鑄件