第11章机械零件的毛坯及材料的选用ppt课件.ppt

第11章 机械零件的毛坯及材料的选用,11.2 零件材料的选用,11.1 零件毛坯的选择,1,2,11.1.1,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1 零件毛坯的选择,零件毛坯选择的基本原则,11.1零件毛坯的选择,1.使用性能原则,2.工艺性能原则,3.经济性原则,1.使用性能原则,（1）结构形状和尺寸的要求,对于结构形状复杂的中小型零件，应选择铸件毛坯,对于结构形状很复杂且轮廓尺寸不大的零件，宜选择熔模铸造,对于结构形状较为复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求较高的中小型零件，宜选择模锻件毛坯,对于结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的大型零件，宜选择组合毛坯,3,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.1零件毛坯选择的基本原则,1.使用性能原则,（1）结构形状和尺寸的要求,（2）力学性能的要求,在工作中承受冲击和交变载荷的零件，一般应选择锻造毛坯,对于必须采用铸件，而又要求金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择压力铸造、金属型铸造和离心铸造等,（3）表面质量的要求,对于表面外观质量要求较高、尺寸较小的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或精密模锻,对于尺寸较小的钢铁件，则宜选择熔模铸造或精密模锻,（4）其它方面的要求,对于具有特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足其要求,4,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.1零件毛坯选择的基本原则,1.使用性能原则,2.工艺性能原则,材料的工艺性能是指毛坯满足各种加工工艺要求的能力，毛坯的工艺性能与其材料和结构特征有关,对于铸件，在金属材料中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸钢。而灰铸铁铸造性能最好。对于锻件，低碳钢的锻造性能最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢的锻造性能接近于中碳钢，高合金钢较差；铝合金锻造性能不是很好，而铜合金的锻造性能很好。对于焊接件，低碳钢及碳当量0.4%的合金钢具有较好的焊接性；含碳量0.4%及碳当量0.4%的合金钢焊接性能较差；铜合金和铝合金的焊接性能一般比碳钢差。若材料在成型后还需要进行切削加工，则必须考虑材料的切削加工性能。在金属材料中，铝合金和镁合金的切削加工性最好，其次为易切削钢和中碳钢，而奥氏体不锈钢、高速钢和耐热合金钢最差。,（2）毛坯的结构特征,3.经济性原则,（1）生产批量较小时主要考虑的问题是减少设备、模具等方面的投资，以降低生产成本,（2）生产批量较大时提高生产率和材料的利用率，降低废品率，对降低毛坯的单件生产成本具有明显的经济意义,5,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1 零件毛坯选择的基本原则,（1）毛坯的材料,形状复杂件，特别是有复杂内腔的毛坯，只能用铸造的方法获得。圆饼、方块、套环、齿轮等形状简单的零件，可以采用自由锻工艺；外形较为复杂，并且表面质量要求较高时，则要采用胎膜锻或模锻完成。,常用毛坯生产方法的比较,11.1.2,毛坯生产方法主要有铸造、锻造、焊接、冲压等,6,第11章 机械零件毛坯及材料的选用11.1.2 常用毛坯生产方法的比较,1.铸造,设备比较简单，原材料价格低廉，适应范围非常广泛,铸造是生产毛坯的主要工艺方法,2.锻造,能够获得力学性能优异的产品,表11-2对常用的几种锻造方法进行了比较,3.焊接,主要优点,（1）节约材料；,（2）能划大为小，以小拼大；,（3）可以制造多层金属的结构；,（4）焊缝具有良好的力学性能、密封性、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等,4.冲压,7,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.2 常用毛坯生产方法的比较,表11-1对常用的几种铸造方法进行了比较,对于一些形状复杂的薄壁零件，用铸造或锻造的方法难以成形时，我们可以选择冲压的方法获得。采用冲压方法加工的材料大多是在冷态下变形，产品一般质量较高，无须再进行切削加工便可以投入使用。,典型零件的毛坯选择,11.1.3,8,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,1.常用零件的毛坯种类,按成形方法分类有：,铸造毛坯（铸件）,锻造毛坯（锻件）,焊接复合毛坯（焊接件）,冲压毛坯（冲压件）,轧制毛坯（型材）,其制造方法、基本特征和应用范围见表11-3。,9,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,2.毛坯选择举例,（1）齿轮类零件,工作条件,材料要求,结构特点,承受较大的接触应力、弯曲应力、齿面摩擦力和冲击力,具有足够的强度、硬度和一定的韧性,轴向尺寸一般小于径向尺寸,通常选用锻件作为毛坯,10,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,仪器仪表中的齿轮则可采用压力铸造或冲压方式成形，当受力不大时，其材料可以用铜合金，甚至用工程塑料注射成形。,11,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,直径在100mm以下的小齿轮也可以用圆钢作为坯料，经自由锻或胎膜锻制造锻件毛坯；,直径在500mm以上的大型齿轮，由于锻造比较困难，可采用铸钢或球墨铸铁为毛坯；,在单件生产的条件下，也可以采用焊接的方式制造大型齿轮的毛坯,在低速运转且受力不大或者在多粉尘的环境下开式运转的齿轮，也可以采用灰铸铁为毛坯；,（2）轴类零件,工作条件,材料要求,结构特点,轴向尺寸一般远大于径向尺寸,承受交变弯曲及扭转载荷的作用，轴颈处有强烈的摩擦，有时还要承受过载或冲击载荷,具有较高的强度、疲劳强度、塑性、韧性及耐磨性,最常用的毛坯是型材和锻件,12,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,对于某些大型的、结构形状复杂的轴可用铸件或焊接结构件；,对干光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材作为毛坯；,对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应力的重要轴，均采用锻件作为毛坯；,当生产批量较小时，应采用自由锻件；当生产批量较大时，应采用模锻件,对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯可采用砂型铸造件、焊接结构件或铸一焊结构毛坯。,13,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,（3）箱体类零件,工作条件,材料要求,结构特点,承受其中零件的重量及它们之间作用力,具有较好的刚性、减振性和耐磨性,形状不规则，结构比较复杂,一般采用灰铸铁铸造成形,14,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,个别特大型的机身还可以采用铸焊或锻焊组合结构；,对于载荷较大，承受冲击力的箱体，常采用碳铸钢件或合金铸钢件作毛坯；,对受力很小，要求自重轻的箱体，还可以采用工程塑料来制作。,单件小批生产的结构简单的大体积箱体，有时为了缩短生产周期，可以采用焊接件作毛坯；,对于受力不大，要求自重轻或是要求导热良好的箱体，可以采用铸造铝合金制作毛坯；,15,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.1.3 典型零件的毛坯选择,零件的失效分析,11.2.1,16,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2 零件材料的选用,11.2 零件材料的选用,1.失效的概念,机械零件的失效,指零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象,（1）完全破坏，不能继续工作,（2）严重损伤，继续工作很不安全,（3）虽能安全工作，但已经不能满意地起到设计的作用,当零件出现下列情况中任何一种时，我们便认为零件已经失效,17,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.1 零件的失效分析,2.零件失效的形式,（1）变形失效,过量弹性变形失效,塑性变形失效,蠕变变形失效,（2）断裂失效,韧性断裂失效,脆性断裂失效,疲劳断裂失效,（3）表面损伤失效,磨损失效,腐蚀失效,表面疲劳失效,18,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.1 零件的失效分析,3.零件失效的原因,（1）设计因素,（2）材料因素,（3）加工工艺因素,（4）安装使用因素,19,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.1 零件的失效分析,零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。另外，对零件的实际工作条件（零件工作时所处的温度及介质等环境的变化等）估计不足，使得零件在工作中安全系数较低，抗过载能力过低。,零件设计中选材不当或选用的材料质量差，内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良组织等各种冶金、铸造缺陷，使得零件达不到应有的性能指标。,如零件在机械加工过程中，表面粗糙度值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较高的残余应力或裂纹；热处理的氧化和脱碳、变形和开裂、回火不足等；铸件中气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造或轧制过程中产生的过热、过烧等。,安装不良，操作失误、过载使用、维修不当等,选材的原则、方法和步骤,11.2.2,20,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,1.选材的原则,（1）使用性能原则,使用性能,零件在使用状态下应该具有的力学性能、物理性能和化学性能,使用性能的要求是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出来的,受力状况,环境状况,特殊要求,几种常用零件的工作条件、失效形式和要求的主要力学性能指标见表11-4,21,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,主要是载荷的类型（动载、静载、循环载荷或单调载荷等）和大小、载荷的形式（拉伸、压缩、弯曲或扭转等）和载荷的特点（均布载荷或集中载荷等）。,主要是温度特性（低温、常温、高温或变温等）介质情况和是否有摩擦等。,主要是对导电性、磁性、热膨胀、密度和外观等的要求,要分析手册中的性能指标是在什么加工、处理条件下得到的,确定了具体力学性能指标的数值后，即可利用手册选材。必须注意的是：,必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，并进行适当的修正。,在尺寸和处理条件相同的情况下，手册的数据是偏安全的。必要时可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检查硬度。,22,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,（2）工艺性能原则,工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力,表11-5对常用的高分子材料主要成型工艺进行了比较。,高分子材料,陶瓷材料,几种成型工艺的比较见表11-6,金属材料,23,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但不能承受锻造，焊接性能也比较差；低碳钢的锻造性能和焊接性能都很好；高碳钢的焊接性能很差，适合用于制造刀具、量具等。材料的热处理工艺性能包括淬透性、淬硬性和回火稳定性等。,（3）经济性原则,24,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,零件总成本包括材料本身价格、加工费、设备和工艺装备的折旧费、管理费、运输费、安装费和国家资源等。,碳钢、铸铁价格较低，加工方便,低合金高强度结构钢价格低于合金钢,有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高,尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削加工等措施，以降低加工费用。,加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，采用价格较高的合金钢或硬质合金代替碳钢,所用材料应该顾及我国的资源状况,2.选材的方法和步骤,（1）选材的方法,应根据零件的工作条件，找出最主要的性能要求，作为选材的主要依据,以综合力学性能为主时的选材,以磨损为主时的选材,以疲劳强度为主时的选材,以抗蚀性为主的选材,以热强度为主的选材,25,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,26,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,以综合力学性能为主时的选材,对于一般的机器零件，通常采用调质或正火处理后的中碳钢、球 墨铸铁或淬火、低温回火处理后的低碳钢等制造。,对于受力复杂、工作条件苛刻的零件，例如起落架、涡轮轴、机 翼大梁等，可以选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢制 造，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。,当对于受力较小并要求有较高的比强度和比刚度时，要选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等制造。,以磨损为主时的选材,对于受力较小的摩擦比较严重的零件，例如各种量具、转套、刀具和冷冲模等，其材料的基本要求是高耐磨性和高硬度。在应力较低的情况下，材料的硬度越高，其耐磨性也就越好。当材料的硬度相同时，组织中分布的碳化物数量越多，弥散度越大，其耐磨性越好。所以一般用淬火及低温回火处理后的过共析钢、高碳合金钢制造。,铸铁中的石墨是良好的固体润滑剂，有时用铸铁制造耐磨零件，如机床导轨等,铜合金的摩擦系数很小，约为钢的一半，而塑料的摩擦系数更小，因此也常用铜合金和塑料制造在摩擦部位工作的零件。,对于同时受磨损和循环载荷及冲击载荷的零件，如传动齿轮、凸轮等，材料的选取应该根据零件的工作条件而定，还要采用相应的表面硬化方法。,27,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,以疲劳强度为主时的选材,高周疲劳时，材料疲劳抗力的指标主要是疲劳强度。陶瓷材料和高分子材料的疲劳强度都很低，而金属材料的疲劳强度较高，特别是钛合金和高强度钢。因此，抗疲劳构件几乎都采用金属材料制造。,低周疲劳时，材料的疲劳抗力不仅与材料的强度有关，还与其塑性有关，所以材料应该有较好的强韧性。可以采用牺牲静强度来提高材料包括疲劳抗力和韧性在内的综合性能,28,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,对于受力不大但要求抗蚀性较高的零件，由于奥氏体不锈钢耐蚀性好，并具有一定的耐热性和良好成工艺性，一般可以考虑选用奥氏体不锈钢，例如发动机尾椎体等。,对于受力较大，而又要求抗蚀性的零件，我们可以选用马氏体不锈钢。为了减轻结构质量，也可以选用钛合金,以抗蚀性为主的选材,29,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,以热强度为主的选材,工作温度在300400以下，我们可以选用耐热铝合金和镁合金。但是其所能够承受的工作应力较小，往往是为了减轻结构质量或是形状复杂而需要铸造成型时才选用。,对于工作温度在500600以下时，我们可以选用不锈钢材料。但是不锈钢零件的结构质量较大，在工作应力、温度和腐蚀条件允许的条件下，我们可以考虑选用钛合金材料来减轻结构质量。,对于在7001000之间工作的零件，应该采用高温合金制造。例如飞机发动机的燃烧室、涡轮等。,对于工作温度更高的零件，我们应该考虑陶瓷、陶瓷基复合材料和碳-碳复合材料等。,30,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,（2）选材的步骤,分析零件的服役条件、形状尺寸和应力状态，确定零件的技术条件；,通过分析或实验，结合同类零件失效分析的结果，确定零件在实际使用中主要和次要的失效形式，并通过计算确定零件应具有的主要力学性能指标；,根据计算结果合理选择材料。所选材料除应满足零件的使用性能和工艺性能要求外，还要适应高效加工和组织现代化生产；,决定热处理方式或其它强化方式；,审核所选材料的经济性；,关键零件投产前应对所选材料进行试验，以验证所选材料与热处理方法能否达到各项性能指标要求，冷热加工有无困难等。当试验结果基本满意后，可小批投产。,31,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.2选材的原则、方法和步骤,典型零件的选材,11.2.3,32,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,1.齿轮类零件,2.轴类零件,3.箱体类零件,1.齿轮类零件,（1）受力情况、失效形式与性能要求,由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力，易发生疲劳断裂，要求具有高的弯曲疲劳强度；,齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力和摩擦，易发生齿面磨损、齿面疲劳点蚀等；要求具有高的接触疲劳强度和耐磨性；,由于换档、启动或啮齿不良，齿部还要承受一定的冲击，易发生过载断裂，要求齿轮心部要有足够的强度和韧性。,33,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,（2）常用材料及选用,钢铁材料,选材主要依据工作条件来确定。,表11-7给出了一般齿轮的选材情况。,表11-8给出了机床、汽车、航空齿轮的选材及热处理,非铁合金及非金属材料,工程塑料齿轮的选材与用途见表11-9,34,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,（3）典型齿轮选材举例,机床齿轮选材,工作条件,受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高,材料选择,一般选用中碳钢（例如45钢）制造,为了提高淬透性，也可以选用中碳合金钢,工艺路线,下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火+低温回火精磨,图11-1为C6132车床传动齿轮,正火处理,消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能,调质处理,使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性,高频淬火,低温回火,提高了齿轮表面耐磨性和抗疲劳破坏的能力,消除淬火应力,35,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,汽车齿轮选材,工作条件,材料选择,工艺路线,图11-2为JN-150汽车变速齿轮,正火处理,消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能,渗碳处理,提高轮齿表层碳的质量分数，保证渗碳层的深度。,淬火和低温回火,喷丸处理,获得较高的耐磨性和抗疲劳性,增大表层压应力，提高零件的疲劳强度，消除氧化皮。,受力较大，受冲击较频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，都比机床齿轮要求高,一般选用低碳钢进行渗碳制造,我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi,下料锻造正火切削加工渗碳、淬火+低温回火喷丸磨削加工,36,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,2.轴类零件,（1）受力情况、失效形式与性能要求,传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷，易发生疲劳断裂，要求具有良好的综合力学性能，包括强度、塑性和韧性以及高的疲劳强度；,承受一定的冲击载荷，易引起断裂失效，要求具有较高的强韧性。,轴颈承受较大的摩擦，易发生磨损失效，要求具有良好的耐磨性；,37,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,（2）常用材料及选用,也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性,选材时主要考虑强度,一般的轴类零件,其中45钢最常用,使用价格较便宜，并对应力集中敏感性较小的碳钢,如35、40、45、50钢等,常用的有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi和40Mn等,载荷较大且要求限制轴的外形、尺寸和重量，并且轴颈的耐磨性要求高的轴,要采用力学性能和热处理性能更好、对应力集中敏感性较高的合金钢,38,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,下料锻造正火（840860空冷）粗加工调质（820840水淬后550580回火）表面淬火+低温回火（820840水淬后240280回火）磨削加工,（3）选材举例 机床主轴选材,以C620车床主轴（图11-3）为例,工作条件,材料选择,工艺路线,正火处理,调质处理,轴颈和和锥孔进行表面淬火,低温回火,受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷也不大。但是大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之间有摩擦,选用45钢制造,可以获得回火索氏体组织，使主轴整体具有较好的综合力学性能,消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能,得到高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度,消除应力，防止磨削时产生裂纹，并保持高硬度和高耐磨性,根据机床的工作条件，推荐选材及热处理工艺见表11-10,39,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,3.箱体类零件,工作条件,一般起支撑作用，要承受其中零件的重量及它们之间作用力,要求具有较好的刚性、减振性和耐磨性,材料选择,（1）受力很小，要求自重轻，工作条件好的箱座类零件，可选用工程塑料,（2）受力不大，要求自重轻或导热性好的的箱座类零件，可选用铸造铝合金，并根据所选种类不同进行退火或固溶处理、时效；,（3）承受中等载荷、工作平稳的箱座类零件，可用灰铸铁HT150、HT200等；,（4）承受载荷及冲击较大、形状简单、且单件、小批量生产的箱座类零件，可采用焊接结构，如选用焊接性能好的Q235、20、Q345等钢焊接而成；,（5）要求强度、韧性较高的，或者是在高温、高压下工作的，采用铸钢铸造。,40,第11章 机械零件毛坯及材料的选用 11.2.3 典型零件的选材,表11-1 常用铸造方法比较,表11-2 常用锻造方法的比较,表11-3 常用毛坯制造方法比较,表11-4 几种常用零件的工作条件和失效形式,表11-5 高分子材料主要成型工艺的比较,表11-6 陶瓷材料各种成型工艺的比较,表11-7 一般齿轮的选材情况,表11-8 机床、汽车、航空齿轮的选材及热处理,表11-9 工程塑料齿轮的选材与应用,图11-3 C620车床主轴简图,表11-10 机床主轴推荐选材及其热处理工艺,