机械设计与选材.ppt

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1、12 机械设计与选材,第一节 机械设计与选材的关系,提出设计任务,技术功能设计,总体结构设计,零件设计,服役条件分析,选 材,失效形式估计，确定失效抗力，性能指标,工艺过程设计（加工结构及组织结构,提出设计任务,提出设计任务,设计总图,第二节、机械产品的失效问题,机械产品失效的原因：设计不当用材失误材质不良装配、使用不当,机械构件失效的形式：过量变形失效 过量弹性变形失效 过量塑性变形失效断裂失效 塑性变形失稳断裂 低应力脆性断裂 疲劳断裂,具体见表12-1.,第三节 选材的思路与程序,1）材料的使用性能 选材首要考虑的问题。一般机械零件，主要是力学性能要求；有时也要求一定理化性能，如:密度、

2、热膨胀、电绝缘、耐腐蚀等。2）材料的工艺性能 不同形式结构，采用不同方法制造，不同制造方法则要求选用不同的材料，使制造工艺简单、成本低。3）材料的经济性 在保证使用与制造工艺要求的前提下，应使材料价格低，材料来源供应充足。,一.按材料使用性能要求选材1按零件工作条件选材,（1）承受拉伸、压缩载荷（2）承受周期性交变载荷（3）承受摩擦磨损载荷（4）高速旋转及有惯性要求的零件（5）专业用钢的选用,2按零件失效形式选材,）失效基本类型：断裂 过量变形 表面损伤）导致零件失效的主要原因 设计 材料 制造工艺 安装使用,3）失效分析：,取样，即收集失效零件的残体；整理失效零件的有关资料；将所选样品进行宏

3、观和微观的断口分析；测定样品的必要数据，包括设计性能指标与失效的有关性能指标，材料的组织及化学成分等；综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。,设 计,加 工,零 件 失 效,安 装 使 用,材 料,材质低劣,选材不当,工作条件估计错误,结构外型不合理,计算错误,焊接缺陷,铸锻造缺陷,热处理缺陷,冷加工缺陷,过载使用,安装不良,操作失误,维护不良,零件失效,断裂失效,变形失效,表面损伤失效,弹性变形失效,塑性变形失效,塑性断裂失效,低应力脆断失效,疲劳断裂失效,蠕变断裂失效,介质加速断裂失效,磨损失效,表面疲劳失效,腐蚀失效,服役条件,失效零件,失 效 分

4、析 技 术(应力分析、无损探伤、断口分析、金相分析、化学分析、机械性能测试）,失效类型（磨 损、断 裂、变 形）,力学分析应力分析,失效原因,装配使用,工艺,材料,设 计,主要抗力指标,改进设计,抗力指标与内外因素关系,改进工艺,加强管理,指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径,实验室试验,使用考验工业试验,二.按制造工艺性能要求选材,选材与材料工艺性能的关系,材料的工艺性能:冷加工性能:冷变形加工、切削加工性能 热加工性能：铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能,尽量选用工艺简单的材料考虑各工序工艺之间的相互联系和结合,常用材料的工艺性能如下：,（1）碳素钢和合金钢：室温时为多相结构，加热

5、到一定温度时呈单相组织，具有良好的塑性和较小的变形抗力。具有良好的锻造性能。（）铸铁：包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的碳当量都接近共晶成分，故熔点低，流动性好。故各类铸铁具有良好的铸造性能。但可锻性和可焊性极差。（3）非铁合金：常用的是铜合金和铝合金。形变合金，其合金元素含量较少，室温时呈单相组织，具有良好的塑性。铸造合金，其成分在共晶成分附近的合金，具有良好的铸造性能，铸造合金的切削加工性比形变合金好。,生产方法、零件结构、零件材料三者关系 生产方法、零件结构、零件材料三者之间存在相互相依又相互制约的关系。如某一类零件结构可以有几种生产方法，有几种材料可供选择。但有时有的零件结构只有一种合理

6、的生产方法或只能选用某一种材料；而有时先确定零件生产方法，再按生产工艺要求选择材料，并确定零件结构使之符合生产工艺要求。还可以先选定材料，后确定生产方法；最后设计零件结构。,三.按经济性原则要求选材,1产品成本与性能之间的关系：,性能,成本,先进武器系统、航空航天产品,工业化大众消费产品,2产品成本分析：,1)基本材料的成本：约占总成本的3070选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）,我国常用金属材料的相对价格,2）制造成本,加工成本约占零件成本的30%左右，生产批量越少，这一比例越高。总成

7、本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产品的成本，N为生产批量（件/批）。,3)零件使用寿命对成本的影响 零件的使用材料性能差，则零件的使用寿命短,成本增加。4)材料供应状况对成本的影响 选材时应立足于国内，同时考虑到国内的生产和供应状况。在同一产品中，选用材料的种类、价格、应尽量少而集中，以减少采购运输及库存的费用。,1、选材的一般程序,a、基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。,b、对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选

8、定材料的牌号、规格及制造工艺,c、进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。,第四节 典型零件选材及工艺路线,齿轮轴汽轮机叶片,一、齿轮类零件选材,应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。,性能要求,1工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求

9、，耐蚀要求，抗磁性要求等。,2主要失效形式 断裂交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；,齿面损伤包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。,3主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。,材料要求金属材料,（1）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。,低碳钢及低碳合金钢：20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等

10、，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(5662HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。,中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在

11、调质状态使用。,中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。,（2）铸钢 铸钢 齿 轮 的 力 学 性 能 比 锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大(500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270500、ZG310570、ZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。,（3）铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常

12、用牌号有HT200、HT250、HT350等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。,（4）非铁金属 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如黄铜(如H62)、铝青铜(如QAl9-4)、锡青铜(如)、硅青铜(如QSi3-1)等。,（5）粉末冶金材料 粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小

13、齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料Fe-C0.9）、分电器齿轮（材料）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-C）、联合收割机中的油泵齿轮。,综 述,对开式传动齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；对闭式传动齿轮，或中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击的齿轮，则宜选用相对较好的材料，如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理；在齿轮副选材时，为使两者寿命相近并防止咬合现象，大、小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。,常用材料,典型齿轮选材,1.机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，

14、对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。,机床齿轮的简明加工工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火精磨 正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧

15、性。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。,2.汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度3045HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如18C

16、r2Ni4WA）来制造。,采用20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火喷丸磨削加工 渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高13HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。,二、轴类零件选材,1工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；相对运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；2主要失效疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；磨损 相对运动表面过度磨损；过量变形 极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形

17、失效。3性能要求高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。,常用材料-钢铁,1锻钢 优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见)等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。,1锻钢(续)中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能(强韧性)，然

18、后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等)。少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9Mn2V等）。,2铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。3铸铁 由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸铁(HT350、KTZ55006等)来代替钢

19、作为轴(尤其是曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。,轴类零件选材时应注意以下几点：以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢(如45钢)、铸铁(如QT700-2)、甚至普通质量碳钢(如Q275)制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢(如65Mn、9Mn2V)或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可；

20、而对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。,典型轴-机床主轴,机床主轴：机床主轴承受弯-扭复合交变载荷、转速中等并承受一定的冲击载荷，一般选用45钢或40Cr钢制造(40Cr用于载荷较大、尺寸较大的轴)；对于承受重载、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴(如镗床主轴)，则须用38CrMoAlA钢经渗氮处理制造。45钢(或40Cr钢)机床主轴的简明加工路线为：下料锻造正火粗加工 调质半精加工表面淬火低温回火精磨成品,典型材料,三、汽轮机叶片零件选材,（一）叶片的工作条件、失效方式及性能要求

21、,蠕变变型、断裂表面损伤,强度、韧性高化学稳定性好导热性好、耐磨、抗震加工性能好,蒸汽和燃气弯矩作用蒸汽冲刷、氧化、腐蚀等蒸汽杂质磨损共振力,低合金钢20CrMo奥氏体耐热钢1Cr18Ni9Ti等根据具体工作条件进行选择,可持续发展战略下的材料选择,1.选择绿色材料 2.减少所用材料种类3.尽量选用不加涂、镀层的原材料4.产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料5.选用易回收再生的材料,Thanks！,实例：,解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧性（b1000MN/m2，ak60J/cm2）选材：渗碳钢-20CrMnTi（淬透性：油淬30-40mm；渗碳淬火 后b1100MN/m2，ak60J/cm2）热处理工艺：900-950渗碳-820-850油 淬-180-200低温回火,同碳素渗碳钢一样，渗碳后需热处理，“淬火+低温回火”，获得“外硬内韧”组织。,常用钢号：15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2、15CrMn、20CrMnTi、20CrMnMo、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W,结 束,