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6.1零件失效与失效类型(failureofparts&types)6.2零件设计中的材料选择(materialselectionindesignofparts)6.4变形开裂与热处理结构工艺性第6章工程设计制造中材料选择（engineeringdesign、manufacture&materialselection）6.3热处理在零件加工工艺路线中的位置及热处理方案的选择退出6.1零件失效与失效类型(failureofparts&types)6.1.1失效概念•定义：机械零件或工程构件丧失规定功能的现象。•失效含义：①零件破损，不能正常工作。②零件尚可安全工作，但不能满足原有功能要求。③零件不能安全工作。•失效的定量指标：额定寿命；某些指标的规定范围（如模具冲头磨损量）达不到定量指标，即发生早期失效。6.1.2失效的形式与对策⑴过量变形失效（excessivedeformationfailure）①过量弹性变形失效：•特征：Σe过大（Σe=σ/E）,带来一系后果（如镗杆的“让刀”）。•措施：提高零件刚度，具体办法为改变零件几何，加大尺寸及用E大的材料。②塑性变形失效：•特征：σ＞σs、发生整体屈服。•措施：选高强度材料、采取强化工艺、加大截面尺寸或降低应力水平。图6-1③过量蠕变失效：•特征：T＞0.3Tm（尽管σ＜σs）时发生，时间累积过程。•措施：选用高强耐热钢及合适的热处理。⑵断裂失效（fracturefailure）①韧断：•特征：σ＞σb，先塑变后断裂；原因为强度不足。•措施：σ＜[σ]；提高材料强度。②低应力脆断：•特征：σ＜σs时突然发生，无明显宏观塑性变形征兆，最危险，如铸铁拉伸时的断裂；低温、大截面零件以及应力集中，最易发生。•措施：提高材料韧性；减少各种加工缺陷；减少应力集中及消除内应力等。③疲劳断裂：•特征：脆断，无明显塑变；σ＜σs，多次循环造成，如齿轮的断齿。量大面广，多起源于表面缺口、刀痕等应力集中处。•措施：选材；设计改进（避免或减少应力集中）；表面加工质量；表面强化。④蠕变断裂：过量蠕变变形后发生（高温下，详见第11章）。•介质加速断裂：应力腐蚀等（介质+应力的复合作用，详见第12章）。⑶表面损伤失效（surfacedamagefailure）①磨损失效•特征：摩擦作用的结果之一；轻微磨损允许、过量磨损会失效，例摩擦副、工模具、工程机械，量大面广。•措施：用耐磨材料；表面强化、表面改性处理；润滑条件。②接触疲劳失效•特征：接触零件之间周期性压应力或接触应力反复作用的结果，例齿轮齿面剥落、轴承表面麻点。•措施：提高表面质量、表面强化。③腐蚀失效：量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第12章）。6.1.3失效的原因（自学）总体上共四方面：设计选材与热处理加工缺陷装配与使用6.2零件设计中的材料选择（materialselectionindesignofparts）6.2.1选材三原则（threecriteriaofmaterialselection）⑴使用性能原则与选材基本步骤•使用性能是选材的必要条件，是零件乃至机器完成其功能的基本保证。使用性能可由力学性能、物理性能和化学性能表征。机械零件主要是力学性能。•几种常见零件的力学性能要求：•选材基本步骤：表6-1图6-2⑵工艺性原则（材料切削加工的影响因素）•材料的切削加工性的影响因素：材料类型、切削方法、切削速度、刀具与机床情况等。•材料硬度与其切削加工性的关系：钢铁材料的合适硬度范围160～230HB，组织尚有影响，如球化组织的切削加工性优于片层状组织。•措施与综合结果：①低、中碳钢，铁素体太软且数量多；用正火增加珠光体量，HB↑，切削性↑。②高碳钢，片状珠光体，易磨损刀具；用球化退火成粒状珠光体，切削性↑。③Al、Mg等有色金属、石墨化铸铁，强度低且易切屑，切削加工性甚好。④大批量的强度要求不高的零件（如标准件），可采用易切削钢。⑤一般钢材淬、回火后磨削加工性较好，有色金属（太软）等不佳。⑶经济原则：要考虑多项成本。表6-2表6-3表6-46.2.2零件选材时应注意的几个问题•使用性能优先；•设计指标与保安全指标；•注意材料状态与手册的对应；•注意尺寸效应；•注意数据的可靠性；•注意具体的供货状态；•注意不同材料的成型加工方式的不同。6.3热处理在零件加工工艺路线中的位置及热处理方案的选择两方面问题：一是某种热处理工艺与其它加工工序的相对次序（工艺流程或工艺路线）。二是如何根据目的、要求及所用材料正确选择合适的热处理工艺。6.3.1热处理在工艺路线中的位置⑴热处理在工艺路线中的位置的安排原则•最终热处理（淬火、回火后硬度高）一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削等）之间。•最终热处理可以进行多次（如多次回火等）。•表面淬火属最终热处理，常采用预先热处理（调质或正火）保证心部性能。•渗碳（或碳氮共渗）后一般紧跟着淬火、回火；局部毋须渗碳者，可采取渗前镀铜或渗后去除。•某些薄层表面改性处理（软氮化、渗硫及其它涂层等）后，不再进行切削加工。•高精度零件等常需多次去应力退火或回火（时效）处理或冷处理。⑵热处理在工艺路线中的位置表6-56.3.2钢铁普通热处理方案的选择6.3.3钢铁表面热处理方案的选择•高频淬火：在基本满足要求时优先考虑，尤其大批量生产。•渗碳：更高性能要求（尤其表、内配合）、更深硬化层要求时采用。•碳氮共渗：在负荷不甚大时，可取代渗碳（周期短且耐磨性高于渗碳）。•软氮化：减摩，要求变形小，且疲劳强度较高的场合。•氮化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。表6-6表6-76.3.4有色金属热处理方案的选择铝合金常用工艺：•均匀化退火：消除铸造铝合金的成分偏析及铸造内应力，稳定组织、提高塑性。•再结晶退火或去应力退火：变形后消除加工硬化或仅消除应力（较低温度）。•固溶、时效处理：获得时效强化的效果。6.3.5零件热处理技术要求的标注是一个重要问题，它确定了使用性能及工艺路线。由设计者完成。•多以硬度（HRC、HBS）作为力学性能的技术要求。•要给出合适的硬度要求范围：△HRC≈3～5个单位，△HBS≈30～50个单位。•通常要标出达到硬度要求的热处理工艺类型（毋须工艺细节）:如淬火、回火58～62HRC；渗层（0.8～1.2mm）、淬火、回火60～63HRC；调质220～250HBS。•硬度要求的数值应与材料可能达到的硬度相一致，钢材主要考虑含碳量和淬透性。如45钢，若要求60～63HRC（×）；调质50～55HRC（×）。•表面热处理的硬化层要求（类型如是高、中频淬火还是渗碳、深度等）。•某些特殊技术要求，如高速钢淬火多有晶粒度级别要求，军械零件有强度、塑性、韧性等要求。•标注位置及示例：图6-4图6-36.4变形开裂与热处理结构工艺性•热处理（尤其淬火）的负面影响：热处理变形和开裂(热处理应力引起)；表面氧化脱碳。•措施：从零件设计与制造和热处理工艺两方面。6.4.1减少零件热处理变形和防止开裂的方法（deformation&crack）•选材：针对性选用高淬透性的合金钢、高合金钢，替代碳钢、低合金钢。图6-6图6-5•预留加工余量：找出变形规律、半精加工预留余量（＞变形量）。•按变形规律调整切削加工尺寸。•合理安排工艺路线。•降低零件表面粗糙度(以减低因局部应力集中而淬火开裂)。•合理的锻造和热处理：成分均匀化与合理纤维走向；合适的预先热处理（球化退火和调质要比正火有利）。•修改技术条件：适当降低要求，以采用比较缓和的淬火介质和工艺。•采用先进设备：可以高硬度状态加工，如特种磨、电火花加工。图6-10图6-9图6-8图6-76.4.2热处理结构工艺性•零件机械设计（零件的结构、截面尺寸等）时要考虑其热处理工艺性如何。•考虑的主要方面：①零件的结构要易于进行热处理（如避免悬殊截面、盲孔等）,易于达到技术要求。②零件的结构有利于减少变形、防止开裂。③零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。•具体措施：①避免尖角；避免厚薄悬殊。②采用封闭和对称结构；采用组合结构。③合理布置孔洞位置；设置工艺孔。④采用局部淬火或整体淬火。作业：1，2，4，7，8，9。见图6-11见图6-12见图6-13见图6-14见图6-15见图6-16见图6-17本章结束返回图6-１零件失效形式分类返回表6-1几种常见零件工作条件、失效形式及要求的力学性能返回返回图6-2按力学性能选材的基本步骤返回返回返回返回返回返回返回6-3零件整体热处理标注示意图返回6-4零件局部热处理标注示意图返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回