11工程材料的選用及工藝路線分析11.1機(jī)械零件失效形式及原因分析11.2機(jī)械工程材料的選用

11.3典型零件選材及工藝路線確定

工程材料的選用和加工工藝路線安排是否合理，關(guān)系到產(chǎn)品的使用性能、使用壽命及制造成本，甚至關(guān)系到設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)效益。所以，掌握材料的性能、材料的熱處理和工藝等知識(shí)，并運(yùn)用這些知識(shí)合理選擇工程材料、安排工藝路線，對(duì)工程實(shí)踐至關(guān)重要

11.1機(jī)械零件失效形式及原因分析失效是指零件在使用過程中，由于零件的尺寸、形狀、組織或性能發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致零件不能滿足正常工作要求或者機(jī)械機(jī)構(gòu)喪失了原有設(shè)計(jì)功能的情況。零件失效有三種情況：（1）零件完全破壞，不能工作；（2）雖能工作，但不能保證安全；（3）雖保證安全，但不能保證精度或起不到預(yù)定的作用。達(dá)到預(yù)期壽命的失效稱為正常失效，遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的不正常失效稱為早期失效。正常失效是比較安全的，而早期失效常常會(huì)造成事故和經(jīng)濟(jì)損失。通過研究零件各類失效特征及規(guī)律，找出失效的主要原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，對(duì)于預(yù)防失效（尤其是早期失效）再次發(fā)生具有非常重要的意義。11.1.1零件失效的形式過量變形失效斷裂失效表面損傷失效材質(zhì)變化失效破壞正常工作條件而導(dǎo)致的失效。常見零件的常見失效形式及對(duì)性能要求零件在實(shí)際工作中的失效形式往往不只是一種。一般造成一個(gè)零件失效由一種失效形式起主導(dǎo)作用。失效分析的核心問題就是要找出主要的失效形式，分析失效原因。失效分析可以用來指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、選材、加工、質(zhì)量管理和使用，是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)。

11.1.2零件失效的原因引起零件失效的原因是多方面的。主要有四個(gè)方面：設(shè)計(jì)因素材料因素加工因素安裝使用11.1.2.1設(shè)計(jì)因素零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計(jì)不合理而引起的零件失效時(shí)常發(fā)生，如零件存在尖角、尖棱等。設(shè)計(jì)中的過載、應(yīng)力集中、機(jī)構(gòu)選擇不當(dāng)、安全系數(shù)過小等也都會(huì)導(dǎo)致零件在使用中失效。因此，機(jī)械零件的設(shè)計(jì)不僅要有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要合理。

11.1.2.2材料因素（1）選材不當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選材時(shí)，設(shè)計(jì)者對(duì)失效形式誤判，選材所依據(jù)的性能指標(biāo)不恰當(dāng)，選材不能滿足工作條件的要求。（2）材料缺陷材料的冶金質(zhì)量太差，存在缺陷如夾雜物、偏析等，而這些缺陷通常是導(dǎo)致零部件失效的原因。（3）毛坯加工過程中產(chǎn)生的缺陷材料在毛坯加工（鑄造、鍛造、焊接）或者在熱處理過程中，產(chǎn)生的缺陷會(huì)導(dǎo)致失效產(chǎn)生。如鑄件多產(chǎn)生疏松、偏析、內(nèi)裂紋、夾雜物等缺陷，因此高強(qiáng)度的機(jī)械零件較少用鑄件。而鍛造明顯改善了材料的力學(xué)性能，許多受力零件就采用鍛件。11.1.2.3加工（或工藝）因素制造時(shí)，采用的加工方法、工藝安排或工藝參數(shù)不正確等都可能造成零件的缺陷，如切削加工時(shí)粗糙度過大；磨削時(shí)產(chǎn)生裂紋；熱成形時(shí)產(chǎn)生的過熱、帶狀組織；熱處理工序中產(chǎn)生氧化、脫碳、淬火變形與開裂等。這些缺陷都可能導(dǎo)致零件失效。

11.1.2.4安裝使用因素零件安裝過緊、過松，安裝位置不當(dāng)、重心不穩(wěn)，固定不緊、密封不好等，都會(huì)使零部件不能正常工作而過早失效。在使用過程中，使用者要根據(jù)使用要求進(jìn)行維護(hù)、冷卻、潤滑、檢修等，否則就會(huì)由于使用不當(dāng)造成零件和設(shè)備的失效。

11.1.3失效分析步驟失效分析實(shí)驗(yàn)研究的步驟：（1）對(duì)失效零件的殘骸進(jìn)行肉眼觀察、測(cè)量并記錄損壞的位置、尺寸變化和斷口的宏觀特征。收集表面剝落物和腐蝕產(chǎn)物，必要時(shí)照相留據(jù)。（2）了解零件的工作環(huán)境和失效經(jīng)過，觀察相鄰零件的損壞情況，判斷損壞順序，收集有關(guān)零件設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝、使用和維修等方面的資料。（3）根據(jù)需要進(jìn)行試驗(yàn)。失效分析實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1）化學(xué)分析2）斷口分析3）金相分析4）力學(xué)性能測(cè)試5）斷裂力學(xué)分析6）應(yīng)力分析11.2機(jī)械工程材料的選用選擇材料是機(jī)械設(shè)計(jì)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，為零件選擇合適的材料是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。因?yàn)楹侠淼剡x擇和使用材料要考慮很多因素，不僅要考慮材料的使用性能是否能滿足其工作條件；也要考慮材料的加工工藝性能，以提高零件的生產(chǎn)率；還要考慮其經(jīng)濟(jì)性，以控制成本。也要考慮選材對(duì)環(huán)境、資源的影響。因此，工程設(shè)計(jì)人員必須掌握選用材料的原則和方法。

11.2.1選用材料的一般原則使用性能原則工藝性能原則經(jīng)濟(jì)性原則11.2.1.1使用性能原則使用性能是選用材料首要考慮的問題。使用性能是指零件在工作中應(yīng)該具有的力學(xué)性能、物理和化學(xué)性能，是保證零件完成設(shè)計(jì)功能的必要條件。不同的零件，工作條件不同，功能各異，對(duì)材料的使用性能要求也不同。

A必須考慮材料的實(shí)際情況B考慮材料的截面尺寸效應(yīng)C硬度值的應(yīng)用D綜合考慮材料的性能11.2.1.2工藝性能原則材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。良好的工藝性能即加工技術(shù)難度小、工藝簡單、能耗低、材料的利用率高，是保證零件順利加工、提高零件質(zhì)量、簡化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本的重要條件。材料的選擇與工藝方法的確定，要同步進(jìn)行。金屬材料的加工工藝路線復(fù)雜，要求的工藝性能較多，如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理工藝性能等。所以安排合理的加工工藝路線是很重要的工作11.2.1.3經(jīng)濟(jì)性原則在滿足使用性能要求的前提下，應(yīng)盡量選用價(jià)格比較便宜的材料。要從材料本身的價(jià)格、加工費(fèi)用、資源供應(yīng)條件等方面考慮、也要考慮選用非金屬材料。但是不能片面強(qiáng)調(diào)材料費(fèi)用及制造成本，必須要考慮產(chǎn)品的安全性和使用壽命。綜合考慮材料對(duì)產(chǎn)品功能和成本的影響，從而獲得最優(yōu)化的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。隨著社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境、資源、能源問題也是我們?cè)谶x材時(shí)要考慮的因素。11.3典型零件選材及工藝路線確定11.3.1軸類零件例一車床主軸選材及工藝路線如圖11-1所示為C620車床主軸簡圖。按以上分析，C620車床主軸可選用45鋼，其工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→高頻感應(yīng)加熱淬火+回火→磨削該工藝路線中，正火處理可消除應(yīng)力，改善鍛造組織；調(diào)質(zhì)處理（整體調(diào)質(zhì)）后，組織為回火索氏體組織，使主軸獲得了高的綜合力學(xué)性能；對(duì)內(nèi)錐孔和軸頸進(jìn)行表面淬火和回火后硬度達(dá)到45HRC～52HRC，提高了其耐磨性。

11.3.2齒輪類零件例三如圖11-3為C6132型車床的傳動(dòng)齒輪，機(jī)床傳動(dòng)齒輪工作時(shí)受力不大，轉(zhuǎn)速中等，工作較平穩(wěn)，無強(qiáng)烈沖擊，強(qiáng)度和韌性要求均不高。該齒輪選用45鋼，其加工工藝路線如下：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火