机械制造基础第九章机械零件材料及毛坯的选择.ppt

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1、机械制造基础第九章 机械零件材料及毛坯的选择 主讲：仝勖峰西安电子科技大学2021/9/232021/9/231 1本章内容n n失效的概念及失效的主要形式；失效的概念及失效的主要形式；n n零件失效原因及其分析方法；零件失效原因及其分析方法；n n零件材料的选择原则和毛坯的选择方法。零件材料的选择原则和毛坯的选择方法。2021/9/232021/9/232 2一、机械零件的失效 失失失失效效效效是是是是指指指指零零零零件件件件在在在在使使使使用用用用过过过过程程程程中中中中，由由由由于于于于尺尺尺尺寸寸寸寸、形形形形状状状状或或或或材材材材料料料料的的的的组组组组织织织织与与与与性性性性能能

2、能能发发发发生生生生变变变变化化化化而而而而失失失失去去去去原原原原设设设设计计计计的的的的效效效效能。能。能。能。零零零零件件件件没没没没有有有有达达达达到到到到使使使使用用用用寿寿寿寿命命命命就就就就失失失失去去去去功功功功能能能能称称称称为为为为早早早早期期期期失失失失效效效效，比比比比较较较较危危危危险险险险。达达达达到到到到使使使使用用用用寿寿寿寿命命命命的的的的失失失失效效效效称称称称为为为为正正正正常常常常失失失失效，比较安全。效，比较安全。效，比较安全。效，比较安全。要防止失效，必须了解失效的机制和原因。要防止失效，必须了解失效的机制和原因。要防止失效，必须了解失效的机制和原因

3、。要防止失效，必须了解失效的机制和原因。2021/9/232021/9/233 31、零件失效的主要形式机械零件常见的失效形式主要有：机械零件常见的失效形式主要有：（1）断裂：断裂又可分为过载断裂断裂：断裂又可分为过载断裂(韧性韧性材料和脆性材料不同材料和脆性材料不同)、疲劳断裂和蠕变断、疲劳断裂和蠕变断裂裂（2）变形过大：过大的塑性变形影响机变形过大：过大的塑性变形影响机械的工作性能械的工作性能（3）振动过大振动过大：振幅过大影响机械的工：振幅过大影响机械的工作性能甚至发生共振作性能甚至发生共振（4）表面失效表面失效：指磨损、接触疲劳、腐：指磨损、接触疲劳、腐蚀、胶合等蚀、胶合等2021/9

4、/232021/9/234 42、零件失效的原因机械零件失效的原因主要有：机械零件失效的原因主要有：（1）设计不合理设计不合理（2）选材不合理选材不合理（3）加工工艺不当加工工艺不当（4）安装使用不正确安装使用不正确2021/9/232021/9/235 53、典型的失效分析齿轮传动的失效形式齿轮传动的失效形式轮齿的失效形式多种多样，较为常见的轮齿的失效形式多种多样，较为常见的有轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑有轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合和塑性变形等等性变形等等1）轮齿折断：通常有疲劳折断和过载折断）轮齿折断：通常有疲劳折断和过载折断两种。两种。2）齿面点蚀：是指齿面材料在变化着的接）齿

5、面点蚀：是指齿面材料在变化着的接触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状触应力作用下，由于疲劳而产生的麻点状损伤现象。损伤现象。2021/9/232021/9/236 63、典型的失效分析33）齿面磨损：是齿轮在啮合传动过程中，轮齿）齿面磨损：是齿轮在啮合传动过程中，轮齿）齿面磨损：是齿轮在啮合传动过程中，轮齿）齿面磨损：是齿轮在啮合传动过程中，轮齿接触表面上的材料摩擦损耗的现象。接触表面上的材料摩擦损耗的现象。接触表面上的材料摩擦损耗的现象。接触表面上的材料摩擦损耗的现象。44）齿面胶合：是相啮合齿面的金属在一定压力）齿面胶合：是相啮合齿面的金属在一定压力）齿面胶合：是相啮合齿面的金属在一定压力

6、）齿面胶合：是相啮合齿面的金属在一定压力下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运下直接接触发生粘着，同时随着齿面间的相对运动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着动，使金属从齿面上撕落而引起的一种严重粘着磨损现象。磨损现象。磨损现象。磨损现象。55）塑性变形：是由于在过大的应力作用下，轮）塑性变形：是由于在过大的应力作用下，轮）塑性变形：是由于在过大的应力作用下，轮）塑性变形：是由于在过大的应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性

7、流动而在齿面齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面齿材料因屈服产生塑性流动而在齿面 或齿体形成或齿体形成或齿体形成或齿体形成 的变形。的变形。的变形。的变形。2021/9/232021/9/237 7轮轮齿齿疲疲劳劳折折断断轮轮齿齿的的塑塑性性变变形形齿齿面面胶胶合合齿齿面面点点蚀蚀齿齿面面磨磨损损2021/9/232021/9/238 8二、零件材料选择的原则要做到合理选材，必须全面分析及综合要做到合理选材，必须全面分析及综合考虑。一般遵循三个原则：考虑。一般遵循三个原则：n n使用性能；使用性能；n n工艺性能；工艺性能；n n经济性能。经济性能。2021/9/2

8、32021/9/239 91、使用性能使用性能中，最重要的是力学性能。必使用性能中，最重要的是力学性能。必须要考虑：须要考虑：n n受力状况：载荷类型、大小、特点。受力状况：载荷类型、大小、特点。n n环境状况：温度、腐蚀、摩擦。环境状况：温度、腐蚀、摩擦。n n特殊要求：导电、电磁、热膨胀、密度。特殊要求：导电、电磁、热膨胀、密度。2021/9/232021/9/2310102、工艺性能同使用性能相比，工艺性能处于次要地同使用性能相比，工艺性能处于次要地位。但某些情况下，工艺性能也是选材的位。但某些情况下，工艺性能也是选材的主要依据。主要依据。工艺性能的好坏，取决于加工的难易程工艺性能的好坏

9、，取决于加工的难易程度、生产效率、生产成本。度、生产效率、生产成本。2021/9/232021/9/2311113、经济性能质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重质优价廉、寿命高是保证产品具备竞争力的重要条件。必须正确处理技术与经济的关系。要条件。必须正确处理技术与经济的关系。要条件。必须正确处理技术与经济的关系。要条件。必须正确处理技术与经济的关系。所谓经济性选材，不仅指选择最便宜的材料，所谓经济性选材，不仅指选择最便宜的材料，所谓经济性选材，不仅指选择最便宜的材料，所谓经济性选材，不仅指选择最便宜的材料，或是

10、生产成本最低的材料，而是运用价值分析的或是生产成本最低的材料，而是运用价值分析的或是生产成本最低的材料，而是运用价值分析的或是生产成本最低的材料，而是运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，达到最佳的技术经济效益。达到最佳的技术经济效益。达到最佳的技术经济效益。达到最佳的技术经济效益。另外，选材时，不能片面强调材料费用和制造另外，选材时，不能片面强调材料费用和制造另外，选材时，不能片面强调材料费用和制造另外，选材时，不能片面强调材料费用和制造成本

11、。首先还是要保证使用要求。成本。首先还是要保证使用要求。成本。首先还是要保证使用要求。成本。首先还是要保证使用要求。2021/9/232021/9/231212三、零件毛坯选择原则零件制造过程分为毛坯成型和切削加工零件制造过程分为毛坯成型和切削加工两个阶段。毛坯成型不仅对后续加工产生两个阶段。毛坯成型不仅对后续加工产生很大的影响，而且对零件乃至整个产品的很大的影响，而且对零件乃至整个产品的质量、使用性能、生产周期和成本都有影质量、使用性能、生产周期和成本都有影响。因此，正确选择毛坯类型和成型方法响。因此，正确选择毛坯类型和成型方法具有重要意义。具有重要意义。2021/9/232021/9/23

12、13131、毛坯的种类机械零件的毛坯一般包括：铸件、锻件、机械零件的毛坯一般包括：铸件、锻件、轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉轧制型材、挤压件、冲压件、焊接件、粉末冶金和注射成型件等。各种毛坯具有不末冶金和注射成型件等。各种毛坯具有不同的特点。（详见课本表同的特点。（详见课本表9.1）2021/9/232021/9/2314142、毛坯的成本1）铸件的成本）铸件的成本（1）铸件设计：包括材料的选择和结构尺寸）铸件设计：包括材料的选择和结构尺寸的确定。灰铸铁成本最低，铜合金价格高。的确定。灰铸铁成本最低，铜合金价格高。结构尺寸的影响是通过铸件的工艺体现的，结构尺寸的影响是通过铸件的工艺体现的

13、，尺寸合理，铸造缺陷少，成本降低。尺寸合理，铸造缺陷少，成本降低。（2）生产方式：根据不同的批量选择合适的）生产方式：根据不同的批量选择合适的铸造方式。铸造方式。2021/9/232021/9/2315152、毛坯的成本1）铸件的成本）铸件的成本（3）铸造工艺：工艺不同，工时和模具费用）铸造工艺：工艺不同，工时和模具费用不同。不同。（4）生产管理：实行科学的管理方法，才能）生产管理：实行科学的管理方法，才能明显降低废品率和生产过程中原材料的浪明显降低废品率和生产过程中原材料的浪费。费。2021/9/232021/9/2316162、毛坯的成本2）锻件的成本）锻件的成本（1）原材料消耗：原材料消

14、耗在锻造中成本）原材料消耗：原材料消耗在锻造中成本占用最大，从锻件下料到加工成型有一系占用最大，从锻件下料到加工成型有一系列材料损失。如：下料损失、烧损、废料列材料损失。如：下料损失、烧损、废料及废品。及废品。（2）工模具费消耗：模锻中，模具费用在锻）工模具费消耗：模锻中，模具费用在锻件费用成本中仅仅次于材料消耗。约占成件费用成本中仅仅次于材料消耗。约占成本的三分之一。合理设计模具、使用模具、本的三分之一。合理设计模具、使用模具、延长使用寿命，可明显降低成本。延长使用寿命，可明显降低成本。2021/9/232021/9/2317172、毛坯的成本2）锻件的成本）锻件的成本（3）锻造方法和生产率

15、：锻造方法不同，工）锻造方法和生产率：锻造方法不同，工时和生产率差别很大，设备差别也很大。时和生产率差别很大，设备差别也很大。因此，需要根据不同的批量确定合适的方因此，需要根据不同的批量确定合适的方法。法。（4）生产管理：实行科学管理，减少浪费。）生产管理：实行科学管理，减少浪费。2021/9/232021/9/2318182、毛坯的成本3）冲压件的成本）冲压件的成本冲压件的成本主要包括材料消耗、加工冲压件的成本主要包括材料消耗、加工费、模具费等。费、模具费等。提高模具使用率，提高一次成型率，实提高模具使用率，提高一次成型率，实现自动化。现自动化。2021/9/232021/9/2319193

16、、毛坯的选择1）满足工艺要求）满足工艺要求不同的材料，决定了毛坯的成型方式。不同的材料，决定了毛坯的成型方式。2021/9/232021/9/2320203、毛坯的选择2）满足零件的使用要求）满足零件的使用要求（1）结构形状和尺寸要求）结构形状和尺寸要求对于结构复杂的零件，选择铸件毛坯；对对于结构复杂的零件，选择铸件毛坯；对于结构形状较复杂，且抗冲击能力、抗疲于结构形状较复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求高的中小型零件，宜采用模锻劳强度要求高的中小型零件，宜采用模锻件。对于结构复杂且轮廓大的零件，宜选件。对于结构复杂且轮廓大的零件，宜选择组合毛坯。择组合毛坯。2021/9/232021/9/2

17、321213、毛坯的选择2）满足零件的使用要求）满足零件的使用要求（2）力学性能要求）力学性能要求对于承受冲击和交变载荷的零件，一般选对于承受冲击和交变载荷的零件，一般选择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿择锻造毛坯，如机床、汽车的传动轴和齿轮等；对于由于其它方面原因，必须采用轮等；对于由于其它方面原因，必须采用铸件，但要求零件金相致密、承载能力高铸件，但要求零件金相致密、承载能力高的零件，应选择合适的铸造方法，如压力的零件，应选择合适的铸造方法，如压力铸造、金属型铸造、离心铸造等方式。铸造、金属型铸造、离心铸造等方式。2021/9/232021/9/2322223、毛坯的选择2）满足零件的使

18、用要求）满足零件的使用要求（3）表面质量要求）表面质量要求为了降低生产成本，机械产品一些非配合为了降低生产成本，机械产品一些非配合表面有尽量不加工的趋势，即实现少、无表面有尽量不加工的趋势，即实现少、无切削加工。为保证这些表面的质量，对于切削加工。为保证这些表面的质量，对于较小尺寸的非铁金属件，宜选择金属型铸较小尺寸的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或精密模锻。对于尺寸较小造、压力铸造或精密模锻。对于尺寸较小的钢铁件，宜选择熔模铸造或精密模锻。的钢铁件，宜选择熔模铸造或精密模锻。2021/9/232021/9/2323233、毛坯的选择2）满足零件的使用要求）满足零件的使用要求（4）其它

19、方面要求）其它方面要求对于某些具有特殊要求的零件，必须结合对于某些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这些要求。例毛坯材料和生产方法来满足这些要求。例如：有耐压要求的零件，要求金相致密，如：有耐压要求的零件，要求金相致密，不能有气孔、砂眼等缺陷，宜采用离心铸不能有气孔、砂眼等缺陷，宜采用离心铸造（气缸套：铸铁）或型材（液压缸：钢）造（气缸套：铸铁）或型材（液压缸：钢）。对于在自动机床上加工的零件，要求毛。对于在自动机床上加工的零件，要求毛坯精度高，宜采用冷拉型材。坯精度高，宜采用冷拉型材。2021/9/232021/9/2324243、毛坯的选择3）满足降低生产成本的要求）满足

20、降低生产成本的要求（1）生产批量小时的毛坯选择）生产批量小时的毛坯选择主要考虑模具费用、设备费用。多采用砂主要考虑模具费用、设备费用。多采用砂型铸造、自由锻、胎模锻、焊接结构件。型铸造、自由锻、胎模锻、焊接结构件。（2）大批量时的毛坯选择）大批量时的毛坯选择主要考虑材料的利用率，降低废品率。主要考虑材料的利用率，降低废品率。2021/9/232021/9/2325253、毛坯的选择4）符合生产条件）符合生产条件（1）在符合条件的情况下，尽量采用比较）在符合条件的情况下，尽量采用比较先进的毛坯生产技术。先进的毛坯生产技术。（2）如果买的比造的便宜，在满足交货期）如果买的比造的便宜，在满足交货期的

21、条件下，尽量去买。的条件下，尽量去买。2021/9/232021/9/232626四、毛坯的质量检验1、外观检验、外观检验以肉眼观察为主，或辅助以工具，检查毛以肉眼观察为主，或辅助以工具，检查毛坯外观。坯外观。2021/9/232021/9/232727四、毛坯的质量检验2 2、无损探伤检验、无损探伤检验、无损探伤检验、无损探伤检验主要用于内在检验。主要用于内在检验。主要用于内在检验。主要用于内在检验。（1 1）超声波检验：利用高频声波射入毛坯，检测）超声波检验：利用高频声波射入毛坯，检测）超声波检验：利用高频声波射入毛坯，检测）超声波检验：利用高频声波射入毛坯，检测内部或表面缺陷的方式。内部

22、或表面缺陷的方式。内部或表面缺陷的方式。内部或表面缺陷的方式。（2 2）射线检测：利用电磁波如）射线检测：利用电磁波如）射线检测：利用电磁波如）射线检测：利用电磁波如XX射线，穿透一定厚射线，穿透一定厚射线，穿透一定厚射线，穿透一定厚度的金属，检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与度的金属，检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与度的金属，检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与度的金属，检测内部缩孔、气孔、夹杂、裂纹与未焊透等缺陷。未焊透等缺陷。未焊透等缺陷。未焊透等缺陷。（3 3）磁粉检验：适于铁磁性材料表层或近表面缺）磁粉检验：适于铁磁性材料表层或近表面缺）磁粉检验：适于铁磁性材料表层或近表面缺）磁粉检验：适

23、于铁磁性材料表层或近表面缺陷的检测。零件磁化后，缺陷部位产生露磁磁场，陷的检测。零件磁化后，缺陷部位产生露磁磁场，陷的检测。零件磁化后，缺陷部位产生露磁磁场，陷的检测。零件磁化后，缺陷部位产生露磁磁场，从而显示缺陷。从而显示缺陷。从而显示缺陷。从而显示缺陷。2021/9/232021/9/232828四、毛坯的质量检验3、致密性检验、致密性检验主要用于检测不受压力或受压很低的容器，主要用于检测不受压力或受压很低的容器，管道等。管道等。（1）气密性实验：向容器内通入远低于其工）气密性实验：向容器内通入远低于其工作压力的压缩空气，检验容器或通道的渗作压力的压缩空气，检验容器或通道的渗漏情况漏情况（

24、2）水压实验：用于检验压力容器，管道和）水压实验：用于检验压力容器，管道和储罐等结构的穿透性缺陷。储罐等结构的穿透性缺陷。2021/9/232021/9/232929四、毛坯的质量检验4、化学成分分析、化学成分分析鉴定材料成分是否符合规定，并评价材质鉴定材料成分是否符合规定，并评价材质的优劣。常用方法：光谱分析。的优劣。常用方法：光谱分析。2021/9/232021/9/233030四、毛坯的质量检验5、力学性能测试、力学性能测试最常见是硬度测试，它能反映材料成分、最常见是硬度测试，它能反映材料成分、组织、性能的关系，并能间接反映其它力组织、性能的关系，并能间接反映其它力学性能。且零件检测后不

25、受损伤。学性能。且零件检测后不受损伤。其它力学实验都在专门的实验设备上进行，其它力学实验都在专门的实验设备上进行，主要用于原材料进厂检验、新材料和新工主要用于原材料进厂检验、新材料和新工艺研制、失效分析等。艺研制、失效分析等。2021/9/232021/9/233131四、毛坯的质量检验6、金相组织实验、金相组织实验对毛坯进行组织检验，判断新材料、新工对毛坯进行组织检验，判断新材料、新工艺的合理性。艺的合理性。2021/9/232021/9/233232五、毛坯中常见的缺陷1、铸件常见缺陷、铸件常见缺陷（1）缩孔：热加工会产生裂纹，可用射线）缩孔：热加工会产生裂纹，可用射线探伤检验或切片检验；

26、探伤检验或切片检验；（2）缩松：可用射线探伤检验；）缩松：可用射线探伤检验；（3）气孔：可用射线探伤检验或切片检验；）气孔：可用射线探伤检验或切片检验；（4）偏析：可用金相法或化学分析检验。）偏析：可用金相法或化学分析检验。2021/9/232021/9/233333五、毛坯中常见的缺陷2 2、锻件常见缺陷、锻件常见缺陷、锻件常见缺陷、锻件常见缺陷（1 1）折叠：热金属隆起后被锻入表面而产生的，）折叠：热金属隆起后被锻入表面而产生的，）折叠：热金属隆起后被锻入表面而产生的，）折叠：热金属隆起后被锻入表面而产生的，容易引起应力集中。可直观检查或金相检验；容易引起应力集中。可直观检查或金相检验；容

27、易引起应力集中。可直观检查或金相检验；容易引起应力集中。可直观检查或金相检验；（2 2）锻造裂纹：分为表面裂纹和内裂纹，可用）锻造裂纹：分为表面裂纹和内裂纹，可用）锻造裂纹：分为表面裂纹和内裂纹，可用）锻造裂纹：分为表面裂纹和内裂纹，可用金相检验；金相检验；金相检验；金相检验；（3 3）过热和过烧：晶粒粗大，晶界氧化，金相）过热和过烧：晶粒粗大，晶界氧化，金相）过热和过烧：晶粒粗大，晶界氧化，金相）过热和过烧：晶粒粗大，晶界氧化，金相检验；检验；检验；检验；（4 4）冷成形中的缺陷：细微裂纹，外观检查和）冷成形中的缺陷：细微裂纹，外观检查和）冷成形中的缺陷：细微裂纹，外观检查和）冷成形中的缺陷

28、：细微裂纹，外观检查和金相检验。金相检验。金相检验。金相检验。2021/9/232021/9/233434五、毛坯中常见的缺陷3、焊件常见缺陷、焊件常见缺陷（1）气孔：可用射线探伤检测；）气孔：可用射线探伤检测；（2）未焊透：可用射线探伤检测、金相检）未焊透：可用射线探伤检测、金相检验；验；（3）热裂纹：焊缝和焊缝热影响区可能产）热裂纹：焊缝和焊缝热影响区可能产生，可用磁粉探伤和切口检查；生，可用磁粉探伤和切口检查；（4）冷裂纹：多见于热影响区，特别是焊）冷裂纹：多见于热影响区，特别是焊道下熔合线附近、焊缝根部，可用射线探道下熔合线附近、焊缝根部，可用射线探伤检测、金相检验；伤检测、金相检验；2021/9/232021/9/233535本章思考题1、零件失效的主要形式？、零件失效的主要形式？2、选择零件材料的原则？、选择零件材料的原则？3、毛坯选择的原则？、毛坯选择的原则？4、毛坯检验的方法？、毛坯检验的方法？5、为什么轴类零件毛坯多选择锻件，而机架、为什么轴类零件毛坯多选择锻件，而机架类零件多选择铸件？类零件多选择铸件？2021/9/232021/9/233636