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1、第十章 机械械零件材材料及毛毛坯的选选择与质质量检验验机械制造造中,要要获得满满意的零零件，就就必须从从结构设设计、合合理选材材、毛坯坯制造及及机械加加工等方方面综合合考虑。而而正确选选择材料料和毛坯坯制造方方法将直直接关系系到产品品的质量量和经济济效益，因因此，这这项工作作是机械械设计和和制造中中的重要要任务之之一。机械零件件的使用用性是多多种多样样的，对对材料和和毛坯的的选择要要考虑诸诸多因素素。这里里只介绍绍一些材材料及毛毛坯选择择的一般般原则。第一节 机械械零件的的失效在我们的的现实中中，机械械设备可可能发生生多种故故障。对对故障研研究分析析，首先先应根据据零件的的损坏形形式，找找出失
2、效效的主要要原因，为为选材和和改进工工艺提供供必要的的依据。一、失效效的基本本概念零件在工工作过程程中最终终都要发发生失效效。所谓谓失效是是指：（11）零件件完全破破坏，不不能继续续工作；（2）严严重损伤伤，继续续工作很很不安全全；（33）虽能能安全工工作，但但已不能能满意地地起到预预定的作作用。只只要发生生上述三三种情况况中的任任何一种种，都认认为零件件已经失失效。失失效分析析的目的的就是要要找出零零件损伤伤的原因因，并提提出相应应的改进进措施。现现代工业业中零件件的工作作条件日日益苛刻刻，零件件的损坏坏往往会会带来严严重的后后果，因因此对零零件的可可靠性提提出了越越来越高高的要求求。另外外
3、，从经经济性考考虑，也也要求不不断提高高零件的的寿命。这这些都使使得失效效分析变变得越来来越重要要。失效效分析的的结果对对于零件件的设计计、选材材、加工工以至使使用，都都有很大大的指导导意义。二、零件件失效的的主要形形式零件在工工作时的的受力情情况一般般比较复复杂，往往往承受受多种应应力的复复合作用用，因而而造成零零件的不不同失效效形式。零零件的失失效形式式有超量量变形、断断裂和表表面损伤伤三大类类型。如如图100-1所所示。必须指出出，实际际零件在在工作中中往往不不只是一一种失效效方式起起作用。例例如，一一个齿轮轮，齿面面之间的的摩擦导导致表面面磨损失失效，而而齿根可可能产生生疲劳断断裂失效
4、效，两种种方式同同时起作作用。但但一般来来说，造造成一个个零件失失效时总总是一种种方式起起主导作作用，很很少有两两种方式式同时都都使零件件失效。失失效分析析的目的的实际上上就是要要找出主主要的失失效形式式。另外外，各类类基本失失效方式式可以互互相组合合，形成成更复杂杂的复合合失效方方式，如如腐蚀疲疲劳，蠕蠕变疲劳劳，腐蚀蚀磨损等等等。但但它们在在特点上上都各自自接近于于其中某某一种方方式，而而另一种种方式是是辅助的的，因此此在分析析时往往往被归入入主导方方式一类类中，例例如腐蚀蚀疲劳，疲疲劳特征征是主导导因素，腐腐蚀是起起辅助作作用的，因因此被归归入疲劳劳一类进进行分析析。三、零件件失效的的原
5、因零件的失失效可以以由多种种原因引引起，大大体上可可分为设设计、材材料、加加工和安安装使用用四个方方面，图图10-2是导致致零件失失效的主主要原因因的示意意图。（1）结结构设计计不合理理设计上导导致零件件失效的的最常见见原因是是结构或或形状不不合理，即即在零件件的高应应力处存存在明显显的应力力集中源源，如各各种尖角角、缺口口、过小小的过渡渡圆角，等等等。另另一种原原因是对对零件的的工作条条件估计计错误，如如对工作作中可能能的过载载估计不不足，因因而设计计的零件件的承载载能力不不够。发发生这类类失效的的原因在在于设计计，但可可通过选选材来避避免，特特别是当当零件的的结构与与几何尺尺寸基本本固定而
6、而难以作作较大的的改动时时，就是是如此来来处理问问题的。现现在很少少发生由由于计算算错误造造成的设设计事故故。（2）材材料选取取不当选材不当当是材料料方面导导致失效效的主要要原因。问问题出在在材料上上，但责责任在设设计者身身上。最最常见的的情况是是，设计计者仅根根据材料料的常规规性能指指标作出出决定，而而这些指指标根本本不能反反映材料料对所发发生的那那种类型型失效的的抗力。另另一种情情况是，尽尽管预先先对零件件的失效效形式有有较准确确的估计计，并提提出了相相应的性性能指标标作为选选材的依依据，但但由于考考虑到其其它因素素（如经经济性、加加工性能能等），使使得所选选材料的的性能数数据不合合要求，
7、因因而导致致了失效效。材料料本身的的缺陷也也是导致致零件失失效的一一个重要要原因，常常见的缺缺陷是夹夹杂物过过多，过过大，杂杂质元素素太多，或或者有夹夹层、折折叠等宏宏观缺陷陷。因此此，对原原材料加加强检验验是非常常重要的的步骤。（3）加加工工艺艺问题零件加工工成型过过程中，由由于加工工工艺不不良，也也会造成成各种缺缺陷。例例如锻造造不良可可造成带带状组织织、过热热或过烧烧现象等等；冷加加工不良良时光洁洁度太低低，产生生过深的的刀痕、磨磨削裂纹纹等；热热处理不不良能造造成过热热、脱碳碳、淬火火裂纹、回回火不足足等；这这些都可可导致零零件的失失效。加工不良良造成的的缺陷，尤尤其是热热处理时时产生
8、的的缺陷，与与零件的的设计有有很大的的关系。零零件的外外形和结结构设计计不合理理，会大大大增加加热处理理缺陷发发生的可可能性。若零件热热处理后后残留有有较大的的内应力力，甚至至有难以以检查出出来的裂裂纹时，使使用中必必定会造造成严重重的损坏坏。 （4）安安装不当当零件安装装时配合合过紧、过过松、对对中不准准、固定定不紧等等均可造造成失效效或事故故。在制制造厂里里管理比比较严格格的情况况下，使使用不当当常可成成为零件件损坏的的主要原原因。对对机器的的维护保保养不好好，没有有遵守操操作规程程及工作作时有较较大幅度度的过载载等也可可以造成成零件的的失效。（5）使使用维护护不正确确超载荷运运动，润润滑
9、条件件不良，零零件磨损损增加等等均可造造成零件件早期失失效。四、失效效分析的的一般方方法正确的的失效分分析，是是找出零零件失效效原因，解解决零件件失效问问题的基基础环节节。机械械零件的的失效分分析是一一项综合合性的技技术工作作，大致致有如下下程序。（1）尽尽量仔细细地收集集失效零零件的残残骸，并并拍照记记录实况况，确定定重点分分析的对对象，样样品应取取自失效效的发源源部位，或或能反映映失效的的性质或或特点的的地方。（2）详详细记录录并整理理失效零零件的有有关资料料，如设设计情况况（图纸纸）、实实际加工工情况及及尺寸、使使用情况况等。根根据这些些资料全全面地从从设计、加加工、使使用各方方面进行行
10、具体的的分析。（3）对对所选试试样进行行宏观（用用肉眼或或立体显显微镜）及及微观（用用高倍的的光学或或电子显显微镜）断断口分析析，以及及必要的的金相剖剖面分析析，确定定失效的的发源点点及失效效的方式式。（4）对对失效样样品进行行性能测测试、组组织分析析、化学学分析和和无损探探伤，检检验材料料的性能能指标是是否合格格，组织织是否正正常，成成分是否否符合要要求，有有无内部部或表面面缺陷等等等，全全面收集集各种必必要的数数据。（5）断断裂力学学分析。在在某些情情况下需需要进行行断裂力力学计算算，以便便于确定定失效的的原因及及提出改改进措施施。（6）综综合各方方面分析析资料作作出判断断，确定定失效的的
11、具体原原因，提提出改进进措施，写写出报告告。在失效效分析中中，有两两项最重重要的工工作。一一是收集集失效零零件的有有关资料料，这是是判断失失效原因因的重要要依据，必必要时作作断裂力力学分析析。二是是根据宏宏观及微微观的断断口分析析，确定定失效发发源地的的性质及及失效方方式。这这项工作作最重要要，因为为它除了了告诉我我们失效效的精确确地点和和应该在在该处测测定哪些些数据外外，同时时还对可可能的失失效原因因能作出出重要指指示。例例如，沿沿晶断裂裂应该是是材料本本身、加加工或介介质作用用的问题题，与设设计关系系不大。第二节 机械械零件材材料选择择的一般般原则机械零件件的选材材是一项项十分重重要的工工
12、作。选选材是否否恰当，特特别是一一台机器器中关键键零件的的选材是是否恰当当，将直直接影响响到产品品的使用用性能、使使用寿命命及制造造成本。选选材不当当，严重重的可能能导致零零件的完完全失效效。判断零件件选材是是否合理理的基本本标志是是：能否否满足必必需的使使用性能能；能否否具有良良好的工工艺性能能；能否否实现最最低成本本。选材材的任务务就是求求得三者者之间的的统一。因此选材时一般应遵循以下三个原则：一、使用用性能零件选材材应满足足零件工工作条件件对材料料使用性性能的要要求。材料在在使用过过程中的的表现，即即使用性性能，是是选材时时考虑的的最主要要根据。不不同零件件所要求求的使用用性能是是很不一
13、一样的，有有的零件件主要要要求高强强度，有有的则要要求高的的耐磨性性，而另另外一些些甚至无无严格的的性能要要求，仅仅仅要求求有美丽丽的外观观。因此此，在选选材时，首首要的任任务就是是准确地地判断零零件所要要求的主主要使用用性能。对所选材材料使用用性能的的要求，是是在对零零件的工工作条件件及零件件的失效效分析的的基础上上提出的的。零件件的工作作条件是是复杂的的，要从从受力状状态、载载荷性质质、工作作温度、环环境介质质等几个个方面全全面分析析。受力力状态有有拉、压压、弯、扭扭等；载载荷性质质有静载载、冲击击载荷、交交变载荷荷等；工工作温度度可分为为低温、室室温、高高温、交交变温度度；环境境介质为为
14、与零件件接触的的介质，如如润滑剂剂、海水水、酸、碱碱、盐等等。为了了更准地地了解零零件的使使用性能能，还必必须分析析零件的的失效方方式，从从而找出出对零件件失效起起主要作作用的性性能指标标。见表表10-1所示示。有时，通通过改进进强化方方式或方方法，可可以将廉廉价材料料制成性性能更好好的零件件。所以以选材时时，要把把材料成成分和强强化手段段紧密结结合起来来综合考考虑。另另外，当当材料进进行预选选后，还还应当进进行实验验室试验验、台架架试验、装装机试验验、小批批生产等等，进一一步验证证材料机机械性能能选择的的可靠性性。二、工艺艺性能零件选材材应满足足生产工工艺对材材料工艺艺性能的的要求。任何零零
15、件都是是由不同同的工程程材料通通过一定定的加工工工艺制制造出来来的。因因此材料料的工艺艺性能，即即加工成成零件的的难易程程度，自自然应是是选材时时必须考考虑的重重要问题题。所以以，熟悉悉材料的的加工工工艺过程程及材料料的工艺艺性能，对对于正确确选材是是相当重重要的。材材料的工工艺性能能包括以以下内容容：（1）铸铸造性能能 包含含流动性性、收缩缩性、疏疏松及偏偏析倾向向、吸气气性、熔熔点高低低等。（2）压压力加工工性能 指材料料的塑性性和变形形抗力等等。（3）焊焊接性能能 包括括焊接应应力、变变形及晶晶粒粗化化倾向，焊焊缝脆性性、裂纹纹、气孔孔及其它它缺陷倾倾向等。（4）切切削加工工性能 指切削
16、削抗力、零零件表面面光洁度度、排除除切屑难难易程度度及刀具具磨损量量等。（5）热热处理性性能 指指材料的的热敏感感性、氧氧化、脱脱碳倾向向、淬透透性、回回火脆性性、淬火火变形和和开裂倾倾向等。与使用性性能的要要求相比比，工艺艺性能处处于次要要地位；但在某某些情况况下，工工艺性能能也可成成为主要要考虑的的因素。当当工艺性性能和机机械性能能相矛盾盾时，有有时正是是工艺性性能的考考虑使得得某些机机械性能能显然合合格的材材料不得得不加舍舍弃，此此点对于于大批量量生产的的零件特特别重要要。因为为在大量量生产时时，工艺艺周期的的长短和和加工费费用的高高低，常常常是生生产的关关键。例例如，为为了提高高生产效
17、效率，而而采用自自动机床床实行大大量生产产时，零零件的切切削性能能可成为为选材时时考虑的的主要问问题。此此时，应应选用易易切削钢钢之类的的材料，尽尽管它的的某些性性能并不不是最好好的。三、经济济性零件的选选材应力力求使零零件生产产的总成成本最低低。除了使使用性能能与工艺艺性能外外，经济济性也是是选材必必须考虑虑的重要要问题。选选材的经经济性不不单是指指选用的的材料本本身价格格应便宜宜，更重重要的是是采用所所选材料料来制造造零件时时，可使使产品的的总成本本降至最最低，同同时所选选材料应应符合国国家的资资源情况况和供应应情况，等等等。（1）材材料的价价格 不不同材料料的价格格差异很很大，而而且在不
18、不断变动动，因此此设计人人员应对对材料的的市场价价格有所所了解，以以便于核核算产品品的制造造成本。（2）国国家的资资源状况况 随着着工业的的发展，资资源和能能源的问问题日益益突出，选选用材料料时必须须对此有有所考虑虑，特别别是对于于大批量量生产的的零件，所所用的材材料应该该是来源源丰富并并符合我我国的资资源状况况的。例例如，我我国缺钼钼但钨却却十分丰丰富，所所以我们们选用高高速钢时时就要尽尽量多用用钨高速速钢，而而少用钼钼高速钢钢。另外外，还要要注意生生产所用用材料的的能源消消耗，尽尽量选用用耗能低低的材料料。（3）零零件的总总成本 由于生生产经济济性的要要求，选选用材料料时零件件的总成成本应
19、降降至最低低。综上所述述，零件件选材的的基本步步聚如下下：1、对产产品功能能要求特特性，包包括可能能互相矛矛盾的要要求，确确定相对对优先次次序。2、决定定产品每每个构件件所要求求的性能能，对各各种候选选材料在在性能上上进行比比较。3、对外外形、材材料和加加工方法法进行综综合考虑虑。四、典型型零件的的选材及及工艺路路线1、机床床主轴图10-3是CC6200车床主主轴的结结构简图图。机床主轴轴是典型型的受扭扭转弯曲复复合作用用的轴件件，它受受的应力力不大（中中等载荷荷），承承受的冲冲击载荷荷也不大大，如果果使用滑滑动轴承承，轴颈颈处要求求耐磨。因因此大多多采用445钢制制造，并并进行调调质处理理，
20、轴颈颈处由表表面淬火火来强化化。载荷荷较大时时则用440Crr等低合合金结构构钢来制制造。对C6220车床床主轴的的选材结结果如下下：材料：445钢。热处理：整体调调质，轴轴颈及锥锥孔表面面淬火。性能要求求：整体体硬度NNB2220HHB2440；轴轴颈及锥锥孔处硬硬度HRRC522。工艺路线线：锻造造正火粗加工工调质精加工工表面淬淬火及低低温回火火磨削。该轴工作作应力很很低，冲冲击载荷荷不大，445钢处处理后屈屈服极限限可达4400MMPa以以上，完完全可满满足要求求。现在在有部分分机床主主轴已经经可以用用球墨铸铸铁制造造。2、汽车车齿轮汽车齿轮轮的工作作条件远远比机床床齿轮恶恶劣，特特别是
21、主主传动系系统中的的齿轮，它它们受力力较大，超超载与受受冲击频频繁，因因此对材材料的要要求更高高。由于于弯曲与与接触应应力都很很大，用用高频淬淬火强化化表面不不能保证证要求，所所以汽车车的重要要齿轮都都用渗碳碳、淬火火进行强强化处理理。因此此这类齿齿轮一般般都用合合金渗碳碳钢200Cr或或20CCrMnnTi等等制造，特特别是后后者在我我国汽车车齿轮生生产中应应用最广广。为了了进一步步提高齿齿轮的耐耐用性，除除了渗碳碳、淬火火外，还还可以采采用喷丸丸处理等等表面强强化处理理工艺。喷喷丸处理理后，齿齿面硬度度可提高高HRCC133单位，耐耐用性可可提高77111倍。例：北京京牌吉普普车后桥桥圆锥
22、主主动齿轮轮。（图图10-4）材料：220CrrMnTTi钢。热处理：渗碳、淬淬火、低低温回火火，渗碳碳层深11.2mmm11.6mmm。性能要求求：齿面硬度度HRCC58HRCC62，心心部硬度度HRCC33HRCC48。工艺路线线：下料料锻造正火切削加加工渗碳、淬淬火、低低温回火火磨加工工。第三节 零件件毛坯选选择的一一般原则则毛坯种类类的选择择不仅影影响毛坯坯的制造造工艺及及费用，而而且也与与零件的的机械加加工工艺艺和加工工质量密密切相关关。为此此需要毛毛坯制造造和机械械加工两两方面的的工艺人人员密切切配合，合合理地确确定毛坯坯的种类类、结构构形状，并并绘出毛毛坯图。一、常见见的毛坯坯种
23、类常见的毛毛坯种类类有以下下几种：（一）铸铸件对形状较较复杂的的毛坯，一一般可用用铸造方方法制造造。目前前大多数数铸件采采用砂型型铸造，对对尺寸精精度要求求较高的的小型铸铸件，可可采用特特种铸造造，如永永久型铸铸造、精精密铸造造、压力力铸造、熔熔模铸造造成和离离心铸造造等。（二）锻锻件锻件毛坯坯由于经经锻造后后可得到到连续和和均匀的的金属纤纤维组织织。因此此锻件的的力学性性能较好好，常用用于受力力复杂的的重要钢钢质零件件。其中中自由锻锻件的精精度和生生产率较较低，主主要用于于小批生生产和大大型锻件件的制造造。模型型锻造件件的尺寸寸精度和和生产率率较高，主主要用于于产量较较大的中中小型锻锻件。（
24、三）型型材型材主要要有板材材、棒材材、线材材等。常常用截面面形状有有圆形、方方形、六六角形和和特殊截截面形状状。就其其制造方方法，又又可分为为热轧和和冷拉两两大类。热热轧型材材尺寸较较大，精精度较低低，用于于一般的的机械零零件。冷冷拉型材材尺寸较较小，精精度较高高，主要要用于毛毛坯精度度要求较较高的中中小型零零件。（四）焊焊接件焊接件主主要用于于单件小小批生产产和大型型零件及及样机试试制。其其优点是是制造简简单、生生产周期期短、节节省材料料、减轻轻重量。但但其抗振振性较差差，变形形大，需需经时效效处理后后才能进进行机械械加工。（五）其其它毛坯坯其它毛坯坯包括冲冲压件，粉粉末冶金金件，冷冷挤件，
25、塑塑料压制制件等。二、毛坯坯选择的的一般原原则毛坯类型型选择同同毛坯材材料是密密切相关关的，所所以选择择毛坯的的原则也也是在满满足使用用要求的的前提下下，努力力降低生生产成本本和提高高生产效效率。1、满足足零件的的使用要要求 机械装装置中各各零件的的功能不不同，其其使用要要求也会会有很大大的差异异。零件件的使用用要求包包括零件件形状、尺尺寸、加加工精度度和表面面粗糙度度等的外外部质量量要求，以以及具体体工作条条件下对对零件成成分、组组织、性性能的内内部质量量要求。2、降低低生产成成本 一个零零件的制制造成本本包括本本身的材材料费、消消耗的燃燃料和动动力费、工工资、设设备和设设备的折折旧费，以以
26、及其它它辅助费费用分摊摊到该零零件的份份额。进进行毛坯坯选择时时，可在在保证零零件使用用性能的的条件下下，把可可供选择择的方案案从经济济上进行行分析比比较，从从中选择择出成本本最低的的最佳方方案。3、结合合具体生生产条件件 选选定毛坯坯制造方方法时，首首先应分分析本企企业的设设备条件件和技术术水平，实实施切实实可行的的生产方方案。第四节 毛坯坯质量检检验毛坯件中中缺陷的的存在，也也是造成成零件早早期失效效的原因因。一、毛坯坯的质量量检验毛坯的质质量检验验可分为为破坏性性检验和和非破坏坏性检验验两类。破破坏性检检验包括括力学性性能测试试、化学学成分分分析和金金相检验验。破坏坏性检验验必须从从被检
27、件件上切取取试样，或或破坏整整体被检检件进行行试验，它它主要用用于新材材料、新新工艺、新新产品试试制和模模拟试验验。通常常可利用用特制样样件进行行破坏性性试验，这这样可不不破坏被被检件。非非破坏性性检验，它它包括外外观检验验，各种种无损控控伤和致致密性试试验。该该检验直直接对被被检件检检验而不不破坏其其结构整整体，检检验合格格后直接接成为成成品或转转换到下下一工序序。下面介绍绍几种常常用的检检验方法法。1、外观观检验 毛坯坯件的外外观以肉肉眼观察察为主，或或都辅以以简单的的工具（低低倍放大大镜、直直尺等）。许许多毛坯坯件缺陷陷都可通通过外观观检验，但但重要零零件仅用用外观检检验是不不够的，还还
28、必须进进行内在在质量的的检验。2、无损损探伤检检验 它包括括超声波波检验、射射线检验验和磁粉粉检验。3、致密密性检验验 用用于检验验不受压压力或受受压很低低的容器器、管道道等。它它包括气气密性试试验和水水压试验验。4、化学学成分分分析 用以鉴鉴定材料料的成分分是否符符合规范范，并估估价材料料的优劣劣。常用用方法是是光谱分分析。5、力学学性能的的测试 力学学性能对对毛坯件件检查最最常用的的是硬度度试验，因因它能敏敏感反映映出材料料成分、组组织、性性能的关关系，并并可间接接反映其其它力学学性能指指标；零零件经硬硬度试验验后不受受损伤。6、金相相组织试试验 通过对对毛坯组组织检验验，可判判定构件件所用材材料和处处理工艺艺是否符符合要求求。金相相分析是是组织分分析中应应用最广广泛的实实验观察察技术，它它能够提提供有关关金属材材料的显显微组织织、晶粒粒度、非非金属夹夹杂物等等信息，主主要用于于对原材材料进厂厂检验和和监测各各种热处处理质量量缺陷。二、毛坯坯加工中中常见缺缺陷及检检验1、铸件件中常见见缺陷 铸件件中常见见缺陷有有缩孔、疏疏松、气气孔、偏偏析等。2、锻件件中常见见缺陷 锻件件中常见见缺陷有有折叠、锻锻造裂纹纹、过热热和过烧烧及冷成成形中常常出现的的微细裂裂纹等。3、焊接接件常见见缺陷 焊接接件常见见缺陷有有气孔、未未焊透、热热裂纹和和冷裂纹纹等。