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选材分析
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机械零件的选材与过程分析
(2009-03-3021:
16:
07)
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标签:
杂谈
分类:
材料知识
作者:
天津市蝶桥包装食品机械研究所有限责任公司任彤凤刘京燕
1 材料的选用原则
在机械零件产品的设计与制造过程中,如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件,使零件经久耐用,而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性,以便提高零件的生产率,降低成本,减少消耗等。
选材中要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能,如密度、弹性模量、强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、高温和低温强度、焊接性能、淬透性、热处理变形量、可锻性、切削性能、经济性等。
选用材料要根据产品批量,是常年需要(定型产品)或一次性生产(单件、单批生产),从机械性能、工艺和经济三方面来考虑。
1.1 材料的机械性能
在设计零件并进行选材时,应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标,这是保证零件经久耐用的先决条件。
如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓,在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力,而且拉应力是周期变动的,其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外,多数情况下是由于疲劳破坏而造成短裂。
因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外,还要求有高的疲劳强度。
由于是整个截面均匀受力,因此材料的淬透性也需考虑。
零件实际受力条件是较复杂的而且还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等因素,因此机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
在工程设计上,材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的,它虽能表明材料性能的高低,但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异,因而严格说来,材料机械性能数据仍不能确切地反映机械零件承受载荷的实际能力。
即使这样,目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。
生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度,因为硬度检验可以不破坏零件,而且硬度与其他机械性能之间存在一定关系。
因此零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。
1.2 材料的工艺性能
现代工业所用的机器设备,大部分是由金属零件装配而成的,所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
用金属材料制造零件的基本加工方法,通常有下列四种:
铸造、压力加工、焊接和机械加工。
材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响,几种重要的工艺性能如下:
铸造性能:
包括流动性、收缩、偏析、吸气性等;
锻造性能:
包括可锻性、抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等;
机械加工性:
包括光洁度、切削加工性等;
焊接性能:
包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等;
热处理工艺性:
包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性倾向、氧化脱碳倾向、冷脆性等。
机器上的钢制零件一般要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工,因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。
在小批量生产时,工艺性能的好坏并不显得突出;而大批量生产时,工艺性能则可以成为决定性的因素。
在设计零件时,也要注意热处理工艺性。
如其结构形状复杂,应选用淬透性好的钢材,如油淬钢,它变形较小。
一般说来,碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好,其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求,因此碳钢的用途较广,但它的强度还不够高,淬透性较差。
所以,制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件,常选用合金钢,因为合金钢淬透性好、强度高。
可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。
通过改变工艺规范、调整工艺参数、改进刀具和设备、变更热处理方法等途径,可以改善金属材料的工艺性能。
1.3 材料的经济性
在满足使用性能的前提下,选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。
零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其他一切费用。
在金属材料中,碳钢和铸铁的价格是比较低廉的,因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁(尤其是球墨铸铁),不仅具有较好的加工工艺性能,而且可降低成本。
低合金钢由于强度比碳钢高,总的经济效益比较显著,有扩大使用的趋势。
在选材时还应考虑国家的生产和供应情况,所选钢种应尽量少而集中,以便采购和管理。
2 工艺性
设计决定工艺,工艺也可能决定设计。
完成同一功能的零部件,可以设计出不同的结构,其中某些结构易于加工并保证加工精度,但某些结构则难于加工,甚至无法加工,所以设计人员必须了解工艺。
对所设计的机械产品,每个零件应该选择哪种工艺流程,各个零件图所标注的尺寸、公差、粗糙度和技术条件,都直接影响工艺流程的优劣和生产周期的长短。
根据零件图和零件材料的特性,可选择下述一种或几种工艺,切削加工、铸造、锻造、板金、冲压、挤压等。
以上每个工艺都有其造价最合理的经济精度,所以零件图和材料确定后,也就在一定程度上确定了采用哪种工艺。
当零件的形状比较复杂,尺寸较大时,用锻造往往难以实现,如果采用铸造性能或焊接性能,在结构上也要适应铸造或焊接的要求。
至于选用铸造还是焊接,采用模锻还是自由锻。
如果零件的生产批量小,所花的木模和模具费超过了机械加工所能节约的费用,则不如采用焊接件或自由锻造件。
如果生产批量较大,采用铸件或模锻件较为有利。
如果零部件的其他性能都满足,只是材料的焊接性能不好,而又没有合适的焊接性能好的材料,则可以改变联接方式。
例如,由焊接该为螺纹联接或其他联接。
有时,产品的交货日期也影响制造工艺的选择,如果交货日期紧迫,常常采用焊接件而不用铸件。
当零件用冷拔工艺制造时,应考虑材料的延伸率,并考虑冷加工硬化对材料机械性能的影响。
钢与某些非铁金属经过冷作硬化后,硬度、屈服极限和强度极限都有相当大提高,而其提高程度又和加工过程中的截面收缩率有关,截面收缩率越大,提高程度越大。
同样的结构材料,如果采用先进而合理的热处理工艺,则强度性能可以成倍地提高,至于采用何种热处理工艺,必须考虑具体条件。
对于切削加工的零件,应根据零件的几何形状、加工面种类和加工位置来确定采用一种或几种切削工艺,如车、铣、钻、镗、磨等。
同样的孔,采用车、镗还是磨削作为最后的工序,要根据加工精度和表面粗糙度决定。
在自动机床上进行大批量生产的零件,应该考虑材料的被切削性能,使易于断屑,减少刀具磨损量,提高生产率和加工精度。
工艺的另一个重要方面是装配,即将各个零件装配成一个整体。
装配要根据产品的结构特点,选择合适的联接方式:
1)螺栓、键、销钉联接,这些联接形式能方便地拆开;2)铆钉联接,可拆但不方便;3)焊接,形成永久性联接,不可拆。
表面采用油漆、抛光、电镀还是塑料涂层,要根据外观和抗腐蚀的要求决定。
3 热处理技术条件的标注
热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间。
设计者应根据零件的工作特性,提出热处理技术条件。
热处理零件一般在图纸上都以硬度作为热处理技术条件,对于渗碳的零件则还应标注渗碳深度。
某些要求性能较高的零件还需标注其他机械性能指标。
所标注的热处理技术条件应该合理。
设计者不应仅仅根据整个机器结构的要求和零件工作特性来提出热处理技术条件,还必须考虑到材料热处理的特性和工艺性以及生产的实际条件和能力,以确保设计要求得以达到。
常见的不合理现象有:
要求大截面零件获得小尺寸试样的性能指标;要求低碳钢不经化学热处理达到高硬度;要求零件硬度超越钢材的淬硬性;要求一个零件上有多种硬度等等。
此外,在标注技术条件时,不应该对热处理方式方法规定得太具体,因为热处理工艺规范的决定要考虑到诸如技术要求、生产条件、安全、工人技术水平和操作习惯等许多因素。
实际上,一个零件要获得某一性能,往往可用多种方法达到。
硬性规定不利于发挥热处理工作者的积极性,因地制宜地完成任务,也不利于新技术新工艺的采用和推广。
4 冷加工方面减小变形、防止开裂的措施
4.1 改进淬火零件结构形状的设计
在实际生产中,设计人员有时只注意到如何使零件的结构形状适合部件机构的需要,而往往忽视了零件在加工时或热处理过程中,因结构形状不合理给热处理操作带来的不便,以致引起淬火变形甚至开裂,而使零件报废。
因此,设计工作者必须充分考虑淬火零件的结构形状与热处理工艺性的关系。
在设计淬火零件结构形状时,应掌握以下原则:
避免尖角和棱角
避免厚薄悬殊
采用封闭、对称结构
采用组合结构
4.2 合理安排工艺路线
对于某些精密零件因切削加工或磨削加工造成应力而引起变形时,在工艺路线中可穿插除应力处理或时效处理以减小变形。
对于细长轴类和形状复杂的零件,在粗加工成形后安排一道除应力处理工序,以消除切削加工引起的应力,对减小淬火变形十分有利。
对于需要精磨的零件,在热处理粗磨后,一般安排时效处理,以消除磨削应力,稳定尺寸,防止随后发生变形。
4.3 修改技术条件
对于某些容易产生变形、开裂的零件,可以修改技术条件,以减小变形、防开裂。
4.4 按变形规律调整加工尺寸
在通过试验,掌握了零件变形规律的情况下,采取冷热加工配合,调整加工尺寸来减小变形,对于大批生产的零件是一种行之有效的方法。
4.5 预留加工余量
热处理时零件不可避免地会有变形,因此在零件加工过程中必须留有合理的加工余量,这样既可简化热处理操作,又不使随后机械加工时增加过大的工作量。
4.5.1 调质件的留余量
轴类调质件在淬火时会有变形、氧化、脱碳等,因此无论是原材料还是锻件,在调质前必须留有加工余量。
4.5.2 渗碳件的留余量
对局部渗碳零件在不需要渗碳部分或有配做孔处,可以采用加工余量办法,在渗碳后淬火前切除这部分渗碳层。
4.5.3 淬火件的留余量
精加工以后的零件在热处理淬火操作时由于热应力的影响,必然会产生变形。
除设法减小淬火变形外,为了能在淬火后磨削到所要求尺寸,必须留出足够的磨削余量。
4.6 更换材料
材料是根据零件的工作条件来选取的。
由于结构形状的原因,在采取了其他措施后仍不能减小变形、防止开裂的情况下,也可以考虑更换材料。
一般可以用合金钢来代替碳钢,用低变形钢来制造工、模、量具等。
4.7 提高表面光洁度
切削加工后零件的表面光洁度太差有时也可能成为淬火裂纹的起因。
切削刀痕过深,造成应力集中,在淬火时沿刀痕方向形成淬火裂纹。
应该提高零件的表面光洁度。
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两篇教学文章:
典型零部件选材及工艺分析
材料的机械性能及机件的失效与选材分析
一、材料的机械性能
1、弹性模量E
又称材料刚度。
E=σ/ε,单位:
MPa,是指材料产生单位变形所需的应力,表明弹性变形的难易程度,只与材料本性有关,而与合金化、热处理、冷变形等基本无关。
2、硬度
表明材料表面抗其它物体压入的能力。
是局部塑变抗力指标。
常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV。
(1)布氏硬度HB
测定:
布氏硬度计。
原理:
一定载荷F作用于淬火钢球(硬质合金圆球)压入材料表面一定时间,卸载后测出压痕直径,进而计算出压痕面积S,则HB=F/S,单位:
kg/mm2,但一般不注出单位。
国标规定,HB在450以下用HBS表示;在450以上用HBW表示。
标注:
正确标注如120HBS、500HBW。
错误标注如HBS300、600HBS。
测量对象:
软材料,不能测量薄试样。
(2)洛氏硬度HRscreen.width-333)this.width=screen.width-333"align=rightborder=0>
该硬度应用最广。
原理:
用锥顶角为120°的金刚石圆
锥体或直径为1.588mm的钢球压头在规定
载荷作用下压入试样表面,用压痕深度表
示。
如右图
载荷=初载荷+主载荷
初载荷——10kg
主载荷——60kg(HRA)、100kg(HRB)、150kg(HRC)
由主载荷的压入深度h=h3-h1作为硬度值。
显然,h↑,HR↓
为习惯方便起见,HR=(k-h)/0.002,金刚石压头,k=0.2mm;钢球压头,k=0.26mm。
注意:
①HRA、HRB、HRC的测量范围;②优点是操作简便,压痕小,
可用于成品检验;③表示:
67HRC、60HRC、HRC5-10(×)、HRC70-75(×)
(3)维氏硬度HV
原理:
和HB相同,只是压头不同。
HV=F/S=1.8544F/d2,kg/mm2
压头:
锥面夹角为136°的金刚石四棱锥体压头。
表示:
640HV、800HV。
适用范围:
表面硬度(硬化层)。
优点:
载荷小,压痕浅,但测定麻烦。
3、韧性
(1)冲击韧性αk
表征抗冲击载荷的能力。
αk=Ak/S,单位:
J/cm2screen.width-333)this.width=screen.width-333"align=rightborder=0>
通过冲击试验测定。
试样有U、V型缺口试样。
αk主要与温度有关,如右图,还与
试样的尺寸、形状、表面质量及内部组织
有关,是组织结构的敏感参量。
(2)断裂韧性K1c
由低应力脆断引出。
与材料内部存在
裂纹和裂纹扩展有关。
实际材料中存在缺陷:
夹杂物、气孔等 →裂纹→在应力作用下扩展→达到临界尺寸发生失稳扩展→断裂
裂纹扩展有三种方式,如右下图。
screen.width-333)this.width=screen.width-333"align=rightborder=0>
K1c——在裂纹扩展的临界状态下,裂纹尖
端应力场强度因子值。
它表明裂纹失稳扩展的
抗力大小。
K1c只与材料成分、组织结构有关。
K1c=Yσ
Y——裂纹形状尺寸系数,无量纲。
二、机件的失效
机件的失效是指机件丧失了规定的功能,不能继续工作而提前大修或报废。
1、失效形式
金属材料的主要失效形式是断裂、变形、和表面损伤三大类。
(1)断裂失效
①单调断裂
单纯由于载荷的作用而引起零件的断裂,称为单调断裂。
一般,当载荷超过临界值后迅速断裂。
它在静载荷或冲击载荷下,有缺口或无缺口,高温、室温或低温等各种条件下都可发生。
它又分为:
韧性断裂:
断裂时的名义应力高于材料的屈服极限,是屈服变形的结果。
脆性断裂:
断裂时的名义应力低于材料的屈服极限,又称低应力脆断。
一般认为与材料内部存在微裂纹有关,裂纹失稳扩展导致断裂。
这种断裂往往没有先兆,会造成灾难性后果。
②疲劳断裂失效
零件在交变循环应力作用下发生的断裂。
疲劳断裂时的最大应力远低于材料的强度极限。
疲劳失效约占机件失效总数的80%以上。
无裂纹疲劳断裂一般经历裂纹萌生、扩展、直至断裂。
根据断裂时的应力循环次数,可将疲劳断裂分为高周疲劳断裂(≥104)和低周疲劳断裂(>104)。
(2)变形失效
机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效。
包括弹性变形失效和塑性变形失效。
(3)表面损伤失效
主要是磨损失效。
包括粘着磨损、表面疲劳磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。
粘着磨损:
是指两个相对运动零件表面的微观凸起发生焊合(或粘着),在继续运动过程中零件的粘着面发生分离,部分金属被撕去,造成表面严重损伤。
在接触应力很大,润滑不良、相对运动速度较低的情况下易发生。
表面疲劳磨损:
是指机件表面在交变接触应力作用下,使机件表面产生点蚀而发生磨损。
磨粒磨损:
是指相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损。
腐蚀磨损:
零件表面与环境中的介质发生电化学或化学反应而产生的磨损。
2、失效原因
(1)设计不当
主要是指零件的强度设计不足,或结构工艺性不当。
例如,过渡圆角小,应力集中大,或设计时对工作条件的估计错误,对过载估计不足,所设计的零件承载能力不够。
(2)选材不合理
①对零件的失效形式判断错误,所选材料不能满足使用要求;
②选材所依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力,错选了材料;
③材料冶金质量差,热处理技术要求不合格。
(3)加工不当
零件加工工艺不正确可能造成种种缺陷。
例如,①冷加工造成的表面粗糙、磨削裂纹;②热加工造成的过烧、过热及带状组织等;③热处理造成的氧化、脱碳、变形和开裂等。
(4)安装使用不当
例如,安装配合过紧、过松、对中不好或固定不牢,都影响零件的正常工作;使用维修时不遵守操作规程等。
3、失效分析方法
失效分析是一门科学,它包括逻辑推理和实验研究两个方面。
失效分析实验研究的步骤:
(1)对失效零件的残骸进行肉眼观察,测量并记录损坏的位置、尺寸变化和断口的宏观特征;收集表面剥落物和腐蚀产物,必要时照相留据。
(2)了解零件的工作环境和失效经过,观察相邻零件的损坏情况,
判断损坏顺序,收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。
(3)根据需要选择以下项目进行试验
①化学分析:
对原材料或渗层进行成分分析
②断口分析:
对断口进行宏观或微观观察,确定裂纹策源地、发展区和最终断裂区,判断裂纹性质。
注意断口处有无湾区、颈缩、裂纹和冷、热加工缺陷。
断裂部位是否有键槽、油孔或刀痕等。
应力集中处有无腐蚀或磨损的迹象,有无氧化和脱碳等。
③金相分析:
判别组织类型、组织组成物的形状、大小、数量和分布,鉴别各种组织缺陷,应着重分析失效起源处和周围组织间的差异。
④机械性能测试:
首先是测定有关部位的硬度值,因为根据应力能大致判断材料的其它机械性能。
大型零件应在适当部位取样进行有关机械性能的测试。
⑤断裂力学分析:
测定断裂部位的最大裂纹尺寸,按材料的断裂韧性值验算发生应力脆断的可能性。
⑥应力分析:
检查零件的应力分布,确定损伤部位是否为主应力最大的部位,确定裂纹的平面与最大应力方向之间的关系,以判定零件形状与受力位置的安排是否合理。
最后,对实验所得的数据进行综合分析,判断失效的原因,写出失效分析报告。
三、机件的选材
1、选材的原则
材料选择是一个复杂的决策问题,需要在掌握工程材料理论及其应用知识的基础上,明确目标即限制条件,进行具体分析,进行必要的试验和选材方案对比,最后才能确定选材方案。
单凭经验或简单套用相似零件的传统用材方案或盲目追求高级优质材料都不是科学的选材方法,这样,往往会造成零件的质量达不到设计要求或浪费材料,甚至造成设备和人身事故。
选材时一般遵循以下原则:
(1)满足零件使用性能的要求,防止失效事故的出现。
零件的使用性能包括力学性能和物理化学性能。
对机械零件来说,主要考虑的是其力学性能。
按力学性能选材时,只要能正确地分析零件的服役条件和主要失效形式,从而找出应具备的主要性能指标,并对零件的危险部位进行力学分析计算,正确计算所选材料的许用应力,一般不会提早失效。
但影响零件的使用寿命的因素是复杂的,
因此,按零件的力学性能选材时,必须考虑以下问题:
①必须考虑材料和零件服役的实际情况。
实际使用的材料都可能存在各种夹杂物和不同类型的宏观及微观的冶金缺陷,它们都会影响材料的力学性能。
其次,材料的力学性能在测定时的情况与实际零件存在差异,且试验过程也与零件的真实工作状态不同,致使实际零件的力学性能与试样测定的数值会有较大的出入。
因此,材料的力学性能是否最终满足要求,还须通过模拟试验来确定。
②考虑钢材的尺寸效应。
即指钢材的截面大小不同,即使热处理相同,其力学性能也有差
别。
随着钢材截面尺寸增大,其力学性能将下降,称为尺寸效应。
尺寸效应与钢材的淬透性有密切关系。
尺寸效应会使大尺寸零件淬火后的表面硬度下降。
因此,对所选的材料必须确定在规定的尺寸条件下是否能够淬硬。
并非所有材料都选用高淬透性的材料。
须根据零件的受力情况来确定。
具体地,对整个截面均匀承载的零件,要求心部至少有50%M;重要的零件如柴油机连杆及连杆螺栓,要求心部有至少95%M;而对于承受弯曲、扭转等复合应力的零件,其最大应力在零件的表层,中心部位受力为零,对此类零件淬硬至3/4或1/2半径处即可。
③综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。
机械零件通常在弹性范围内工作。
因此,零件的强度设计的依据是σ0.2,再根据具体工作条件进行修正。
但即使如此,也不能保证零件的绝对安全,因为零件的实际受力状态往往较复杂,而且还会有短时过载等现象。
片面提高σ0.2,会牺牲一部分塑性,有可能造成零件的脆断。
塑性指标不能直接用于设计计算,塑性的主要作用是增加零件的抗过载能力,提高零件的安全性。
对于以脆断为主要危险的零件,如汽轮机、电机转子这类大锻件以及在低温工作的石油化工容器等,断裂韧性K1c是最重要的力学性能指标,需要进行断裂韧性K1c和断裂判据K1≥K1c方面的定量设计计算,以保证零件的使用寿命。
对于小能量多次冲击条件下工作的零件,应要求较高的强度,稍低的塑性、韧性,以保证必要的疲劳冲击抗力。
需要指出的是,直接测得实际零件的各种力学性能数值比较困难,甚至不可能。
一般是利用硬度与其它力学性能之间的关系,通过测定硬度,间接地体现其它力性指标。
(2)满足零件的工艺性能的要求,提高成品率。
材料的工艺性是指材料适应某种加工的能力。
材料的工艺性包括铸造工艺性、锻造工艺性、焊接工艺性、热处理工艺性、切削工艺性等。
零件制造一般先要制成毛坯,然后再加工成为产品。
所选的毛坯不同,对材料所要求的工艺性能也不同。
因此,选材时,除了考虑零件的使用性能,还必须考虑零件的制造工艺性,以方便生产,减少废品的产生,提高经济性。
(3)满足经济性要求,用最低的成本获取最大的经济效益。
从选材的经济性考虑,应尽可能选用价廉、货源充足、加工方便、总成本低的材料,而且尽量减少所选材料的品种、规格,以简化供应、保管等工作。
一般地,在满足零件使用性能要求的前提下,尽量选用价格便宜的材料,能用碳素钢的,就不要用合金钢;能用Si、Mn钢的,就不要用Cr、Ni钢。
因为,我们国家合金资源的特点是缺Cr少Ni。
当然,对于对整部机器的使用寿命起非常关键作用的重要零部件,考虑到该零件的失效会导致整台机器的损坏,这种情况下,即使该零件的材料价格与制造成本较高,从全面来看,也是经济合理的。
2、选材的步骤与方法
(1)零件选材的步骤
①通过分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后,确定零件的技术条件。
②通过分析或试验,结合同类零件失效分析的结果,确定零件在实际使用中主要的和次要的失效抗力指标,以此作为选材的依据。
③通过力学计算,确定零件应具有的主要力学性能指标,正确选择材料。
这时要综合考虑所选材料应满足的失效抗力指标和工艺性的要求,同时还要考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。
④决定热处理方法或其它强化方法,并提出所选材料在供应状态下的技术要求。
⑤审核所
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