工程设计、制造与材料选择

•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
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安全在于心细，事故出在麻痹。20.10. 2220.1 0.2220:14:0020 :14:00 October 22, 2020
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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。
7.4.2 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。
⑶表面损伤失效（surface damage failure） 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。
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图7-2 按力学性能选材的基本步骤
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7-3 零件整体热处理标注示意图
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7-4 零件局部热处理标注示意图
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树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20. 10.2220 .10.22 Thursday , October 22, 2020
表7-5
7.3.2 钢铁普通热处理方案的选择
表7-6
7.3.3 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
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人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。2 0:14:00 20:14:0 020:14 10/22/2 020 8:14:00 PM
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加强交通建设管理，确保工程建设质 量。20:14:0020 :14:002 0:14Th ursday , October 22, 2020
•具体措施：
①避免尖角；避免厚薄悬殊。
见图7-11
见图7-12
②采用封闭和对称结构；采用组合结构。
见图7-13
见图7-14
③合理布置孔洞位置；设置工艺孔。
见图7-16
④采用局部淬火或整体淬火。
见图7-15
见图7-17
作业：1，2，4，7，8，9。
本章结束
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图７-１ 零件失效形式分类
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表7-1 几种常见零件工作条件、失效形式及要求的力学性能
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专注今天，好好努力，剩下的交给时 间。20. 10.2220 .10.222 0:1420:14:002 0:14:00 Oct-20
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牢记安全之责，善谋安全之策，力务 安全之 实。202 0年10 月22日 星期四8 时14分 0秒Th ursday , October 22, 2020
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•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
③ 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（fracture failure） 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。
图7-3
图7-4
7.4 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。
7.4.1 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、
③腐蚀失效： 量大面广；选抗蚀材料、表面防护等（见第12章）。
7.1.3 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
7. 2 零件设计中的材料选择 （material selection in design of parts）
7.2.1 选材三原则（three criteria of material selection） ⑴使用性能原则与选材基本步骤
低合金钢。
图7-5
图7-6
•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。 图7-7
•合理安排工艺路线。
图7-8
图7-9
图7-10
•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
软）等不佳。 ⑶ 经济原则：要考虑多项成本。
表7-2
表7-3
表7-4
7.2.2 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。
7.3 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
•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：
表7-1
•选材基本步骤：
图7-2
⑵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。
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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）。
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严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年10月 下午8时 14分20 .10.222 0:14Oc tober 22, 2020
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7.3.5 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60～63 HRC； 调质220～250 HBS。
第7章 工程设计、制造与材料选择
（engineering design 、manufacture &material selection）
7.1 零件失效与失效类型 (failure of parts & types)
7.2 零件设计中的材料选择 (material selection in design of parts)
• 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：
7.3 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
7.4 变形开裂与热处理结构工艺性
退出
7.1 零件失效与失效类型(failure of parts & types)
7.1.1 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。
7.1.2 失效的形式与对策
图7-1
⑴过量变形失效（excessive deformation failure） 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。
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。
7.3.1 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）。
合。 •氮 化：负荷不大，但耐磨、耐蚀的精密零件。
表7-7
7.3.4 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。