7.1零件失效與失效類型(failureofparts&types)7.2零件設計中的材料選擇(materialselectionindesignofparts)7.4變形開裂與熱處理結構工藝性第7章工程設計、制造與材料選擇（engineeringdesign、manufacture&materialselection）7.3熱處理在零件加工工藝路線中的位置及熱處理方案的選擇退出7.1零件失效與失效類型(failureofparts&types)7.1.1失效概念

?定義：機械零件或工程構件喪失規定功能的現象。?失效含義：①零件破損，不能正常工作。②零件尚可安全工作，但不能滿足原有功能要求。③零件不能安全工作。?失效的定量指標：額定壽命；某些指標的規定范圍（如模具沖頭磨損量）達不到定量指標，即發生早期失效。

7.1.2失效的形式與對策⑴過量變形失效（excessivedeformationfailure）①過量彈性變形失效：?特征：Σe過大（Σe=σ/E）,帶來一系后果（如鏜桿的“讓刀”）。?措施：提高零件剛度，具體辦法為改變零件幾何，加大尺寸及用E大的材料。②塑性變形失效：?特征：σ＞σs、發生整體屈服。?措施：選高強度材料、采取強化工藝、加大截面尺寸或降低應力水平。圖7-1③過量蠕變失效：?特征：T＞0.3Tm（盡管σ＜σs）時發生，時間累積過程。

?措施：選用高強耐熱鋼及合適的熱處理。⑵斷裂失效（fracturefailure）①韌斷：?特征：σ＞σb，先塑變后斷裂；原因為強度不足。?措施：σ＜[σ]；提高材料強度。②低應力脆斷：?特征：σ＜σs時突然發生，無明顯宏觀塑性變形征兆，最危險，如鑄鐵拉伸時的斷裂；低溫、大截面零件以及應力集中，最易發生。?措施：提高材料韌性；減少各種加工缺陷；減少應力集中及消除內應力等。③疲勞斷裂：?特征：脆斷，無明顯塑變；σ＜σs，多次循環造成，如齒輪的斷齒。量大面廣，多起源于表面缺口、刀痕等應力集中處。?措施：選材；設計改進（避免或減少應力集中）；表面加工質量；表面強化。④蠕變斷裂：過量蠕變變形后發生（高溫下，詳見第11章）。?介質加速斷裂：應力腐蝕等（介質+應力的復合作用，詳見第12章）。⑶表面損傷失效（surfacedamagefailure）①磨損失效?特征：摩擦作用的結果之一；輕微磨損允許、過量磨損會失效，例摩擦副、工模具、工程機械，量大面廣。

?措施：用耐磨材料；表面強化、表面改性處理；潤滑條件。②接觸疲勞失效?特征：接觸零件之間周期性壓應力或接觸應力反復作用的結果，例齒輪齒面剝落、軸承表面麻點。?措施：提高表面質量、表面強化。③腐蝕失效：量大面廣；選抗蝕材料、表面防護等（見第12章）。7.1.3失效的原因（自學）總體上共四方面：設計選材與熱處理加工缺陷裝配與使用7.2零件設計中的材料選擇（materialselectionindesignofparts）7.2.1選材三原則（threecriteriaofmaterialselection）⑴使用性能原則與選材基本步驟?使用性能是選材的必要條件，是零件乃至機器完成其功能的基本保證。使用性能可由力學性能、物理性能和化學性能表征。機械零件主要是力學性能。?幾種常見零件的力學性能要求：

?選材基本步驟：表7-1圖7-2

⑵工藝性原則（材料切削加工的影響因素）?材料的切削加工性的影響因素：材料類型、切削方法、切削速度、刀具與機床情況等。?材料硬度與其切削加工性的關系：鋼鐵材料的合適硬度范圍160～230HB，組織尚有影響，如球化組織的切削加工性優于片層狀組織。?措施與綜合結果：

①低、中碳鋼，鐵素體太軟且數量多；用正火增加珠光體量，HB↑，切削性↑。②高碳鋼，片狀珠光體，易磨損刀具；用球化退火成粒狀珠光體，切削性↑。③Al、Mg等有色金屬、石墨化鑄鐵，強度低且易切屑，切削加工性甚好。④大批量的強度要求不高的零件（如標準件），可采用易切削鋼。⑤一般鋼材淬、回火后磨削加工性較好，有色金屬（太軟）等不佳。⑶經濟原則：要考慮多項成本。表7-2表7-3表7-47.2.2零件件選選材材時時應應注注意意的的幾幾個個問問題題?使用用性性能能優優先先；；?設計計指指標標與與保保安安全全指指標標；；?注意意材材料料狀狀態態與與手手冊冊的的對對應應；；?注意意尺尺寸寸效效應應；；?注意意數數據據的的可可靠靠性性；；?注意意具具體體的的供供貨貨狀狀態態；；?注意意不不同同材材料料的的成成型型加加工工方方式式的的不不同同。。7.3熱熱處處理理在在零零件件加加工工工工藝藝路路線線中中的的位位置置及及熱處處理理方方案案的的選選擇擇兩方方面面問問題題：：一是是某某種種熱熱處處理理工工藝藝與與其其它它加加工工工工序序的的相相對對次次序序（（工工藝藝流流程程或或工工藝藝路路線線））。。二是是如如何何根根據據目目的的、、要要求求及及所所用用材材料料正正確確選選擇擇合合適適的的熱熱處處理理工工藝藝。。7.3.1熱處處理理在在工工藝藝路路線線中中的的位位置置⑴熱熱處處理理在在工工藝藝路路線線中中的的位位置置的的安安排排原原則則?最終終熱熱處處理理（（淬淬火火、、回回火火后后硬硬度度高高））一一般般安安排排在在半半精精加加工工與與最最終終的的精精加加工工（（磨磨削削等等））之之間間。。?最終熱熱處理理可以以進行行多次次（如如多次次回火火等））。?表面淬淬火屬屬最終終熱處處理，，常采采用預預先熱熱處理理（調調質或或正火火）保保證心心部性性能。。?滲碳（（或碳碳氮共共滲））后一一般緊緊跟著著淬火火、回回火；；局部部毋須須滲碳碳者，，可采采取滲滲前鍍鍍銅或或滲后后去除除。?某些薄薄層表表面改改性處處理（（軟氮氮化、、滲硫硫及其其它涂涂層等等）后后，不不再進進行切切削加加工。。?高精度度零件件等常常需多多次去去應力力退火火或回回火（（時效效）處處理或或冷處處理。。⑵熱熱處理理在工工藝路路線中中的位位置表7-57.3.2鋼鐵普普通熱熱處理理方案案的選選擇7.3.3鋼鋼鐵表表面熱熱處理理方案案的選選擇?高頻頻淬火火：在基本本滿足足要求求時優優先考考慮，，尤其其大批批量生生產。。?滲碳碳：更高性性能要要求（（尤其其表、、內配配合））、更更深硬硬化層層要求求時采采用。。?碳氮氮共滲滲：在負荷荷不甚甚大時時，可可取代代滲碳碳（周周期短短且耐耐磨性性高于于滲碳碳）。。?軟氮氮化化：減摩，，要求求變形形小，，且疲疲勞強強度較較高的的場合。?氮化化：：負荷不不大，，但耐耐磨、、耐蝕蝕的精精密零零件。。表7-6表7-77.3.4有色金金屬熱熱處理理方案案的選選擇鋁合金金常用用工藝藝：?均勻勻化退退火：：消除鑄鑄造鋁鋁合金金的成成分偏偏析及及鑄造造內應應力，，穩定定組織織、提提高塑塑性。。?再結結晶退退火或或去應應力退退火：：變形后后消除除加工工硬化化或僅僅消除除應力力（較較低溫溫度））。?固溶溶、時時效處處理：：獲得時時效強強化的的效果果。7.3.5零零件熱熱處理理技術術要求求的標標注是一個個重要要問題題，它它確定定了使使用性性能及及工藝藝路線線。由由設計計者完完成。。?多以硬硬度（（HRC、、HBS））作為為力學學性能能的技技術要要求。。?要給出出合適適的硬硬度要要求范范圍：：△HRC≈3～5個單單位，，△HBS≈30～～50個單單位。。?通常要要標出出達到到硬度度要求求的熱熱處理理工藝藝類型型（毋毋須工工藝細細節））:如淬火、、回火火58～62HRC；滲層（（0.8～～1.2mm））、淬淬火、、回火火60～63HRC；；調質220～250HBS。?硬度要要求的的數值值應與與材料料可能能達到到的硬硬度相相一致致，鋼鋼材主主要考考慮含含碳量量和淬淬透性性。如45鋼鋼，若若要求求60～63HRC（××）；；調質50～～55HRC（（×））。?表面熱熱處理理的硬硬化層層要求求（類類型<如是高高、中中頻淬淬火還還是滲滲碳>、、深度度等））。?某些特特殊技技術要要求，，如高高速鋼鋼淬火火多有有晶粒粒度級級別要要求，，軍械械零件件有強強度、、塑性性、韌韌性等等要求求。?標注位位置及及示例例：圖7-4圖7-37.4變變形形開裂裂與熱熱處理理結構構工藝藝性?熱處處理（（尤其其淬火火）的的負面面影響響：熱處理理變形形和開開裂(熱處處理應應力引引起)；表表面氧氧化脫脫碳。。?措施施：從零件件設計計與制制造和和熱處處理工工藝兩兩方面面。7.4.1減減少零零件熱熱處理理變形形和防防止開開裂的的方法法（deformation&crack））?選材材：針對性性選用用高淬淬透性性的合合金鋼鋼、高高合金金鋼，，替代代碳鋼鋼、低低合金金鋼。。圖7-6圖7-5?預留留加工工余量量：找出變變形規規律、、半精精加工工預留留余量量（＞＞變形形量））。?按變變形規規律調調整切切削加加工尺尺寸。。?合理理安排排工藝藝路線線。?降低低零件件表面面粗糙糙度(以減減低因因局部部應力力集中中而淬淬火開開裂)。。?合理理的鍛鍛造和和熱處處理：：成分均均勻化化與合合理纖纖維走走向；；合適適的預預先熱熱處理理（球球化退退火和和調質質要比比正火火有利利）。。?修改改技術術條件件：適當降降低要要求，，以采采用比比較緩緩和的的淬火火介質質和工工藝。。?采用用先進進設備備：可以高高硬度度狀態態加工工，如如特種種磨、、電火火花加加工。。圖7-10圖7-9圖7-8圖7-77.4.2熱處理理結構構工藝藝性?零件機機械設設計（（零件件的結結構、、截面面尺寸寸等））時要要考慮慮其熱處理理工藝藝性如如何。。?考慮慮的主主要方方面：：①零件件的結結構要要易于于進行行熱處處理（（如避避免懸懸殊截截面、、盲孔孔等））,易易于達達到技技術要要求。。②零件件的結結構有有利于于減少少變形形、防防止開開裂。。③零件件的結結構不不易發發生早早期失失效，，有較較高壽壽命。。?具體體措