工程材料PPT05

零件
应力 种类 拉、剪 弯、扭 载荷 性质 静载 循环 冲击 循环 冲击 交变 冲击 受载 状态 -轴颈 摩擦 摩擦 振动 振动
常见失效形式
性能要求
螺栓 传动轴
过量变形，断裂 疲劳断裂，过量变形 ，轴颈磨损 断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲劳 弹性失稳， 疲劳破坏
强度，塑性 综合力学性能 表面高硬度及疲劳极限 ，心部强度及韧性 弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
LF21 —— 含1.0～1.6%Mn的防锈Al合金
LC4 —— 序号为4的超硬Al合金 ZL102 —— 含10～13%Si的铸造Al-Si合金 3.试述下列零件进行时效处理的作用： a. 形状复杂的大型铸件在500～600℃进行时效处理； 消除内应力 b. 铝合金件淬火后于140℃进行时效处理； 提高强度 c. GCr15钢制造的高精度丝杠于150℃进行时效处理。 稳定尺寸
性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。
选材 —— 45钢 热处理工艺 —— 830℃水淬 + 500℃回火 + 轴颈高频淬火 + 200℃回火
最终组织 —— 心部：回火S
轴颈表面：回火M
工艺路线 —— 锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削
三、内燃机曲轴选材
0.2 MPa 250 270 350 420 490 560
5 % 17 10 5 2 2 2
QT400-17
179 207 147-241 229-302 229-302 241-321
QT420-10 QT500-5 QT600-2 QT700-2 QT800-2
F+P P P P
QT1200-1
26,000,000 铂 工业金刚石 加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批量 硼―环氧树脂复合材料 碳纤维复材料 玻璃纤维复合材料 尼龙66 环氧树脂 天然橡胶 氧化铝 玻璃
四、环境与资源原则
—— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程
１. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。 重要金属的世界储量 ２. 环境污染小 废气排放少 材料回收及降解
（第2、3题的待选材料：
H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、 45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）
渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C: 930℃，回火：200 ℃）
淬 透 性 低
20MnV 0.17~0.24 0.17~0.23 0.17~0.23 1.30~1.60 0.90~1.20 0.80~1.10 0.90~1.20 1.00~1.30 20CrMn 20CrMnTi
时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
三、经济性 —— 根本原则
１. 产品成本分析
基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的30~70% 制造（加工）成本 —— 约占零件成本的30% 材 料 美元 / t
金 钨 钛合金 黄铜（型材） 铝合金（型材） 低碳钢（型材） 铸铁 硬质合金 19,100,000 26,000 10,190～12,720 1650～2336 2000～2440 440～480 260 66,000 材料 美元 / t 900,000,000 330,000 200,000 2400～3300 3289 1650 1430 1100-1760 1500
热处理工艺 —— 880~920℃正火 + 500～600℃回火 + 轴颈 N化
最终组织 —— P + G + 少量F 工艺路线 —— 铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈 N化
小结
本章是本课程的综合及实际应用 重点要求
在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。
一般要求
1. 2. 3. 选材原则 —— 材料的使用性能、工艺性能和经济性。 典型零件的加工工艺路线。 零件失效的概念。
二、机床主轴选材
性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。
普通车床（轻载）主轴 —— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。 铣床（中载）主轴 —— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。
组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi ，经渗C、淬火、回火处理。
精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl ，调质 + N化 + 时效。 实例１ —— C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。
下B
1200
840
1
300
38HRC
热处理 p213
back
175A型农用柴油机曲轴
p339
back
作业3c
3.4 有色金属及其合金
参考答案
1.说出下列材料常用的强化方法：H70；45钢；HT350；LY12 ；ZL102 。 答：H70 —— 冷变形强化（加工硬化） 45钢 —— 固溶强化（淬火） HT350 —— 变质（孕育）处理 LY12 —— 时效强化
作业5 材料的选用
week14, Nov 30
1. 欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材 料（待选材料： ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10 ）。 2. 某汽车变速箱齿轮，要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齿面硬度≥HRC58 ，试选 一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。 3. 某连杆螺栓，要求σb≥950MPa , σ s≥700MPa，aKU2 ≥45J ，试选一材料，制定 最终热处理工艺，指出最终组织。
s MPa
540 590 735 835
中
油
18Cr2Ni4WA 0.13~0.19
0.17~0.23
W0.8~1.2
0.30~0.60
高
20Cr2Ni4A
1.35~1.65 4.0~4.5 1.25~1.65 3.25~3.75
950 ／ 850
1180
1180
835
1080
78
63
空
880／ 780
油
back
调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）
淬 透 性 主 要 成 分, % 钢号 C 45 低 40MnB 40Cr 中 35CrMo 0.42~ 0.50 Mn 0.50~ 0.80 淬火 ℃ 830~ 840水 850油 850油 850油 940 水，油 回火 ℃ 580~ 640空
ZL102 —— 变质处理
2.指出下列材料牌号或代号的含义： H59；ZQSn10；QBe2；ZChSnSb11-6；LF21；LC4；ZL102 。 答：H59 —— 含59%Cu的普通黄铜
ZQSn10 —— 含10%Sn的铸造Sn青铜
QBe2 —— 含2%Be的Be青铜 ZChSnSb11-6 —— 含11%Sb，6%Cu的Sn基轴承合金
p172
主 要 化 学 成 分, % 钢号 C
20Cr 0.17~0.24
Mn
0.50~0.80
Cr，Ni
0.70~1.00
预备处理 ／ 淬火, ℃
880／ 800 水, 油 880水, 油 850 油 880 ／ 870
机械性能 b MPa
835 785 930 1080
aKU2 J
47 55 47 55
第5章 材料的选用
5.1 5.2
选材原则 典型零件的选材与工艺
5.1 选材原则
选材的动机 —— 开发新产品、产品的改进和更新换代。 选材原则 使用 、工艺性能 经济性 环境与资源原则
一、材料的使用性能 —— 首要原则 １. 零件的工作条件和失效形式 零件失效类型 变形 —— 弹、塑性变形。 断裂 —— 脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤 —— 磨损、腐蚀等。 零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。 工作条件
传动齿轮 弹簧
压、弯 扭、弯
２. 工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。 ３. 特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 ４. 性能要求的指标化 —— 如强硬度、塑韧性等的具体数值。 手册数据、经验公式的局限性 —— 力学性能与零件尺寸有关 40钢不同尺寸毛坯的力学性能
热处理条件 毛坯尺寸/mm 5 850淬火 30 50 500回火 750 700 15 15 80 56 σ b / MPa 800 δ / % 16 AKU / J 120
100
600
13
40
二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理
零件的加工工艺路线
一般零件 —— 毛坯 → 正火或退火 → 切削加工 轴、齿轮 等
毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工
→ 最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工 精密丝杠
毛坯 → 预先热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 半精加工→
of Chapter 5
性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。
选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 实例 —— 175A型农用柴油机曲轴
性能指标 ——σb>750MPa，整体硬度240～260HBS， 轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, aKU≥150kJ/m2。
选材 —— QT700-2
p174
机械性能
Si Cr
0.17~ 0.37
b MPa
600 980 980 980
s MPa 355 785 785 835
aKU2 J
39 47 47 63
0.37~ 0.44
0.37~ 0.45 0.32~ 0.40 0.35~ 0.42 0.37~ 0.45