工程材料第五章

一、齿轮选材 齿面硬度（决定弯曲 接触疲劳强度，耐磨性） 弯曲、 性能要求 —— 齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性） 选材 强度，韧性。 强度，韧性。
调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火 硬度、韧性高。 渗C钢 —— 硬度、韧性高。 钢 实例 —— 载重汽车变速箱齿轮 齿面硬度≥HRC55 。 性能指标 ——σb>1000MPa，aKU2≥50J ，齿面硬度 ， 齿面HRC≥58~63 。 选材 —— 20CrMnTi，σb > 1080MPa ， aKU2≥ 55J，齿面 齿面 预冷830℃油淬 + 200℃回火 最终热处理工艺 —— 930℃渗C + 预冷 渗 油淬 回火 心部：回火M 最终组织 —— 心部：回火 + F 齿面：回火 齿面：回火M + 碳化物 + A'
热处理条件 毛坯尺寸/ 毛坯尺寸/mm 5 850淬火 淬火 30 50 500回火 回火 100 600 13 40 750 700 15 15 80 56 σb / MPa 800 δ/ % 16 AKU / J 120
机加工、 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 预先热处理（正火、退火） 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 最终热处理（淬火＋回火，时效， 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 半精加工→ 时效（ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效 化
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 环氧树脂复合材料 碳纤维复材料 玻璃与资源原则 —— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程 贯穿材料生产、使用、 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。 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
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, 淬火 ℃
880／ 800 ／ 水, 油 880水, 油 水 850 油 880 ／ 870
机械性能 ≥ σb MPa
835 785 930 1080 1180 1180
作业5 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 欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮， 待选材料： 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 某汽车变速箱齿轮，要求 ，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。 一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。 试选一材料， 3. 某连杆螺栓，要求σb≥950MPa , σs≥700MPa，aKU2 ≥45J ，试选一材料，制定 连杆螺栓，要求 ， 最终热处理工艺，指出最终组织。 最终热处理工艺，指出最终组织。 （第2、3题的待选材料： 题的待选材料： 题的待选材料 H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、 45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）
σs MPa
540 590 735 835 835 1080
aKU2 J
47 55 47 55 78 63
中
油
950 ／ 850
高
空
880／ 780 ／
20Cr2Ni4A
油
back
调质钢的牌号（摘自 调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999） 的牌号 － ）
淬 透 性 主 要 成 分, % 钢号 C 45 低 40MnB 40Cr 中 35CrMo 38CrMoAlA 高 40CrMnMo 0.42~ 0.50 0.37~ 0.44 0.37~ 0.45 0.32~ 0.40 0.35~ 0.42 0.37~ 0.45 Mn 0.50~ 0.80 1.10~ 1.40 0.50~ 0.80 0.40~ 0.70 Al 0.7 ~1.1 0.90~ 1.20 Si Cr 0.17~ 0.37 0.20~ 0.40 Cr 0.8 ~1.10 Cr 0.8 ~1.10 Cr 1.35 ~1.65 Cr 0.9 ~1.20 淬火 ℃ 830~ 840水 水 850油 油 850油 油 850油 油 940 水，油 850油 油 回火 ℃ 580~ 640空 空 500 水，油 500 水，油 550 水，油 640 水，油 600 水，油
强度，塑性 强度， 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， 弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
传动齿轮 弹簧
压、弯 扭、弯
温度，介质（如腐蚀，摩擦）。 ２. 工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 ３. 特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 如强硬度、塑韧性等的具体数值。 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、 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 钢不同尺寸毛坯的力学性能
锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→ 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 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。 性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 ）、球墨铸铁 选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 型农用柴油机曲轴 实例 —— 175A型农用柴油机曲轴 型农用 性能指标 ——σb>750MPa，整体硬度 ，整体硬度240～260HBS， 轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, aKU≥150kJ/m2。 轴颈表面硬度 选材 —— QT700-2 热处理工艺 —— 880~920℃正火 + 500～600℃回火 + 轴颈 N化 正火 回火 化 最终组织 —— P + G + 少量F 少量 工艺路线 —— 铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈 N化 铸造→高温正火→高温回火→机加工→ 化
渗C钢的牌号（摘自 钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C: 930℃，回火：200 ℃） ） ℃ 回火：
淬 透 性 低
20MnV 0.17~0.24 0.17~0.23 0.17~0.23 0.13~0.19 0.17~0.23 1.30~1.60 0.90~1.20 0.80~1.10 W0.8~1.2 0.30~0.60 0.90~1.20 1.00~1.30 1.35~1.65 4.0~4.5 1.25~1.65 3.25~3.75 20CrMn 20CrMnTi 18Cr2Ni4WA
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
开发新产品、产品的改进和更新换代。 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 塑性变形。 变形 —— 弹、塑性变形。 塑性，疲劳断裂。 断裂 —— 脆、塑性，疲劳断裂。 磨损、腐蚀等。 表面损伤 —— 磨损、腐蚀等。 设计、材料、加工、安装和使用。 零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。 工作条件
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。 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. 材料的使用性能、工艺性能和经济性。 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。 典型零件的加工工艺路线。 零件失效的概念。 零件失效的概念。
p174
机械性能 ≥ σb MPa ≥600 980 980 980 980 980 σs MPa ≥355 785 785 835 835 785 aKU2 J 39 47 47 63 71 63
back
调质钢回火时性能的变化 调质钢回火时性能的变化
p130
back
C620 车床主轴
p336
back
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% 基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的 制造（加工）成本 约占零件成本的30% 制造（加工）料 —— 约占零件成本的 材 美元 / t
金 钨 钛合金 黄铜（型材） 黄铜（型材） 铝合金（型材） 铝合金（型材） 低碳钢（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
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 过量变形， 疲劳断裂， 疲劳断裂，过量变形 ，轴颈磨损 断齿，磨损， 断齿，磨损， 疲劳断裂， 疲劳断裂，接触疲劳 弹性失稳， 弹性失稳， 疲劳破坏