第6章工程设计制造中的材料选择

（5）热处理工艺；淬透性，淬火是否变形、开裂。合金钢好于碳 钢。一定按工艺要求操作，如加热温度高或低的问题。
3）经济性原则 考虑材料的价格、成本。 如：材料本身价格，碳钢 低于 合金钢 低于 有色金属； 加工费用——设备简单、工序少、少切削加工，提高经济效益。 在大量生产中，设备寿命、加工质量等，合金钢比碳钢更经济。
4、典型零件的选材
轴类零件
1）工作条件：
（1）承受载荷传递动力——综合力学性能好。
（2）交变弯曲应力，扭转应力——疲劳强度高。
（3）冲击、震动（有时过载）——足够的韧性。
（4）高速旋转、较大摩擦—较高硬度、耐磨性，刚度好。
2）选材方法：P181
齿轮
1）工作条件 （1）整体受冲击力；（2）齿面受接触压力； （3） 齿根弯曲力； （4）表面磨损。
2）工作要求 （1） 表面有足够的硬度、耐磨性；（2）心部有足够的 强度、韧性；（3）弯曲疲劳强度要高。 3、选材方法：见P182-184 （1）低速、轻载荷齿轮——如机床中不重要的齿轮。 选：中碳钢 45 钢或40Cr钢——正火处理； 低速中等、较大载荷 ，选：45或40Cr——调质处理。 重载：选45、40Cr ——调质—高频表面淬火处理。
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。
四、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，
零件整体热处理标注示意图
零件局部热处理标注示意图
6.4 热处理结构工艺性与零件倾向变形开裂
（自学）
6.4热处理结构性与零件变形开裂倾向(自学)
谢谢
第6章
工程设计制造中的材料选择
6.1 零件的失效与失效类型 6.2 零件设计中的材料选择 6.3 零件制造加工过程中的热处理选择和安排 6.4 热处理结构工艺性与零件变形开裂倾向
第6章
本章重点
工程设计制造中的材料选择
1. 建立失效和失效分析的基本概念 2. 熟悉机械零件选材的一般原则 3. 掌握典型零件的选材、热处理方法及技术要求 确定、加工工艺路线分析
第6章
工程设计制造中的材料选择
6.1 零件的失效与失效类型
1、概念：指零件在使用过程中，由于某种原因不能工作或 虽能继续工作但已失去应有功能的现象，称为该零件失效。 2、失效形式：三种 （1）过量变形失效；（2）断裂失效； （3）表面损伤失效。 3、失效原因（1）设计方面；（2）选材方面；（3）加工 工艺是否合理；（4）安装如何；（5）操作规程。
5、渗碳，氮化工序——目的大大提高表面硬度、耐磨性。
特别是受冲击件，如 汽车齿轮；材料 20CrMnTi。
常见的热处理工艺路线见P188表6-4
二、钢铁普通热处理方案的选择 P189表6-5
三、钢铁表面热处理方案的选择
P189表6-6
四、 有色金属热处理方案的选择（自学）
铝合金常用工艺：
•均匀化退火：
表面淬火——采用高频淬火+低回，提高齿面硬度，要求。
箱体类零件
1）工作条件： 支承、封闭作用——足够的抗压强度和刚度，良好 的减振性。 2）选材方法：一般选用铸造毛坯。见P185-186
（1）工作平稳，承载不大用灰铸铁
（2）承载较大并受冲击的用球墨铸铁或铸钢 （3）单件小批生产的可用钢板焊接而成 注意：箱体零件铸造或焊接后有内应力存在，应去应力退 火或时效处理。
（2）中速：圆周速度6~10m/s
一般载荷下：选45钢、40Cr——调质、高频表面淬火处理。 比如：一般机床中的变速齿轮等。 重载荷下：选20Cr、20CrMnTi 经渗碳、淬火处理。 比如：拖拉机驱动齿轮等。 （3）高速、重载荷、较大冲击：选低碳合金钢；如： 20CrMnTi ; 20Mn2B——渗碳、淬火+低回。 比如汽 车、拖拉机 变速齿轮、后桥齿轮；精密机床中的传动齿 轮等。 另：低速、轻载大齿轮——选灰铸铁 或 球墨铸铁。 无润滑条件下工作，同时受力不大——选工程塑料；尼龙； 聚碳酸脂。 要求耐磨、速度又小（如手表、仪表齿轮）——不锈钢、 青铜合金件。
毛坯生产（铸造，锻造，焊接）→正火→切削加工
3、调质
主要提高综合力学性能；粗加工之后，半精加工或精加工之前。 下料→锻造→正火（退火）→粗加工→调质→精加工。
4、淬火、回火
（1）整体零件：——工艺路线如下 下料→锻造→正火（或退火） →粗加工（半精加工） →淬火 +高温（或低温）回火→磨削加工。 （2）表面淬火（感应加热表面淬火零件）：在调质之后； 下料→锻造→正火（或退火） →粗加工→调质→半精加工→ 表面淬火+低温回火→磨削加工。
调质
淬火+高温回火(安排在粗加工之后)
时效
消除内应力(粗加工前或粗加工后)
⑵ 热处理在工艺路线中的位置
1、退火 （完全退火、球化退火、去应力退火）
——在毛坯生产（铸造，锻造，焊接）之后，便于毛坯切 削加工。 其加工工艺路线如下： 毛坯生产（铸造，锻造，焊接）→退火→切削加工
Hale Waihona Puke 2、正火——在毛坯生产（铸造，锻造，焊接）之后，便于毛坯切 削加工。
△HBS≈30～40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。
• 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）。 • 标注位置及示例：
2、选材方法 1）以综合力学性能为主时的选材
如：结构零件：轴、杆、套类，承受动、静载荷作用。 选：中碳钢，中碳合金钢——调质处理。
2）以疲劳强度为主时选材
如：曲轴，齿轮，弹簧，滚动轴承等承受交变载荷。通过 热处理工艺提高性能；合理的零件结构；正确加工方法； 减少应力集中。选中碳钢——调质或淬火+中温回火；高 碳钢——淬火+低温回火；
举例：
普通车床C6140型的变速箱齿轮；
工作条件：承受载荷不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击。 性能要求：齿面：50HRC~53HRC；心部：220HBS~245HBS； 要求（1）选何种材料；（2）写出加工工艺路线；（3）说明各 热处理工艺的作用。 解：1、根据已知条件 ，选 45钢；（因价格较低，而不选40Cr） 2、工艺路线： 下料→锻造→正火→机械粗加工→调质→精加工→齿面 表面淬火→精磨 3、热处理工序作用： 正火——细化晶粒，调整硬度，消除应力。 调质——提高综合力学性能，硬度达到心部硬度要求。
6.3 零件制造加工过程中的热处理选择和安排
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。
一、热处理在工艺路线中的位置
(1)热处理在工艺路线中的位置的安排原则
•最终热处理一般安排在半精加工与最终的精加工（磨削 等）之间。 •预备热处理一般安排在粗加工之前
6.2 零件设计中的材料选择 1、 选材原则
1）使用性能原则：从零件工作环境、工作条件，考虑材 料的力学性能、物理性能、化学性能，满足使用要求。
2）工艺性原则
（1）铸造性能；流动性、收缩性来衡量。铸铁中，灰铸铁好。 （2）锻造性能；塑性变形抗力衡量。低碳钢性能优于高碳钢。 （3）焊接性；铝、铜合金焊接性差，铸铁基本不能焊，钢材可焊。 （4）切削加工性；硬度是否在170HBS—230HBS内，高速钢、耐热钢差。
3）以磨损为主时的选材
两种情况（1）磨损较大，受力较小——选高碳钢或高合 金钢——淬火+低回。（2）磨损同时受较大冲击力作用— —选低碳钢或低碳合金钢——渗碳、淬火+低回。一般称 “外硬而里韧”；如冷冲模，锯；汽车变速齿轮。
3、选材步骤
1) 分析零件工作条件，提出关键性能要求； 2) 同类产品的用材情况比较，进行调查研究； 3) 确定零件应具有的力学性能指标； 4) 初步选出所用材料的牌号，确定热处理方法，进行强化。 5) 对关键性零件投产前应先在实验室试验，是否达到各项 指标；必要时，还进行破坏性试验，检验材料性能。