机械工程材料ch7机械零件的失效和选材
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选材 —锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）
铸造曲轴（球墨铸铁）
锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
3rew
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2020/11/18
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•轴承外机圈械塑工程性材料变ch形7机械零件的失效和
选材
•潘存云教 授研制
•潘存云教授研制
•轴瓦磨损
•齿面接触疲劳
•失效统计：
• •
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断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•常见零件的工作条件和失效形式
•零件
•工作条件
•应力 •载荷 •受载 种类 性质 状态
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例 2： 机床齿轮
❖ 机床齿轮的工作条件 ：工作条件较好，载荷不大，转速 中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接 触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保 证高的传动精度和小的工作噪声。
❖ 选材 ：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。
局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、 而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。
渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较 好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。
喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一
层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。
•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
•常见失效形式
•性能要求
•螺栓 •拉、剪 •静载 •-- •过量变形，断裂
•强度，塑性
•传动轴
•弯、扭
•循环 冲击
•传动齿轮 •压、弯
•循环 冲击
•轴颈 摩擦
•疲劳断裂，过量变 形
，轴颈磨损
•综合力学性能
•摩擦 振动
•断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲
劳
•表面高硬度及疲劳极 限
，心部强度及韧性
•弹簧
•扭、弯
•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. 能源消耗少
•
•Fe •Al
•可用年 •1数28
•再生率(%) •31.7
•35
•16.9
• 3. 环境污染小
• 废气排放少
• 材料回收及降 解
•Cu •32 •Zn •24 •W •47 •Ag •15 •Mn •14
机械工程材料-ch7机械 零件的失效和选材
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2020/11/18
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§1 选材原则
•1、选材的动机 — 产品开发、改进、更新换代。
•2、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
• 零件失效类型
•
变形 — 弹、塑性变形。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•常用机床主轴选用的材料及热处理方法
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例2、 内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定
•175A型农用柴油机曲轴
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•40.9 •21.2
•41.0
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•Ni
•49 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§2 典型零件的选材与工艺
• 一、齿轮选材
❖ 性能要求 ：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨 性），强度，韧性。
❖ 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部）， 齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）
高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利
于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力
防止表面发生麻点剥落。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
• 二、轴类零件选材
❖ 性能要求 ：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用 ，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到 冲击作用，轴颈尚需耐磨。
• 性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度， 轴颈耐磨性。
• • •
• • •
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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>650MPa，整体硬度220～ 260HBS，轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, AK≥15J。
→ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•三、经济性 —— 根本原则
• １. 产品成本分析
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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%
38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效 机械工程材料ch7机械零件的失效和
选材
•C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐 磨性高。
• 性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。 • 选材 —— 45钢，整体硬度220～250HB，轴颈表面淬火 硬度52~57HRC。 • 热处理工艺 —— 840℃水淬 + 600℃回火(水或油冷） + 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 —— 下料→锻造→正火→粗加工→调质→半 精加工→表面淬火＋低温回火→磨削→零件
❖ 选材：
调质钢 →最终热处理：调质 + 表面淬火 + 低温回火
•
渗C钢 →最终热处理：渗碳后淬火处理。
•
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中高碳钢→最终热处理：调质处理后表面淬火。
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例1 ： 载重汽车变速箱齿轮
• 性能指标 ——σb>1000MPa，AK≥50J ，齿面硬度≥HRC55 。
•
加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批
量
•材 料
•元 / kg
•材 料
•元 / kg
•铂
•290,000
•Zn
•34
•金
•160,000
•铝
•21
•银
•3,500
•40Cr
•3.7
•钛
•200
•碳钢
•3.3
•铜
•68
•生铁
•2.3
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
工艺路线：下料→ 锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→ 齿部高频加热表面淬火+低温回火
正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力， 细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。
调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部 具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载 荷，同时还可以减少淬火后的变形。
• 选材 —— 20CrMnTi，20SiMnVB等，σb > 1080MPa ， AK≥ 55J，齿面HRC≥58~63 。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
➢工艺路线 ：下料→ 锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、 淬火＋低温回火→喷丸→磨削→零件
正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便 于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。
•
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。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•零件失 效的实例
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
•轴承内圈破裂
•齿轮轮齿折断
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
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•轮齿塑性变形
❖ 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨 损失效，冲击过载造成的断裂失效等。
❖选材：
碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素结构钢 ，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例1、 C620机床主轴选材
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•
• • • • • • • •
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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
•交变 冲击
•振动
•弹性失稳， 疲劳破坏
•弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•２.工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。
• ３.特殊功能 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
• ４.性能的指标化 —— 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
•σb / MPa
•δ/ •AKU /
%
J
•5
•800 •16 •120
•850淬火
•30
•750 •15 •80
•500回火
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•50 •100
•700 •15 •56
•600 •13 •40 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
铸造曲轴（球墨铸铁）
锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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•轴承外机圈械塑工程性材料变ch形7机械零件的失效和
选材
•潘存云教 授研制
•潘存云教授研制
•轴瓦磨损
•齿面接触疲劳
•失效统计：
• •
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断裂仅占5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•常见零件的工作条件和失效形式
•零件
•工作条件
•应力 •载荷 •受载 种类 性质 状态
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例 2： 机床齿轮
❖ 机床齿轮的工作条件 ：工作条件较好，载荷不大，转速 中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接 触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保 证高的传动精度和小的工作噪声。
❖ 选材 ：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。
局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、 而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。
渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较 好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。
喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一
层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。
•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
•常见失效形式
•性能要求
•螺栓 •拉、剪 •静载 •-- •过量变形，断裂
•强度，塑性
•传动轴
•弯、扭
•循环 冲击
•传动齿轮 •压、弯
•循环 冲击
•轴颈 摩擦
•疲劳断裂，过量变 形
，轴颈磨损
•综合力学性能
•摩擦 振动
•断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲
劳
•表面高硬度及疲劳极 限
，心部强度及韧性
•弹簧
•扭、弯
•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. 能源消耗少
•
•Fe •Al
•可用年 •1数28
•再生率(%) •31.7
•35
•16.9
• 3. 环境污染小
• 废气排放少
• 材料回收及降 解
•Cu •32 •Zn •24 •W •47 •Ag •15 •Mn •14
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2020/11/18
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§1 选材原则
•1、选材的动机 — 产品开发、改进、更新换代。
•2、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
• 零件失效类型
•
变形 — 弹、塑性变形。
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•常用机床主轴选用的材料及热处理方法
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例2、 内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定
•175A型农用柴油机曲轴
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•40.9 •21.2
•41.0
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•Ni
•49 机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•§2 典型零件的选材与工艺
• 一、齿轮选材
❖ 性能要求 ：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨 性），强度，韧性。
❖ 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部）， 齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）
高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利
于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力
防止表面发生麻点剥落。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
• 二、轴类零件选材
❖ 性能要求 ：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用 ，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到 冲击作用，轴颈尚需耐磨。
• 性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度， 轴颈耐磨性。
• • •
• • •
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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>650MPa，整体硬度220～ 260HBS，轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, AK≥15J。
→ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
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•三、经济性 —— 根本原则
• １. 产品成本分析
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
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%
38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效 机械工程材料ch7机械零件的失效和
选材
•C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐 磨性高。
• 性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。 • 选材 —— 45钢，整体硬度220～250HB，轴颈表面淬火 硬度52~57HRC。 • 热处理工艺 —— 840℃水淬 + 600℃回火(水或油冷） + 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 —— 下料→锻造→正火→粗加工→调质→半 精加工→表面淬火＋低温回火→磨削→零件
❖ 选材：
调质钢 →最终热处理：调质 + 表面淬火 + 低温回火
•
渗C钢 →最终热处理：渗碳后淬火处理。
•
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中高碳钢→最终热处理：调质处理后表面淬火。
机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
•实例1 ： 载重汽车变速箱齿轮
• 性能指标 ——σb>1000MPa，AK≥50J ，齿面硬度≥HRC55 。
•
加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批
量
•材 料
•元 / kg
•材 料
•元 / kg
•铂
•290,000
•Zn
•34
•金
•160,000
•铝
•21
•银
•3,500
•40Cr
•3.7
•钛
•200
•碳钢
•3.3
•铜
•68
•生铁
•2.3
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
工艺路线：下料→ 锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→ 齿部高频加热表面淬火+低温回火
正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力， 细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。
调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部 具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载 荷，同时还可以减少淬火后的变形。
• 选材 —— 20CrMnTi，20SiMnVB等，σb > 1080MPa ， AK≥ 55J，齿面HRC≥58~63 。
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机械工程材料ch7机械零件的失效和 选材
➢工艺路线 ：下料→ 锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、 淬火＋低温回火→喷丸→磨削→零件
正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便 于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。
•
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。
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•零件失 效的实例
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
•轴承内圈破裂
•齿轮轮齿折断
•潘存云教授研制
•潘存云教授研制
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•轮齿塑性变形
❖ 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨 损失效，冲击过载造成的断裂失效等。
❖选材：
碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素结构钢 ，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。
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•实例1、 C620机床主轴选材
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• • • • • • • •
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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
•交变 冲击
•振动
•弹性失稳， 疲劳破坏
•弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
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•２.工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。
• ３.特殊功能 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
• ４.性能的指标化 —— 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
•σb / MPa
•δ/ •AKU /
%
J
•5
•800 •16 •120
•850淬火
•30
•750 •15 •80
•500回火
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