机械工程材料第6章典型零件选材
典型零件选材及工艺分析
艺 加工→渗碳、淬火及低温回火→
喷丸→磨内孔及换档槽→装配。
1.2 轴
轴是机器的重要零件之一， 它的主要作用是支承回转体，并传 递动力。
1.2 轴
轴的工作条件、失效形式及性能要求
（1）轴的工作条件
•承受交变转矩拉一压载荷； •轴颈、花键等部位承受较大 的摩擦和磨损； •承受一定的过载或冲击载荷。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
（2）汽车、拖拉机齿轮
下面以JN150型载重汽车 （变速箱中第二轴 的二、三挡齿轮为 例进行分析。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
（2）汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖 拉机齿轮生产批量 大，因此选择用钢 时除有较好的力学 性能外，还应有较 好的工艺性能。
1.1 齿轮
齿轮的选材工艺分析
轴的选材及工艺分析
具体加工工艺路线如下：
工
艺
下料→锻造→正火→粗加工→调质→ 半精车外圆，钻中心孔，精车外圆；
铣键槽→局部淬火（锥孔及外锥体） →车各空刀槽，粗磨外圆，滚铣花键 →花键高频淬火、回火→精磨（外圆、 外锥体及内锥孔）
1.2 轴
（2）内燃机曲轴
曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件， 它在工作时，受气缸中周期性变化的气体压力，曲 轴连杆机构的惯性力，扭转和弯曲应力及冲击力等。
因此要求曲轴具有高的强度，一定的冲击韧 度和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要有高的硬度 和耐磨性。
内燃机曲轴材料的选择主要根据内燃机的类 型，功率大小，转速高低以及轴瓦材料等。
1.2 轴
轴的选材及工艺分析
选
•低速内燃机曲轴采用正火状态的碳素 钢或球墨铸铁；
材
•中速内燃机曲轴采用调质状态的碳素
典型零件的选材
材料选用的原则与方法机械零件的选材是一项十分重要的工作。
选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。
要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质和大小，以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。
选用工程材料的基本原则是：不仅要充分考虑材料的使用性能能够适应机械零件的工作条件要求、使机器零件经久耐用．同时还要兼顾材料的加工工艺性能、经济性与可持续发展性，以便提高零件的生产率、降低成本、减少能耗、减少乃至避免环境污染等。
选材的一般方法材料的选择是一个比较复杂的决策问题。
目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。
它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。
通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。
一般，根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。
零件材料的合理选择通常按照以下步骤进行：(1) 对零件的工作条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要性能指标。
一般地，主要考虑力学性能，特殊情况还应考虑物理、化学性能。
(2) 调查研究同类零件的用材情况，并从其使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考。
(3) 根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。
这时要综合考虑所选材料应满足失效抗力指标和工艺性的要求，同时还需考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。
(4) 决定热处理方法或其他强化方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。
(5) 审核所选材料的经济性，包括材料费、加工费、使用寿命等。
(6) 关键零件投产前应对所选材料进行试验，可通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验等，最终确定合理的选材方案。
机械工程典型零件的选材原则
机械工程典型零件的选材原则一、典型零件的选材1．轴类轴类零件主要依据载荷的性质、大小及转速凹凸，精度和表面粗糙度要求，轴的尺寸大小以及有无冲击、轴承种类等来选材。
(1)主要承受弯矩、扭矩的轴，如机床主轴、曲轴、汽轮机主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等，常选45、40Cr、40MnB 和45Mn2等，先经调质处理，再在轴颈处进行高、中频淬火及低温回火。
(2)同时承受弯矩、扭矩及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，常选用30CrMnSi、40MnB、40CrNiMo等。
一般也是先经调质处理，然后再进行高频淬火、低温回火。
(3)要求轴颈处耐磨的轴，常选中碳钢经高频淬火，将硬度提高到52HRC以上。
(4)承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的外形复杂的轴，如汽车、拖拉机的变速轴等，可选低碳合金钢（18Cr2NiWA、20Cr、20CrMnTi等），经渗碳淬火、低温回火处理。
(5)要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，而且在热处理时变形量要小，长期使用过程中要保证尺寸稳定，如高精度磨床主轴，选用渗氮钢38CrMoAIA，进行氮化处理，使表面硬度达到1100-1200HV(69-72HRC)，心部硬度230-280HBS。
2．齿轮齿轮选材的主要依据是齿轮的工作条件、性能要求、失效形式等。
(1)硬度和耐磨性要求不很高，对冲击韧度要求一般的中，低速和载荷不大的中、小型传动齿轮，如车床、钻床等变速齿轮，可选用中碳钢或中碳合金钢，并经调质处理。
(2)运动速度高、重载、冲击较大的重要齿轮，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、驱动桥齿轮等，可选用20CrMnTi、20Cr、20CrMo等，调质后渗氮。
(3)外形复杂、难以锻造的大型齿轮，如起重机齿轮，可选用ZG270-150、ZC310-570、ZG340-640、ZG40Cr等。
(4)仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作的轻载齿轮，可选用黄铜、铝青铜、锡青铜等。
二、箱体、底座箱体、底座类零件是机械中的重要零件之一，其外形不规则、内外结构都比较复杂，工作条件相差也很大。
机械零件的选材
机械零件的选材在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。
机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。
1、工程材料的强化方式：固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。
2、工程材料的韧化途径：细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。
一、选材的基本原则＊满足机件的使用性能要求＊较好的加工工艺性＊较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。
（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。
②工作环境一一温度、介质的性质等③特殊要求的性能一一电、热、磁、比重、外观等失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。
如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。
（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求f可测的实验室性能指标f初选一般根据设计手册的数据选材，应注意：*材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。
*材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。
*材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的手册一般给出：a s 、。
b、6、中、ak目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。
2、材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。
机械零部件的选材分析与案例分享
机械零部件的选材分析与案例分享1、选用材料应考虑的一般原则①使用性原则：保证零件完成规定功能的必要条件。
分析零件的工作条件，确定使用性能。
零件受力情况：拉、压、弯、扭环境状况：工作温度，介质特殊要求：热、电、磁进行失效分析，确定使用性能：磨损、断裂、变形从零件的使用性能要求，提出对零件的性能要求。
②材料的工艺性能应满足加工要求（也称工艺性能原则）③材料还应具有较好的经济性（也称经济性原则，不是越便宜越好）2、选材的一般步骤和应注意的问题①选材的一般步骤分析零件的工作条件及失效形式，提出关键的性能要求同时兼顾其他性能；与成熟产品相同类型的零件，采用经验类比法；确定零件应具有的主要性能指标值；初步选定材料牌号，并决定热处理和其它强化方法；关键部件批量生产要通过实验验证。
②选材应注意的问题实际性能和实验数据，考虑尺寸效应；加工工艺和热处理工艺，最大限度的发挥材料潜能；注意材料成分偏差引起相变点变化。
3、齿轮类零件的选材①齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。
工作时的受力情况1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。
2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。
主要失效形式1）疲劳断裂。
主要发生在齿根。
它是齿轮最严重的失效形式。
2）齿面磨损。
3）齿面接触疲劳破坏。
4）过载断裂。
齿轮用材性能要求1）高的弯曲疲劳强度2）高的接触疲劳强度、硬度和耐磨性3）齿轮心部要有足够的强度和韧性4）较好的工艺性能②机床齿轮性能要求：机床齿轮转速中等，载荷不大工作平稳，无强烈冲击，对齿轮心部强度和韧性要求不高。
选材：中等碳量的碳素钢或合金钢：４５钢、４０Cr热处理：正火－调质－高频淬火及回火加工工艺路线：下料－锻造－正火－粗加工－调质－精加工－高频淬火及回火－精磨③汽车拖拉机齿轮性能要求：工作条件比机床恶劣，受力较大，超载和受冲击频繁，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面比机床高。
7.2典型机械零件的选材分析
2、常见的失效形式
❖ 轮齿折断： 疲劳断裂、冲击过载断裂；
❖ 齿面接触疲劳破坏：点蚀； ❖ 齿面磨损：
摩擦、磨损—胶合，磨粒磨损； ❖ 过量的塑性变形等。
3、主要性能要求
1）轮齿根部具有高的弯曲疲劳强度； 2）齿面具有高的接触疲劳强度、高的表面
硬度和耐磨性； 3）轮齿心部具有足够高的强度和冲击韧性； 4）良好的切削加工性、淬火变形要小，易
析
无 作振 轮电 工
润 温、 等器
；
5、典型齿轮的选材
1）机床齿轮 ✓ 中速、载荷不大、运转平稳、无强烈冲击 调质钢，如45、40Cr等 加工工艺： 锻造→正火①→粗加工→调质②→精加工→
表面淬火③＋低温回火→精磨 见表7-5
典型齿轮的选材.1
✓ 对性能要求不高的的一般齿轮 锻造→粗加工→正火① →精加工→表面淬
▪ 铣床主轴，可选QT700-2； ▪ 镗床主轴，可选38CrMoAlA渗氮； ▪ 转速较高，承受冲击载荷的轴 选用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi
渗碳、淬火＋低温回火； 见表7-7
典型轴类零件的选材.2
2）内燃机曲轴 中低速选调质钢，如45、40Cr等
或球墨铸铁，如QT700-2； 高速选用高强度合金钢，如35CrMo等。 加工工艺： 锻造→正火→粗加工→调质→精加工→轴
.8
5
6
仪 滑表 齿、 轮小 。型
机 械 的
重 度噪量 低音轻
小、 ，摩 但擦 强系 度数
） 工 程 塑 料 齿 轮
汽 齿车 轮发 、动 柴机 油定 机时 凸齿
可 少 切 削 或 无 切 削
） 粉 末 冶 金 齿 轮
齿 轮 类 材 料 的 选
机械工程材料知识点思维导图复习资料-常用零件选材
机械工程材料知识点思维导图复习资料-常用零件选材.WPS【珍惜当下，不负遇见】（本文档共【4 】页/【1559 】字）单位姓名20XX年X月常用零件选材⒈掌握轴类零件选材⑴轴常用材料调质钢（45、…）、合金调质钢（40Cr、40MnB、…）、合金渗碳（20CrMnTi、…）、专用氮化钢（38CrMoAlA）、…等⑵机床轴按工作条件分为三类。
1）轻载主轴：低工作载荷＋小冲击载荷＋轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。
45钢、调质或正火处理，耐磨的部位高频表面淬火强化。
2）中载主轴：中等载荷＋磨损较严重＋有一定冲击载荷，例如铣床主轴。
合金调质钢，如40Cr钢，经调质处理，耐磨部位进行表面淬火强化。
3）重载主轴工作载荷大＋磨损严重＋冲击载荷都严重，组合机床主轴。
20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。
4）高精度主轴精密镗床的主轴。
一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。
⑶重点掌握轴类零件加工工艺路线CM6140车床主轴：轻载主轴工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。
45钢、调质或正火处理，耐磨的部位高频表面淬火强化。
选材：45钢热处理技术条件：整体调质、硬度220～250HBS；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度52～58HRC加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火及低温回火→磨削加工主轴(45钢)采取各种热处理工艺锻造---热加工，可以改善铸态组织，提高材料致密度和力学性能正火目的---在于得到合适的硬度，便于切削加工；改善锻造组织，为调质做准备调质---淬火+高温回火，得到的组织为回火索氏体，使主轴得到较高的综合机械性能和疲劳强度，还为最终的高频表面淬火做准备。
安排在粗加工之后，半精加工之前。
轴颈和锥孔：进行表面淬火+低温回火，目的在于提高硬度，增加耐磨性。
⒉重点掌握齿轮类零件材料选择材料的要求：高的接触疲劳强度、高的抗弯强度、良好的切削性能、淬火性能齿轮常用材料：锻钢、优质碳素钢： 45、合金调制合金钢： 40Cr、合金渗碳钢20CrMnTi、…1）轻载齿轮：低工作载荷＋小冲击载荷＋轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。
机械零件选材
2、压力加工性能：包括冷、热压力加工， 要求高的塑性和低的变形抗力及可热加工的 温度范围、抗氧化性和加热、冷却要求等。 变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性 能好，高碳钢较差，铸铁则不能锻造。 3、焊接性能：焊缝处形成冷裂或热裂及形 成气孔的倾向。 钢含碳量愈高，焊接性愈差，故可以 把钢中含碳量的多少作为判断钢材焊接性的 主要依据。低碳钢的焊接性能好，高碳钢及 铸铁的焊接性能差。
该工艺路线中正火的作用是细化均匀 组织，消除锻造应力，改善切削加工性； 渗碳的作用是提高齿轮表面含碳量 （0.8%～1.05%）；淬火的作用是获得一 定深度的淬硬层（0.8～1.3mm），提高齿 面耐磨性和接触疲劳强度；低温回火的作 用是消除淬火应力，防止磨削裂纹，提高 冲击抗力。
2、轴类零件
用途：支承传动零件并传递运动和动力。 工作条件：承受交变弯曲应力和扭转应力，有时也
受冲击载荷作用，轴颈和锥孔表面受摩擦。 材料：载荷和转速不高时选45钢；承受较 大载荷的车床主轴选40Cr；等。 工艺路线： 备料 锻造 正火 机械粗加工 调质 机械精加工 轴颈部位表面淬 火+低温回火 磨削
正火：消除锻造应力，调整硬度便于
选材：低速内燃机曲轴用正火态的45钢或
球墨铸铁；中速曲轴用调质态的45钢或中 碳合金钢（40Cr）或球墨铸铁；高速曲轴 用高强度合金钢（35CrMo、42CrMo） 工艺路线： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工 →轴颈表面淬火+低温回火→精磨 球墨铸铁制造曲轴工艺路线： 熔炼→铸造→高温正火→高温回火→机械加 工→轴颈气体渗氮
切削加工，改善锻造组织，为调质做 准备。 调质：获得高的综合力学性能，提高 疲劳强度和抗冲击能力。 轴颈部位表面淬火+低温回火：使轴颈 部位获得高硬度和高耐磨性。
典型零件的选材及加工工艺路线分析讲解材料
轻量化
减轻材料重量，提高产品机动性，降低能源 消耗和排放。
环保化
发展可再生、可回收、可降解的材料，减少 对环境的污染。
智能化
研究具有自适应、自修复、自感应等功能的 智能材料。
新材料的研究与开发
碳纤维复合材料
具有高强度、轻质、耐高温等优点，广 泛应用于航空航天、汽车等领域。
高分子合成材料
具有优良的化学稳定性、绝缘性、耐 磨性等，在建筑、电子、化工等领域
03
材料的应用与发展趋势
材料的应用领域
01
航空航天
用于制造飞机、火箭等高强度、轻 质材料。
建筑领域
用于制造桥梁、高层建筑等高强度、 高耐久性材料。
03
02
汽车工业
用于制造发动机、变速器等耐磨、 耐高温材料。
电子产品
用于制造集成电路、晶体管等精密、 小型化材料。
04
材料的发展趋势
高性能化
提高材料的强度、硬度、耐高温等性能，以 满足更高要求的工业应用。
可加工性原则
材料应具有良好的可加工性， 以便于零件的制造和加工。
可维修性原则
材料应易于维修和更换，以提 高零件的使用寿命和降低维修 成本。
常用材料介绍
钢铁
钢铁是机械制造业中应用最广泛的材料之一，具 有高强度、良好的韧性和耐磨性。
铜及铜合金
铜及铜合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀 性和加工性能，广泛应用于电气、电子、化工等 领域。
实例二：齿轮类零件的选材与加工工艺
灰铸铁
用于制造一般用途的齿轮，如减速器齿轮等。
球墨铸铁
用于制造高强度、高耐磨性的齿轮，如汽车变速毛坯准备
根据零件材料和尺寸要求，准备毛坯。
粗加工
机械工程材料 第五、六章 工业用钢和铸铁
相当于是在Q235的基础上多添加了0.6～0.8%的 Mn。 3应用 桥梁钢构、船用钢板、车用钢板等。
5-3
南京长江大桥中的钢结构
上海卢浦大桥
5-3
5-3
“利丰南海”—2005年温州地区造 船企业在本土建造的第一艘万吨级 （11000T）国际航线集装箱船
温州船舶建造企业制造—2.3万吨散货 船瑞盛10号，2007年12月25日上午在乐清市 七里港顺利下水
5-1
合金工具钢
用“数字＋元素符号＋数字”表示
例：
9 Mn 2
表示该钢含有钒元素，平均wV小于 1.5% 表示该钢含有锰元素，平均wMn为2%
V
表示wC的千分之几
滚动轴承钢
用“G＋数字”表示
例： G
Cr 1 5
表示该钢含有铬元素，平均wCr为1.5%
“滚动轴承钢”的汉语拼音字头
5-1
不锈钢
第五章 工业用钢
钢的分类、编号、杂质元素 结构钢、工具钢、特殊性能钢
5-1
钢 ：以铁为主要元素，碳一般在2.11%以下并含有其他元素的材料
工业用钢中的元素： 主要元素：碳； 常存元素：锰、硅、硫、磷； 偶存元素：铜、钛、钒、稀土元素； 隐存元素：氧、氢； 合金元素：铬、镍、钨、钼、钒、钛、锰、硅、铜、磷 等。 （Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、Cu、Co、 N、B、RE；）
wMn对区的影响
wCr对区的影响
5-2
3、合金元素对钢的热处理的影响
①对奥氏体化的影响 除Ni、Co外，大多数合金元素都延缓钢的奥氏体化过程。 它们阻碍C、Fe的扩散，因此合金钢的A化温度较高、时间较长。 ②对奥氏体晶粒度的影响 除Mn外，几乎所有合金元素都细化晶粒。 以碳化物的细化晶粒效果最显著，阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。 ③对钢的淬透性的影响 除Co外，大多数合金元素，都提高淬透性。 ④对钢的回火稳定性的影响
机械零件选材跟加工路线资料
弯路。
7
例：右图为金属材料的室 温拉伸或冲击试样的断口 宏观观察，可以看到其断 口分为：
F - 纤维状区 R - 放射状区 S - 剪切唇区
8
第一节 机械零件的失效形式
不同断裂的实物比较：
塑性断裂
脆性断裂
疲劳断裂
9
第一节 机械零件的失效形式
不同断裂的显微特征：
塑 （性 韧断 窝裂
疲 劳 断
）断 口
磨粒磨损示意图
14
第一节 机械零件的失效形式
⑴ 磨损失效
犁削磨损 硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，
在较软材料的表面形成“犁沟”。
犁削磨损示意图
15
第一节 机械零件的失效形式
不同磨损的墨痕：
粘着磨损磨痕
磨粒磨损磨痕
犁削磨损磨痕
表面疲劳磨损
两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交
变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失
6
第一节 机械零件的失效形式
二、断裂
是金属材料最严重的失效形式，特别是在 没有明显塑性变形的情况下突然发生的脆性断 裂，往往会造成灾难性事故。
防止脆断的方法：准确分析零件所受应力及应 力集中的情况，选择满足强度要求并具有一定 塑性和韧性的材料。
断口分析：是断裂失效分析的核心，同时又是
断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走
第一节 机械零件的失效形式 第二节 选材的基本原则 第三节 热处理方案的选择及热处理技术的标注 第四节 预防和控制热处理变形的方法及措施 第五节 典型零件选材与工艺分析
1
第一节 机械零件的失效形式
零件失效的情况：
① 完全破坏不能使用；
② 虽然能工作但是不能满意地起到预定的作用；
〖机械〗典型零件的选材及工程材料的应用
第二节 典型零件的选材及工艺路线设计
齿轮类零件 轴类零件 弹簧类零件
传动轴
一、齿轮类零件的选材
1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求 齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于
传递扭矩和调 节速度。
〔1〕工作时的受力情况 1〕由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。 2〕齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并
工艺性原那么 材料的工艺性能表示材料加工的难 易程度。
高分子材料的加工工艺简单,切削性好,但导热性差
陶瓷材料的加工工艺简单,主要工艺是成型.
金属材料的加工工艺复杂,变化多.其加工工艺路线 大体可分为:
1.性能要求不高的零件 2.性能要求较高的零件 3.性能要求较高的精密零件
经济性原那么 是选材的重要原那么之一， 一般
〔2〕主要失效形式 1〕疲劳断裂。 主要发生在齿根。它是齿轮最
严重的失效形式。 2〕齿面磨损。 3〕齿面接触疲劳破坏 。 4〕过载断裂。
〔3〕齿轮用材性能要求 1〕高的弯曲疲劳强度 2〕高的接触疲劳强度和耐磨性 3〕齿轮心部要有足够的强度和韧性
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二、轴类零件的选材
1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求 〔1〕一般轴的工作条件 1〕传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和
拉、压载荷。 2〕轴颈承受较大的摩擦 3〕承受一定的冲击载荷
〔2〕主要失效形式 1〕疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用 2〕断裂失效 大载荷或冲击载荷作用 3〕磨损失效 轴颈或花键处过度磨损
认真执行下述有关补充规定。
1．夹具或大型工件的实置(安装)，应 使工作 台受力 均匀， 防止受 力不均 导致工 作台变 形。
典型零件的选材
材料选用的原则与方法机械零件的选材是一项十分重要的工作。
选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。
要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质和大小，以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。
选用工程材料的基本原则是：不仅要充分考虑材料的使用性能能够适应机械零件的工作条件要求、使机器零件经久耐用．同时还要兼顾材料的加工工艺性能、经济性与可持续发展性，以便提高零件的生产率、降低成本、减少能耗、减少乃至避免环境污染等。
选材的一般方法材料的选择是一个比较复杂的决策问题。
目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。
它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。
通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。
一般，根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。
零件材料的合理选择通常按照以下步骤进行：(1) 对零件的工作条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要性能指标。
一般地，主要考虑力学性能，特殊情况还应考虑物理、化学性能。
(2) 调查研究同类零件的用材情况，并从其使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考。
(3) 根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。
这时要综合考虑所选材料应满足失效抗力指标和工艺性的要求，同时还需考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。
(4) 决定热处理方法或其他强化方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。
(5) 审核所选材料的经济性，包括材料费、加工费、使用寿命等。
(6) 关键零件投产前应对所选材料进行试验，可通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验等，最终确定合理的选材方案。
机械制造基础项目6典型零件的选材与热处理工艺
06
任务浏览
任务6.1 零件失效分析
知识目标
➢ 了解零件的失效形式及原因。 ➢ 掌握典型零件材料的选择。
能力目标
➢ 掌握热处理工艺设计方法。 ➢ 能进行典型零件的选材及热处理分析。
任务6.2 典型零件的选材及热处 理工艺分析
6.1.1 零件的失效形式
任务6.1 零件失效分析
如果零件在使用过程中，由于尺寸、形状和材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能，即为失效。 一般机器零件常见的失效形式有以下三种：
任务6.2 典型零件的选材及热处理工艺分析
6.2.2轮盘类零件
5.典型齿轮的选材、热处理及工序安排
（1）机床齿轮 机床齿轮负荷特点是运转平稳、负荷不大，条件较好。一般选用材料为45钢。 热处理技术条件是经正火或调质后再经高频感应加热表面淬火后硬度为160～217 HBS；表面高频淬火、 回火后硬度为50～55 HRC。 机床齿轮的工艺路线为：锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→高频淬火、回火→精磨。
任务6.2 典型零件的选材及热处理工艺分析
6.2.1轴类零件
1.工作条件 轴类零件在机器中起支持回转零件并传递运动和扭矩的作用。工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用。
2.主要失效形式 主要有以下几种： 一是断裂，长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）； 二是轴的相对运动表面的过度磨损； 三是过量扭转或弯曲变形（弹性的和塑形的）； 四是有时还可能发生腐蚀失效。
3.加工工艺因素 加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不 合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。
4.安装使用不当因素 零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂里管理比较严格的情况 下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。
机械工程材料第6章典型零件选材
一、轴类零件选材
1、轴类零件的工作条件与性能要求：
1）工作条件： 轴的功能是支承旋转零件、传递动力或运动。轴类零件是机床、汽车、 拖拉机以及各类机器的重要零件之一。主要失效形式有以下几种：断裂， 大多是疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；发生过量弯曲或扭转变形； 此外，有时还可能发生振动或腐蚀失效。 2）性能要求： ①良好的综合力学性能，即强度和塑性、韧性有良好的配合，以防止过 载或冲击断裂；②高的疲劳强度，防止疲劳断裂；③有相对运动的摩擦 部位（如轴颈、花键等处），应具有较高的硬度和耐磨性。 轴类零件一般按强度、刚度计算和结构要求进行零件设计与选材。通过 强度、刚度计算保证轴的承载能力，防止过量变形和断裂失效；结构要 求则是保证轴上零件的可靠固定与拆装，并使轴具有合理的结构工艺性 及运转的稳定性。
3、典型轴的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线：
1）机床主轴
CM6140车床主轴的简图如右图所 示。该轴承受交变弯曲和扭转的复 合应力，载荷和 转速不高，冲击载 荷也不大，属于中等载荷的轴。但 大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之 间有摩擦，这些部位要求有较高的 硬度和耐磨性。
CM6140车床主轴的选材、热处理及加 工工艺路线如下： 材料：45钢。 热处理技术条件：整体调质，硬度 220—250 HBS；轴颈和锥孔进行表面 淬火，硬度52~58 HRC。 加工工艺路线： 下料→锻造(→正火)→粗加工→调质→半 精加工→表面淬火及低温回火→磨削加 工。 正火的目的在于得到合适的硬度，便于 切削加工；改善锻造组织，为调质做准 备。 调质是为了使主轴得到高的综合机械性 能和疲劳强度。为了更好地发挥调质效 果，安排在粗加工后进行。调质还为最 终的(高频)表面淬火做准备。 对轴颈和锥孔进行表面淬火、低温回火， 旨在提高硬度，增加耐磨性。
典型零件的选材及工艺分析
牌号 温度/℃ 持久强度/MPa
表10-2 几种耐热钢的持久强度值
过去的主轴几乎都是用钢制造的，现在轻载和中 载主轴已经可用球墨铸铁制造。
2 机床齿轮类零件的选材
机床齿轮按工作条件的不同，可分为以下三类。 （1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。 （2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿 轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床主传动系 统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。 （3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮 大多用20Cr，20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如，变速箱中一些重要 传动齿轮等的选材。
通过对这些断裂的转子轴进行失效分析发现，这些转子轴都是采用标准的转子 钢制造的，其常规的机械性能均符合设计要求，但所有转子在工作很短时间后即发 生断裂。而根据计算，断裂时的应力并不大，都远低于材料的屈服强度，安全系数 也相当大。显然，这种断裂从常规的设计观点看是难以解释的。从断口分析发现， 断裂是由一些缺陷（如白点、焊接裂纹等）引起的，缺陷尺寸超过了根据断裂韧性 计算出来的临界裂纹尺寸。因此，从断裂力学的观点很容易解释这种断裂发生的原 因。所以必须采用缺陷很少的优质转子钢制造转子轴。
3 机床导轨
机床导轨精度对整个机床的精度有很大的影响，必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选 用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。 为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。
机械零件的选材
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机械零件的选材
5. 热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强化，如 纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热 处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能 相当的重要。
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机械零件的选材
三．经济性能选材原则
Ø 所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或 是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合 考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经 济效益。
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机械零件的选材
二．轴类零件选材
1. 工作条件①交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；②相对 运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；③因机器开-停、 过载等，承受一定的冲击载荷；
2. 主要失效①疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；②磨 损 相对运动表面过度磨损；③过量变形 极少数情况下会 发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹 性变形失效。
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机械零件的选材
Ø 汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动系统中的 齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对 材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳 钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢 (20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳 淬火＋低温回火处理后，齿面硬度可达58～62HRC，心部 硬度30～45HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采 用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。
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机械零件的选材
Ø 机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对 表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45 钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火＋低温回火， 其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220～250HBS，可满 足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合 金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提 高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、 高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、 38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。
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表6.1
工作条件 ①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速低 ③精度要求不高 ④稍有冲击
表6.1 机床主轴工作条件、用材及热处理
材料 45 主要热处理 正火或调质 硬度 220~250 HBS 使用实例 一般简式机床
①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速略高 ③精度要求不太高 ①与滑动轴承配合 ②有冲击载荷 ①与滚动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求较高 ④冲击与疲劳较小 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求很高 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，心部强度不高，转 速高 ③精度要求不高 ④有一定冲击和疲劳 ①与滑动轴承配合 ②重载荷，转速高 ③有较大冲击和疲劳载荷
2、轴类零件选材及加工工艺路线确定步骤
1）看懂零件图 了解和分析零件的形状、大小与特征； 2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求； 3）确定材料及热处理工艺 根据用途，选择合适的材料和强 化工艺； 4）确定零件的加工工艺路线 制造轴类零件常采用锻造、切 削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中 切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺 寸变化不大的非重要轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒料直 接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。
右图为“解放”牌载重汽车变速箱变速 齿轮。该齿轮将发动机动力传递到后轮， 并起倒车的作用，工作时承载、磨损及 冲击负荷均较大。要求齿轮表面有较高 的耐磨性和疲劳强度，心部有较高的强 度(σb > 1 000 MPa)及韧性(αk＞60 J／ cm2)。 选材及加工工艺路线有以下两种方式。
“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮选材及加工工艺路线
2）汽车半轴： 汽车半轴是一个传递扭矩的重要 部，工作时承受冲击、弯曲疲 劳和扭转应力的作用，要求材 料有足够的抗弯强度、疲劳强 度和较好的韧性。
跃进一l30型载重汽车的半轴如右图 汽车半轴的选材、热处理及加工工 艺路线如下： 材料：40Cr。 热处理技术条件：正火，187~241 HBS；(中温)调质，杆部37～42 HRC，盘部外圆24~34 HRC。调 质后半轴的显微组织为回火索氏体 或回火屈氏体，心部允许有铁素体 存在。 加工工艺路线：下料→锻造(→正 火)→机加工→调质→盘部钻孔→ 精加工。 正火的目的是为了得到合适的硬度， 以便切削加工，同时可以改善锻造 组织，为调准备。 调质的目的是使半轴具有高的综合 力学性。淬火后回火温度 (420±10℃ )根据杆部要求的硬度， 回火后在水中冷却，以防止产生回 火脆性。
艺，其中切削加工和热处理工艺是制造齿轮类零件必不可
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3.典型齿轮的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线
1）机床齿轮
机床齿轮的工作条件属于运转平稳、负荷不 大、条件较好的一类。实践证明，一般机床 齿轮选用碳钢制造，经高频感应热处理后所 得硬度、耐磨性、强度及韧性已能满足性能 要求，高频淬火还具有变形小、生产率高等 优点。 右面为CM6132机床中的齿轮。 材料：40Cr钢。 热处理技术条件：正火830-850℃，空冷， 160～217 HBS；调质850-870℃，油冷， 220～250 HBS；高频表面加热喷水冷却，低 温回火，l80～200℃，50一55 HRC。 加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗 加工→调质→半精加工→高频淬火及回火→ 精磨。 正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理 工序，可以使同批坯料具有相同硬度，便于 切削加工，使组织均匀，消除锻造应力。对 于一般卤轮，正火处理也可作为高频淬火前 的预先热处理工序。 调质处理可以使齿轮具有较高的综合机械性 能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能 够承受较大的弯曲应力和冲击应力。调质后 齿轮组织为回火索氏体，故淬火时变形很小。 高频淬火及低温回火是获得齿轮表面性能的 关键工序，通过高频淬火，可以提高齿轮表 面的硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力 存在，从而增强了抗疲劳破坏的能力。为了 消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火。
第二种：选用40Cr进行碳氮共渗。
加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗加工、半精加工→碳氮共渗、淬 火及低温回火→喷丸→磨削。 热处理技术条件：表层wc为0.65％～0.9％，碳氮总的质量分数为1.0％～l.25 ％，渗层深度0.2-0.4 mm(因使用中碳合金钢碳氮共渗，心部强度高，故渗层 可薄一些)，齿面硬度58～63 HRC，心部硬度37—42 HRC。 热处理工艺：正火840～870℃，空冷，187～241 HBS；碳氮共渗830— 850℃，保温1—2 h，直接入油淬火，低温回火在(180±10)℃，保温2 h。
用于轻载齿轮， 如机床等
马氏体+碳 化物+残余 奥氏体， 56—62 氮化物， 65—72
易控 制
较长、较 高
较大
用于重载齿轮， 如汽车、拖拉机 等 用于高精度、 高耐磨、高速齿 轮
易控 制
长、高
最小
三、弹簧类零件材料选择
(a)压缩弹簧
(b)拉伸弹簧
(c)扭转弹簧
(d)平面蜗卷弹簧
图 常用的弹簧 1、不同类型弹簧的工作条件与性能要求 (1)工作条件 弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，主要用于各类机器的减震(如破碎机的支秀 和车辆的悬挂弹簧)、储备机械能(如钟表及仪表中的发条等)及控制运动(如气门、离合 动器)等。弹簧利用材料的弹性和结构特点，在外力作用下发生弹性变形，将机械能或霉 化为变形能。外力去除后，弹性变形恢复，将变形能转变为机械能或动能。弹簧是在交型 作用下工作的零件，其破坏形式主要是疲劳断裂。另外，在高温和高载荷下工作的弹簧蔓 现永久变形，使弹簧失效。 (2)性能要求： ①具有高的屈服强度(σs)、弹性极限(σe)和屈强比(σs／σb)，以防止使用 中产生变形。 ②具有高的疲劳强度，以免弹簧在长期振动和交变应力作用下产生疲劳断裂。 ③具有一定的塑性和韧性，因为太脆的材料对缺口十分敏感，会降低疲劳强度。
调质后250～ 280 HBS，渗氮 表面HVI>850 56～62 HRC
高精度磨床及精密镗 床主轴 齿轮铣床主轴
20Cr
渗碳,淬火+ 低温回火
20CrMnTi
渗碳,淬火+ 低温回火
56～62 HRC
载荷较大的组合 机床
二、齿轮类零件的材料选择
1.齿轮零件的工作条件与性能要求
(1)工作条件： 齿轮是各类机械、仪表中应用最多的零件之一，其作用是传递动力、改变运 动速度和运动方向。只有少数齿轮受力不大，仅起分度作用。 齿轮工作时的受力情况是：齿根承受很大的交变弯曲应力；换挡、启动或啮 合不均时，齿部承受一定冲击载荷；齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的 接触应力，并发生强烈的摩擦。此外，润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等， 都可加剧齿轮工作条件的恶化。 按照工作条件的不同，齿轮的主要失效形式有断齿、齿面剥落及过度磨损。 (2)性能要求： ①具有高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性，防止齿面损伤。 ②具有高的抗弯强度、适当的心部强度和韧性，防止疲劳、过载及冲击断裂。 ③具有良好的切削加工性和热处理工艺性，以获得高的加工精度和低的表面 粗糙度，提高旨轮抗磨损能力。 此外，在齿轮副中两齿轮齿面硬度应有一定差值，小齿轮的齿根薄，受载次 数多，应比大齿轮的硬度高一些。一般差值是：软齿面为30～50 HBS，硬齿 面为5 HRC左右。
45
整体淬火或 局部淬火回火， 整体调质 调质、轴颈表 面淬火回火 整体淬火或 局部淬火+低 温回火 调质，表面氮化
40～45 HRC
龙门铣床、摇臂钻 床、组合机床等 CM6140车床主轴 摇臂钻床、组合机 床等
45 40Cr 40MnB
52～58 HRC 40—45 HRC或 46～52 HRC
38CrMoAl
第一种：选用20CrMnTi进行渗碳。
热处理技术条件：表层wc为0.8％～l.05％，渗碳层深度为0 .8～1．3 mm， 齿面硬度58～62 HRC，心部硬度33—45 HRC。 加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗加工、半精加工→渗碳淬火、低 温回火→喷丸→磨削。 该齿轮属于大批量生产，考虑到形状结构特点，毛坯采用模锻件，以提高生 产率、节约材料，使纤维分布合理，提高力学性能。 热处理工艺：正火950～970℃，空冷，179～217 HBS；渗碳920—940℃， 保温4—6 h，预冷至830～850℃，直接入油淬火，低温回火在180±10℃， 保温2 h。
2）汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖拉机(或坦克)齿轮主要分 装在变速箱和差速器中。在变速箱 中，通过齿轮来改变发动机、曲轴 和主轴齿轮的转速；在差速器中， 通过齿轮来增加扭转力矩，调节左 右两轮的转速，并将发动机动力传 给主动轮，推动汽车、拖拉机行驶。 它们传递的功率和承受的冲击力、 摩擦力都很大，工作条件比机床齿 轮繁重得多。因此，对耐磨性、疲 劳强度、心部强度和冲击韧性等都 有更高的要求。工程应用表明：选 用渗碳钢，经渗碳(或碳氮共渗)、 淬火及低温回火后，使用最为合适。
表
材料 工艺 力法 感应 加热表 面淬火 渗碳 及碳氮 共渗 氮化 中碳钢 或中碳低 合会钢 低碳钢 或低碳合 金钢 调质钢 38CrMoAl
表8.4 齿轮的不同热处理工艺比较
表层组织及 硬度／HItC 马氏体， 45—60 心部组织 及硬度／ HRC 索氏体或 回火索氏 体，25～ 35 低碳马氏 体或屈氏 体，35～ 44 回火索 氏体，～ 30 硬化层 形状 大多 数分布 不均匀 沿齿 廓均匀 分布 沿齿 廓均匀 分布 硬化 层深 度 不易 控制 工艺周期 及成本 短、低 热处理 变形 较小 应用范围
3、典型轴的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线：
1）机床主轴
CM6140车床主轴的简图如右图所 示。该轴承受交变弯曲和扭转的复 合应力，载荷和 转速不高，冲击载 荷也不大，属于中等载荷的轴。但 大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之 间有摩擦，这些部位要求有较高的 硬度和耐磨性。