工程材料的选用与发展

实例 —— 载重汽车变速箱齿轮
性能指标 ——σb>1000MPa，aKU2≥50J ，齿面硬度≥HRC55 。 选材 —— 20CrMnTi，σb > 1080MPa ， aKU2≥ 55J，齿面HRC≥58~63 。 最终热处理工艺 —— 930℃渗C + 预冷830℃油淬 + 200℃回火
最终组织 —— 心部：回火M + F 齿面：回火M + 碳化物 + A'
工程材料的选用与发展
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。
零件失效的原因工作—条—件设计、材料、加工、安装和使用。
零件
应力 种类
载荷 性质
受载 状态
常见失效形式
性能要求
工艺路线 —— 锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削
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。
一般要求
1. 选材原则 —— 材料的使用性能、工艺性能和经济性。 2. 典型零件的加工工艺路线。 3. 零件失效的概念。
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。
120
30
750
15
80
500回火
50
700
15
56
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→ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
选材 —— QT700-2 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。
123
18
Mo
5.4
36
Biblioteka BaiduAg
0.2
14
Cr
775
112
Ti
147
51
再生率(%) 31.7 16.9 40.9 21.2
41.0
第三节 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）
选材
强度，韧性。
调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火
渗C钢 —— 硬度、韧性高。
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
轴颈 疲劳断裂，过量变形
摩擦
，轴颈磨损
综合力学性能
传动齿轮 压、弯 弹簧 扭、弯
循环 冲击
交变 冲击
摩擦 振动
振动
断齿，磨损，
表面高硬度及疲劳极限
疲劳断裂，接触疲劳 ，心部强度及韧性
弹性失稳， 疲劳破坏
弹性极限，屈强比 ，疲劳极限
２. 工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。
3. 某连杆螺栓，要求σb≥950MPa , σs≥700MPa，aKU2 ≥45J ，试选一材料，制定 最终热处理工艺，指出最终组织。
（第2、3题的待选材料：
H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、 45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）
3289 1650 1430 1100-1760 1500
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
储量（106t） 可用年数
２. 环境污染小
Fe
1×106
109
废气排放少
Al
1170
35
材料回收及降解
Cu
308
24
Zn
１. 产品成本分析
三、经济性 —— 根本原则
基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的30~70%
制造（加工材）料成本 —— 约占美元零件/ t成本的30% 材 料
加工成本铂= 工具与设备2费6,用000+,0每00件产品成工本业金×刚生石产批量
金
19,100,000 硼―环氧树脂复合材料
钨
26,000
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
σb / MPa δ/ % AKU / J
850淬火
5
800
16
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。 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
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。
碳纤维复材料
钛合金
10,190～12,720 玻璃纤维复合材料
黄铜（型材） 铝合金（型材） 低碳钢（型材）
铸铁 硬质合金
1650～2336 2000～2440
440～480 260
66,000
尼龙66 环氧树脂 天然橡胶 氧化铝
玻璃
美元 / t 900,000,000
330,000 200,000 2400～3300