工程材料 第十四章 工程材料的选择与应用

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三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（二）常用轴类零件的材料
2. 铸钢 对形状极复杂、尺寸较大的轴可采用铸钢来制造，如ZG 230 –
450。
3. 铸铁 因大多数轴很很少以冲击过载而断裂失效，故近几十年来越来
越多地采用球墨铸铁（如QT700-2）和高强度灰铸铁（如HT 350、KTZ 550 –06）来代替钢作轴的材料。
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一、使用性能选材原则
§14.2 选材原则
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一、使用性能选材原则
（三）按力学性能指标选材需注意的问题 1. 材料性能与零件的关系 2. ① 材料的尺寸效应 ； 3. ② 零件的结构形状对性能的影响 ； 4. ③ 零件的加工工艺对性能的影响。
2. 力学性能指标在选材中的应用意义 3. 材料强度与塑性、韧性的合理配合 4. 注意提高零件的结构效率
轮具有表面高硬度、高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具
有足够高的强韧性，适合制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
②中碳钢及中碳合金钢 如Q235、40、45、40Cr、40MnB等，其
热处理工艺一般为正火或调质
表面淬火 + 低温回火，可保证齿
如40CrNiMo。
（4）主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。
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三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
以机床主轴选材为例：
（1）车床主轴可选用45钢或40Cr钢，其简明加工工艺路线为： 锻造 → 正火 → 粗加工 → 调质 → 精加工 → 表面淬火及低温回火
三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（一）轴的工作条件主要失效形式与性能要求
1. 工作条件 受交变的弯曲载荷、扭转载荷或拉—压载荷；轴与轴相对运 动表面发生摩擦；因机器开—停、过载等，轴还要承受一定的冲击载荷。
2. 主要失效形式 断裂、磨损、过量变形
3. 主要性能要求 高的疲劳极限；优良的综合力学性能；局部承受摩擦 的部分应具有较高的硬度和耐磨性。
2. 汽车、拖拉机齿轮
此类动力车辆的齿轮工作条件比机床齿轮恶劣，特别是主传动 系统中的齿轮更是如此，它们受力较大，易过载，起动、制动及变 速时受到频繁的强烈冲击，因此要求这类齿轮材料的耐磨性、疲劳 性能、心部强度和韧性等性能要求都比机床齿轮高。通常选用合金 渗碳钢（20Cr、20CrMnB、20CrMnTi、20CrMnMo），经渗碳淬 火+ 低温回火后使用。
轮表面的硬度、疲劳极限和耐磨性，但齿面硬度不很高，心部韧性也不
够高，其综合力学性能不如低碳渗碳钢，适合制造中低速、无猛烈冲击
的齿轮。
③ 中碳渗氮钢 如40Cr、35CrMo、38CrMoAlA钢，经调质处理后
进行渗氮，其力学性能优良、变形小，主要用于高精度、高速齿轮。
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二、齿轮类零件选材
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三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（二）常用轴类零件的材料
1. 锻钢 锻造成形的优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体。
35、40、45、50等碳钢具有较高的综合力学性能且价廉，应用广泛 Q235、Q255、 Q275等普通碳钢用于受力不大或不重要的轴，可进一步 降低成本40Cr、 40MnVB等合金调质钢具有良好的综合力学性能，适用 于制造受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴。
（3）齿轮材料应在足够的强韧性，以防冲出过载断裂。
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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齿轮轮齿的脆性断裂
二、齿轮类零件选材 （二）常用齿轮材料
1. 金属材料 2. 非金属材料
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§14.2 选材原则
一、使用性能选材原则
§14.2 选材原则
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二、工艺性能选材原则
（一）金属材料的工艺性能
1. 铸造性能 2. 压力加工性能 3. 焊接性能 4.热处理工艺性能 5. 机械加工性能
（二）高分子材料的工艺性能 （三）陶瓷材料的工艺性能
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承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；因启动、抵挡或啮合不良，齿轮 要承受一定的冲击力；有时还有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求， 耐蚀要求，抗磁性能要求。
2. 主要失效形式 断裂、齿面损伤、齿面腐蚀等。
3. 主要性能要求
（1）齿轮材料应有高的弯曲极限，以防止轮齿的疲劳断裂。 （2）齿轮材料应有足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防 止齿面损伤。
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
由表可知：对飞机机身而言，聚氨酯发泡塑料芯 材的成本虽低，但却无法满足机身夹层结构的功能要 求(主要是力学性能)，此时应选成本虽高、而功能更 好的铝蜂窝芯材；冰箱壳体的价值选材结果与之正好 相反。高速列车、城市轨道客车的车门夹层结构，其 芯材选铝蜂窝和硬质聚氨酯发泡塑料均可，而后者更 佳。
（5）粉末冶金材料
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（三）典型齿轮选材实例 1. 机床齿轮 机床传动齿轮工作时受力不大，转速中等， 工作较平
稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高， 一般用中碳钢（如45钢）， 也可选用中碳合金钢（如40Cr、40MnB、40MnVB）制造，经调质后心 部有足够的强韧性，能承受较大的弯曲应力和冲击载荷。 表面采用表面 淬火 + 低温回火，硬度可达52 HRC 左右，提高了耐磨性。
二、失效形式
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§14.1 失效分析
粘着磨损示意图
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粘着磨损磨痕
四、失效分析的基本步骤与方法
（一）调查取证 （二）整理分析 （三）断口分析 （四）成分组织性能的分析与测试 （五）综合分析得出结论
§14.1 失效分析
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§14.2 选材原则
一、使用性能选材原则 二、工艺性能选材原则 三、经济性能选材原则 四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
三、经济性能选材原则
（一）产品的价值分析 （二）产品的总成本分析 （三）材料成本分析
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
§14.2 选材原则
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四、材料的技术经济评价指标
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三、轴类零件选材
（三）典型轴选材实例
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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直结式高速主轴
三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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C620车床主轴简图
三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
轴类零件选材，应注意以下几点：
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三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（1）对精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造中碳 钢热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能（强韧性），然后对 易磨损的相对运动部位进行表面强化处理（表面淬火、渗氮或表面滚压、 形变强化等）。 （2） 当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi） 渗碳制造。 （3）当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，宜用高 碳钢（如GCr15、9Mn2V）制造。
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
我国多采用 20CrMnTi 制造汽车齿轮，其简明加工工艺路线：
下料─锻造─正火─切削加工─渗碳、淬火 + 低温回火─喷丸─磨削加工
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汽车后桥齿轮
二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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一、使用性能选材原则
（一）使用性能原则
§14.2 选材原则
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一、使用性能选材原则
（二）按使用性能选材的具体方法与步骤
§14.2 选材原则
1. 分析零件的工作条件，确定其使用性能； 2. 进行失效分析，确定主要使用性能； 3. 将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体要求数值的要求。 表14-4 几种典型零件的工作条件、失效形式和主要力学性能
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§14.3 典型零件选材与工艺分析
一、工程材料的应用概况与评价 二、齿轮类零件选材 三、轴类零件选材 四、刀具选材 五、冷作模具选材
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（一）齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求
Байду номын сангаас
1. 工作条件 齿根部承受圈套的交变弯曲应力；齿面啮合并发生相对滑动，
第十四章 工程材料的选用与发展
§14.1 失效分析 §14.2 选材原则 §14.3 典型零件选材与工艺分析 §14.4 热处理零件的技术要求
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§14.1 失效分析
一、失效 零件在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生
变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象。
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（2）铸钢 如ZG 270-500、ZG 310-570、ZG 40Cr等，由于力学性能
比锻钢差，使用较少，适用于制造对性能要求不高、低速、尺寸较大、 形状复杂的齿轮。
（3）铸铁 灰铸铁具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本
低，但强韧性欠佳，多用于制造一些低速、轻载、不受冲击的非重要齿 轮，如 HT 200、HT 250、HT 350等；球墨铸铁强韧性较好，可采用 QT 600-3、QT 500–7 代替部分铸钢齿轮。
（1）以刚度为主要要求的、轻载的非重要轴，为降低成本，可选用碳钢、铸 铁、甚至普通质量碳钢。
（2）以耐磨性为主要要求的轴，可选碳含量较高的钢（如65Mn、9Mn2V） 或低碳钢渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制 造。
（3）主要受弯曲或扭转载荷的轴，其应力分布具有表面较大、心部较小的特 点，故无需选淬透性大的钢种，一般为45、40Cr钢即可；而对受拉—压载荷 的轴， 特别是当其尺寸较大、形状较复杂时， 则应选用淬透性较高的钢种，
→ 磨削加工。
（2）若机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载 荷、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性时则可选用38CrMoAlA钢经 渗氮处理制造。
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三、轴类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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四、刀具选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（二）常用齿轮材料
1. 金属材料 （1）锻钢 ①低碳钢及低碳合金钢 如20、20Cr2、0CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，
其热处理工艺 一般为：退火或正火
渗碳后淬火 + 低温回火，可使齿
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
（4）有色金属材料 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，
在有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属 材料制造，其中最主要的是铜合金，如 H 62、铝青铜，如 QSn 6.5-0.1、 硅青铜，如Q Si 3-1等。
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
机床齿轮的简明加工工艺路线：
下料─锻造─正火─粗加工─调质─精加工─高频淬火 + 低温回火─精磨
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机床变速箱齿轮
二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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二、齿轮类零件选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
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四、刀具选材
§14.3 典型零件选材与工艺分析
板锉是用于锉削其他金属的工具。其表面刃部要求有高的硬 度（64～67 HRC）, 柄部要求硬度< 35 HRC。