工程材料第十一章-机械制造中零件材料的选择

下料 → 锻造 → 正火→机械加工 → 渗碳 + 淬火+ 低温 回火→ 喷丸处理 → 磨削
3、热处理工序作用 正火：均匀和细化组织，消除锻造应力，调整硬度。 渗碳：提高表层的碳含量。 淬火+ 低温回火：提高齿面硬度和耐磨性。 喷丸处理：使渗碳层表面压应力增大，提高疲劳强度。
机械工程材料
3、机床主轴的选材 （1）工作条件
随钢材截面尺寸的增大，钢材的力学性能会下降，它与钢材的 淬透性有关。淬透性低的钢，尺寸效应很明显。
（二）工艺性能
（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：硬度在170～230HBS 范围内切削加工性好。 （5）热处理工艺：淬透性的好坏，淬火是否变形、开裂等， 还要考虑一定按工艺要求操作，如，加热温度高或低的问题。
机械工程材料
三、选材方法
3、以磨损为主时的选材 （1）对于磨损较大，受力较小的零件，宜选用高碳钢 或高合金钢并进行淬火+ 低温回火。
（2）磨损同时受较大冲击力作用的零件，宜选低 碳钢或低碳合金钢。渗碳后淬火+ 低温回火。一般称 “外硬里韧”，如：冷冲模、汽车变速齿轮。
机械工程材料
第三节 典型零件的选材实例分析
机械工程材料
（3）高速重载荷、较大冲击的零件，宜选低碳合金钢； 20CrMnTi、20Mn2B 渗碳、淬火+ 低温回火。如：汽车、 拖拉机变速齿轮、后桥齿轮等。
（4）低速、轻载大齿轮：宜选灰铸 铁或球墨铸铁。
图11-1 汽车变速齿轮
机械工程材料
（五）齿轮选材的具体实例
举例一：机床齿轮的选材，如图所示。
机械工程材料
举例二：汽车变速齿轮的选材。
汽车渗碳齿轮
1、工作条件：该齿轮由于在工作中承受了重载荷 和大冲击作用，为了防止轮齿折断,要求轮齿心部具有 高的强度和韧性。
2、选材要求：（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。
机械工程材料
答：1、根据已知条件，选45钢。 2、工艺路线
2、选材要求：（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。
机械工程材料
答：1、根据已知条件，选用QT700-2钢。
2、工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗加工→调质→ 机械半精加工→局部淬火 + 低温回火（锥孔及外锥体）→ 粗磨（外圆、外锥体锥孔）→铣花键→花键高频感应淬火 + 回火→精磨（外圆、外锥体锥孔）
本章主要内容
机械工程材料
第一节 机械零件的失效概述
一、零件的失效分析
1、失效 是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材 料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。一般机械零件 在以下三种情况都认为已失效，
（1）零件完全不能工作； （2）零件虽能工作，但已不能完成指定的功能； （3）零件有严重损伤而不能再继续安全使用。
机械工程材料
（三）经济性
考虑材料的价格、成本。能否实现少工序、少切削， 以提高经济效益。另外还要考虑在大量生产中，设备的 寿命、加工质量等。
机械工程材料
二、选材的步骤
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。
齿轮类零件的选材
（一）齿轮的工作条件
（1）由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力 （2）换档、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷； （3）齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及 摩擦力的作用。
（二）齿轮的主要失效形式 （1）断齿 （2）麻点剥落
（3）磨损
机械工程材料
（三）对齿轮材料性能的要求 （1）高的接触疲劳抗力 （2）高的弯曲疲劳强度
(1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用; (2) 轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损; (3) 轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷; (4) 多数轴会承受一定的过载载荷。 （2）失效方式 (1)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） (2) 大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂 (3) 与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损
3、变形失效 例如，车床主轴在工作过程中发生过量的弹性弯曲变形，
不仅产生振动，而且造成了被加工零件质量严重下降，会 造成轴与轴承配合不良。 过量变形的原因主要是零件或工具的材料强度低，造成金 属材料强度低的原因很多，可能选材不当，或者热处理工 艺不当，或是零件或工具在使用过程中内部矛盾组织发生 变化等。
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。 局部淬火+ 低温回火—— 提高轴面硬度。 花键高频感应淬火+回火 —— 提高花键部分硬度。
机械工程材料
主轴用45钢制造，载荷较大的主轴用40Cr钢制造，较大冲 击载荷和疲劳载荷用合金渗碳钢20Cr 或20CrMnTi制造
机械工程材料
1、钢种：中碳钢（45钢）、合金渗碳钢（40Cr钢）
2、热处理：
预备热处理：正火（对毛坯正火，消除应力，细化组织）、
整体调质→S回（得到较高的综合力学性能）
最终热处理：局部表面淬火＋低温回火→M回（满足局部
1、钢种：中碳钢（45钢）、中碳合金钢（40Cr钢）
2、热处理：
预备热处理：正火（消除应力，细化组织），对于性能要求高的
齿轮，进行调质处理（S回），获得良好的综合力学性能
最终热处理：高频淬火＋低温回火→M回（提高耐磨性和疲劳抗
力）
3、工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质处理→精加工→
齿部高频淬火＋低温回火→磨削
一、选材的一般原则
(一) 使用性能原则——
wenku.baidu.com
首要原则
（二）工艺性能原则 （三）经济性原则——
根本原则
（一）材料的使用性能应满足使用要求 • 使用性能：指机械零件在正常工作情况下材料应具
备的性能，包括力学性能和物理、化学性能等 • 零件的使用性能是保证其工作安全可靠、经久耐用
的必要条件 按力学性能选材时，需考虑三个方面问题： 1、必须考虑材料和零件服役的实际情况 2、充分考虑钢材的尺寸效应 3、综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合
2、失效形式
（1）断裂失效 （2）磨损失效 （3）变形失效
二、零件的失效形式：
1、断裂失效 包括静载荷或冲击载荷断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等 2、磨损失效 磨损主要是相对运动的接触表面的材料在机械力的作用下，以
细屑形式逐渐磨掉，而使零件或工具的尺寸不断变小的一种失 效方式。 金属材料的耐磨性高（即磨损率小），则零件的使用寿命就长。
高硬度和耐磨性要求）
3、工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质（得到较好
的综合力学性能） →半精加工→局部表面淬火＋低温回火→磨
削加工→零件
机械工程材料
举例二：普通内燃机曲轴的选材
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。
零件或工具的失效可从一种类型转变成另一种类型。 例如，齿轮的失效方式可能有：断齿、齿形的变形、 齿面的磨损和点蚀等。
几种常用零件或工具的工作条件和失效形式
三、零件的失效原因 （1）设计不合理 （2）选材不合理 （3）加工工艺不当 （4）安装使用不正确 （5）工作条件
第第二二节节机机械械零零件件的的材材料料选选择择
机械工程材料
3、性能要求 综合机械性能: 足够强度、塑性和一定韧性, 以防过载断裂、冲 击断裂;高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂;足够 淬透性, 热处理后表面要有高硬度、高耐磨性, 以防磨损失效; 良好切削加工性能, 价格便宜。
机械工程材料
举例一：机床主轴
受交变弯曲和扭转复合应力，载荷和转速不高，冲击载荷 不大，一般综合机械性能即可，大端轴颈、锥孔与卡盘、顶尖 之间有摩擦，要有较高硬度和耐磨性，可以进行局部表面硬化 处理
机械工程材料
（四）选材依据
（1）低速、轻载荷齿轮宜选中碳钢，如45 钢或40Cr钢， 正火处理；低速中等、较大载荷宜选45钢或40Cr钢，调质 处理; 重载荷宜选45钢40Cr钢，调质后高频表面淬火处理。
（2）中速：圆周速度6~10m/s一般载荷,宜选45钢、 40Cr调质、高频表面淬火处理。如：一般机床中的变速齿 轮等。重载荷下，宜选20Cr、20CrMnTi 经渗碳、淬火处 理。
机械工程材料
三、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 宜选中碳钢，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。 可通过热处理工艺来提高性能，合理的零件结构，正确 加工方法。 中碳钢 —— 调质或淬火+中温回火； 高碳钢 —— 淬火+ 低温回火。