机械零件失效分析及选材

⑵铸钢齿轮： 大尺寸(≥400mm)、形状复杂、受冲击的齿轮，退火或 正火状态使用(耐磨性要求高者采用表面淬火)。
⑶铸铁齿轮： 灰铸铁，用于轻载、低速、不受冲击的齿轮。
⑷有色金属齿轮： 铜合金、铝合金，用于有腐蚀介质的轻载齿轮，如仪表
齿轮等，另特殊用途，如为减摩，用锡青铜作蜗轮。 ⑸工程塑料齿轮：
•热处理技术条件: 正火，187～241HBS；调质，杆部37～42HRC，盘部外 圆24～34HRC。
•工艺路线： 锻造→正火→机加工→调质→盘部钻孔→精加工。
⑶内燃机曲轴 •选材： 轻、中载荷及低、中速内燃机用球铁；重载及中、高速
时用锻钢。
①110型柴油机球墨铸铁曲轴。 •材料： QT600-3球铁。 •热处理技术条件： 整体正火，σb≥650MPa，ak≥15J/cm2，240～ 300 HBS；轴颈表面淬火、低温回火 (≥55HRC，珠光体 数量≥70%)。 •工艺路线： 铸造成形→正火+高温回火→切削加工→轴颈表面淬
④铬矾弹簧钢： 50CrVA等，φ50mm淬透，应力较大的弹簧（工作温 度≤ 300℃）。
⑤硅铬弹簧钢： 60Si2CrA 、 60Si2CrVA ， 高 应 力 、 受 冲 击 弹 簧 （300 ～350℃）。
⑥钨铬钒弹簧钢： 30W4Cr2VA，高强度耐热弹簧（ ≤ 500℃）。
6.4.3.3 弹簧加工工艺路线 ⑴冷卷弹簧的加工工艺路线
正火
支架、挡板、盖、 罩、壳
车辆驾驶室车箱
钢板Q235、08、 20、16Mn
钢板08
刚度、强度
不热处理
刚度
冲压成形
返回
第六章 机械零件失效分析及选材
本章重点
1、机械零件的失效原因及失效形式。 2、选材的一般原则。 3、典型零件的选材。
尼龙等。轻、摩擦系数小、减振减噪。用于轻载、无润
滑的小型齿轮（仪表、小型机械）。
6.4.2.3 齿轮加工工艺路线及选材实例 ⑴机床齿轮 •负荷特点：
运转平稳、负荷不大，条件较好。 • 材料：
45钢。 •热处理技术条件： 正火(160～217HBS)；表面高频淬火、回火(50～55HRC)。 •工艺路线：
支承旋转零件、传递动力或运动。 •负荷特点：
转 轴—弯曲与扭转的复合作用，如减速器的轴、机 床主轴。
心 轴—只承受弯矩，如铁路车辆的轮轴。 传动轴—扭转应力作用，如汽车的驱动轴。 轴 颈—较大摩擦；此外，轴大部受交变应力及一定
的过载或冲击作用。 •主要失效形式：
疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；过量变形等。
6.4.2.2 齿轮选材 •选材原则：
传动方式（开式或闭式）、载荷性质和大小（齿 面接触应力和冲击负荷等），传动速度、精度及齿 面硬化要求及齿轮副材料和硬度匹配等。
⑴钢制齿轮: •轻载、低中速，冲击力小，精度低齿轮：
碳钢（Q255、Q275、45、50Mn等），正火或调质成软 面齿轮。如减速箱齿轮等。 •中载、中速、中等冲击、运动平稳齿轮： 中碳（合金）钢（45、40Cr、42SiMn、55Tid等）。感 应淬火回火硬齿面（50 ～ 55HRC）。如机床齿轮。 •重载、中高速、大冲击载荷齿轮： 低 碳 （ 合 金 ） 钢 （ 20Cr 、 20MnB 、 20CrMnTi ） 渗 碳 （碳氮共渗）及淬火低温回火，齿面58～63HRC。如 汽车、拖拉机变速齿轮和后桥齿轮。 •精密传动齿轮或硬面内齿轮，要求热处理变形小： 38CrMoAl 、 35CrMo 等 。 调 质 及 气 体 氮 化 。 如 非 重 载、工作平稳的精密齿轮。
⑵性能要求（同弹簧钢）
①高σs、高σe、高σs/σb； ②高疲劳强度；
③一定塑性、韧性。
6.4.3.2 弹簧材料选择
•工程上用于制造弹簧的材料主要是碳钢和合金钢，以及 有色金属。如铍青铜（仪表等场合）。 ①碳素弹簧钢：
65、67、75、85。用于小截面(φ＜12mm)、不太重要 的小型弹簧。 ②锰弹簧钢： 65Mn，截面尺寸≤15mm的小型弹簧。 ③硅锰弹簧钢： 60Si2Mn等，φ25 ～ 30mm淬透，板簧、螺旋弹簧及 250℃以下耐热弹簧。
刚度、强度、尺寸稳定性 时效
机床座、工作台
灰口铸铁HT150 刚度、强度、尺寸稳定性 时效
齿轮箱、联轴器、阀 壳
差速器壳、减速器 壳、后桥壳
灰口铸铁HT250 球墨铸铁QT400-15
刚度、强度、尺寸稳定性 去应力退火 刚度、强度、韧度、耐蚀 退火
承力支架、箱体底座 铸钢ZG270-500
刚度、强度、耐冲击
图6-1 CM6140车床主轴
返回
表6-1 机床主轴工作条件、用材及热处理
返回
图6-2 汽车半轴
返回
图6-3 解放牌汽车变速齿轮简图
返回
表6-2 部分箱体支承类零件用材情况
代表性零件
机床床身、轴承座、 齿轮箱、缸盖、变速
器壳、离合器壳
材料的种类及牌号 灰口铸铁HT200
使用性能要求
处理及其他
•材料：
图图66-1-1
45钢。
•热处理技术条件：
整体调质220 ～ 250HBS；
轴颈、锥孔表面淬火52 ～ 58HRC。
•工艺路线：
锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火及低
温回火→磨削。
•常见机床主轴的工作条件、用材及热处理情况（下表）。
表表66-1-1
⑵汽车半轴
图图66-2-2
•材料： 40Cr(中型载重汽车；若重型则选40CrMnMo)。
•重载、高精度或恶劣条件轴（汽车、拖拉机轴，压力机 曲轴等），合金钢： 40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo、40CrNiMo； 20Cr、 20CrMnTi（渗碳）； 38CrMoAl（氮化）； 9Mn2V、GCr15等，采用相应的热处理。
6.4.1.3 轴类零件加工工艺路线
⑴机床主轴
回火→磨削。
6.4.2 齿轮类零件材料选择(gear)
6.4.2.1 齿轮的工作条件与性能要求
⑴工作条件: •齿轮功能：传递动力、改变运动速度和运动方向。 •负荷特点：齿轮交变弯曲应力，一定冲击载荷，齿面 很大接触应力及强烈摩擦。 •失效形式：断齿、齿面剥落及过度磨损。
⑵性能要求: ①高接触疲劳强度、高表面硬度和耐磨性。 ②高抗弯强度、适当心部强度和韧性。 ③良好切削加工性和热处理工艺性。
⑵性能要求: ①良好的综合力学性能（强度和塑性、韧性良好 配合），以防止断裂 ; ②高的疲劳强度 ; ③轴颈、花键等处较高硬度与耐磨性。
6.4.1.2 轴类零件选材 （进行强度、刚度计算与结构设计后，提出要求）
•轻载、低速的一般轴（心轴、拉杆、螺栓等）： Q235 ～Q275，不热处理。
•中等载荷，一般精度轴（曲轴、机床主轴等）： 35 ～ 50钢，热处理。
第六章 机械零件失效分析及选材(2) 6.4 典型零件的选材
6.4.1 轴类零件选材
（axle）
6.4.2 齿轮类零件材料选择 (gear)
6.4.3 弹簧类零件材料选择 (spring)
6.4.4 箱体支承类零件材料选择
6.4.1 轴类零件选材（axle）
6.4.1.1 轴的工作条件与性能要求 ⑴工作条件： •轴的功能：
的箱体、支承件。
铸
钢：ZG35Mn、ZG40Mn，载荷较大、承受冲
击的箱体。如工程机械。
有色金属铸造：重量轻、 散热良好箱体，喷油泵壳体、飞
机发动机箱体。
型 材 焊 接： Q235、10、16Mn，大体积、简单形状、
小批量箱体。 ⑵加工工艺路线
表表66-2-2
铸造（或焊接）成形→人工时效（或去应力退火） →切 削加工。
•原料（钢丝、带等，0.1～12mm）→卷簧→热处理→端 面加工。
•原料状态与热处理 硬化状态的弹簧： 只进行去应力回火(碳钢250℃，合金钢350～450℃)。 退火状态的弹簧： 需进行淬火、回火，41～47HRC。回火屈氏体。
⑵热成型弹簧的加工工艺路线 •下料→加热成型→热处理（淬火、回火）→喷丸→端 面加工。
锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→高频淬火、回
火→精磨。
⑵汽车、拖拉机齿轮
•负荷特点：
图图66-3-3
承载、磨损及冲击负荷较大，工作条件比较繁重。
•材料：
20CrMnTi。
•热处理技术条件：
渗碳层深0.8～1.3mm，表层Wc为0.8%～1.05%，齿面
58～62HRC。心部33～45HRC。
•工艺路线：
锻造→正火→粗加工、半精加工→渗碳淬火、低温回
Fra Baidu bibliotek火。
6.4.3 弹簧类零件材料选择（spring)
6.4.3.1 不同类型弹簧的工作条件与性能要求
⑴功能与工作条件
•功
能：减振(汽车板簧)、储备机械能(仪表发
条)、控制运动 (气门、离合器等)。
•负 荷 特 点：交变应力。
•主要失效形式：疲劳断裂、永久变形。
火、回火→磨削。
②锻造合金曲轴 •材料： 50CrMoA（机车内燃机曲轴）。 •热处理技术条件： 整体调质，σb≥950MPa、σs≥750MPa、δ≥12%、 ψ≥45%、ak≥56J/cm2及30～35HRC；轴颈表面淬火 回火， 60～65HRC、硬化层深3 ～ 8mm 。 •工艺路线: 锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火、
6.4.4 箱体支承类零件材料选择
6.4.4.1 箱体支承类零件功能与性能要求
⑴功能： 支承机器重量、安装固定零件，压应力及弯曲应力、一 定动载及紧固力。
⑵性能要求： 足够强度、刚度，良好减震性及尺寸稳定性，良好加工 性及铸造工艺性。
6.4.4.2 箱体支承类零件用材及加工工艺路线
⑴选材
铸
铁：最常用，灰口铸铁或球墨铸铁，各种机床