典型零件的选材及工程材料的应用(专用)powerpointpresentation课件

机械零件设计主要内容包括: 机械零件结构设计 材料选用 工艺设计 经济指标,第九章 典型零件的选材及工程材料的应用,第一节 选材的一般原则,第二节 典型零件的选材及工艺路线设计,第三节 工程材料的应用,第一节 选材的一般原则,选用材料应考虑的一般原则是： 使用性原则 是保证零件完成规定功能的必要条件。,使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。,工艺性原则 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,经济性原则 是选材的重要原则之一，一般 包括材料的价格、零件的成本与国家的资 源等。,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,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。,（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,2. 齿轮零件的选材,3. 典型齿轮选材举例 （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）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。表面采用高频淬火强化，硬度可达52HRC左右，提高了耐磨性。 下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火、低温回火精磨,20CrMnTi钢具有较高的力学性能，在渗碳、淬火、低温回火后，表面硬度的达5862HRC，心部硬度3045HRC。 下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工,（2）汽车齿轮,工作条件较机床齿轮差,尤其是主传动系统中的,受力较大,受冲击较频繁,对材料性能要求较高.,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 （3）对轴用材料性能要求 1）良好的综合力学性能 2）高的疲劳强度 3）良好的耐磨性,2. 轴类零件的选材 不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴 主要考虑刚度和耐磨性,用碳钢或球墨铸铁 (2) 主要受弯曲，扭转的轴 如变速箱传动轴、发动机主轴等。选用中碳钢45或40Cr 40MnB等；若要求高精度、高的尺寸稳定性及耐磨性的轴，如磨床主轴，则常选用38CrMoAl钢，进行调质及氮化处理。 (3) 同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴 选用淬透性较高的钢种,3. 典型轴选材举例 （1）机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。,该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。 但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。 根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理为调质处理；轴颈和椎孔进行表面淬火。,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-磨削加工,若这类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和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，如20Cr或20CrMnTi等。,（2）内燃机曲轴选材 内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型、功率大小、转 速高低和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条 件、生产批量和热处理工艺及制造成本。,按制造工艺把曲轴分为锻钢曲轴和铸造曲轴两种。锻钢曲轴主要由优质碳钢和中碳合金钢制造，如35、40、35Mn2、40Cr、35CrMo钢等。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁以及合金铸铁等制造，如ZG230450、QT7002、KTZ4505、KTZ5004等。,图是175A型农用柴油机曲轴简图。性能要求b 750Mpa，整体硬度在240260HBS，轴颈表面硬度625HV，2%，ak150kJ/m2。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。 曲轴材料可选用QT7002，其工艺路线如下： 铸造高温正火高温回火切削加工轮颈气体渗氮,三、弹簧类零件的选材 1. 弹簧的工作条件、失效形式及性能要求 （1）工作条件 1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力 或扭转应力。 2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用 3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用,（2）主要失效形式 1）塑性变形 2）疲劳断裂 3）快速脆性断裂 4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。,（3）对弹簧用材性能要求 1）高的弹性极限和屈强比（s/b） 2）高的疲劳强度 3）好的材质和表面质量 4）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性,2. 弹簧零件的选材 弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。 在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。 3. 典型弹簧选材举例 （1）汽车板簧 （2）火车螺旋弹簧,（1）汽车板簧 汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷， 需要高的屈服强度和疲劳强度。中重型汽车板簧用50CrMn， 55SiMnV钢；重型大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnVNb。 其工艺路线为： 热轧钢带（板）冲载下料-压力成型-淬火-中温回火-喷丸 强化,（2）火车螺旋弹簧 火车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震，其使用条件和性能与汽车板簧相近。 其工艺路线为： 热轧钢棒下料-两头制扁-热卷成型-淬火-中温回火-喷丸强化-端面磨平 其中淬火和回火工艺同汽车板簧。,第三节 工程材料的应用,一、汽车零件用材 二、机床零件用材 三、热能设备用材 四、化工设备用材,一、汽车零件用材,汽车的结构：,发动机 底盘 车身 设备,一、汽车零件用材 1. 缸体和缸盖 缸体材料必须满足下列要求： 1）有足够的强度和刚度，特别是有足够的刚度，以减小变形， 保证尺寸的稳定性。 2）良好的铸造性和切削性 3）价格低廉 缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。 2. 缸套 气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一，所以 要选用耐磨材料。常用耐磨合金铸铁。,3. 活塞、活塞销和活塞环活塞组 活塞材料一般用20钢或20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。 4. 连杆 连杆是在很复杂的应力 状态下工作的。一般采用45钢、 40Cr或40MnB。,1 小头与连杆的过渡区 2 连杆中间 3 大头与连杆的过渡区,5. 气门 气门在工作时，要承受较高的机械负荷和热负荷。应选用耐热、 耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo等；排气门 可用4Cr10Si2Mo。 6. 半轴 半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以及一定的冲击载荷。 通常使用调质钢制造：40Cr、45钢、40CrNi、40MnB等。,1 花键端 2 花键与杆部相连部位 3 凸缘于杆部相连部位,7. 车身、纵梁、档板等冷冲压零件 汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，主要是钢板冷轧钢板 和热轧钢板。热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件，如保险杠、刹车盘、纵梁等。冷轧钢板主要用来制造一些形状复杂，受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件。如钢板08、20、25和16Mn等。,8. 螺栓、铆钉等冷镦零件 9. 汽车用塑料 （1）汽车内饰用塑料 （2）汽车用工程塑料 （3）汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料 10.汽车用橡胶 11.汽车用陶瓷材料,二、机床零件用材 常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、 刀具等。 1. 机身、底座用材 首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、 HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。 2. 齿轮用材 HT150、HT200，HT250，HT300，Q235，Q255，20Cr， 40Cr等等，根据不同用途选用不同材料。 3. 轴类零件用材 曲轴和主轴常用QT600-2、KTZ600-3,不重要或受力较小的轴 可用Q235、Q255等，承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr。,4. 螺纹联接件用材 无特殊要求的螺纹常用Q235、Q255、Q275制造；中等载荷及精 密螺纹常用35钢、45钢；重载荷及极重要的螺纹用40Cr、40CrV。 5. 螺旋传动件用材 通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢；进行热处理的螺 旋传动件用T10、65Mn、40Cr等。 6. 蜗轮传动用材 蜗轮用材：HT200、HT150、HT250等；蜗杆用材：15钢、20 钢、15Cr、20Cr、45钢、40Cr，低速传动的蜗杆也可用Q275。,7. 滑动轴承用材 滑动轴承材料应具有优异的减磨性、耐磨性、抗胶合能力和足够 的冲击韧性及抗压、疲劳强度。轴承材料可分为： （1）金属材料 包括巴士合金、铜基轴承合金和铸铁 （2）粉末冶金材料 （3）塑料轴承材料 （4）橡胶轴承 8. 滚动轴承用材 一般用GCr9、GCr15、GCR15SiMn、GSiMnV等制造。 9. 机床其它零件用材 （1）凸轮用材 45钢 （2）刀具用材 工具钢、高速钢和硬质合金钢 （3）其它用材 灵活选用,三、仪器仪表用用材 仪器仪表用材包括结构钢、有色金属和工程塑料等多种，一般 应具有良好的切削性能。 1. 壳体材料 （1）金属材料 Q195、Q235，1Cr13，1Cr13Ni9Ti （2）非金属材料 工程塑料、复合材料 2. 轴类零件用材 Q235、2A12（LY12）、2A11（LY11）、HMn58-2等。 3. 凸轮用材 中碳钢或中碳合金钢 45钢，40Cr 4. 齿轮用材 仪器仪表中的齿轮用材广泛，有钢、铜、塑料、 复合材料等。 5. 蜗轮、蜗杆用材 仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆。,四、热能设备用材 热能设备很多，主要包括锅炉、汽轮机、电机等。这些设备多在 高温、高压和腐蚀介质作用下长期运行，对所用材料要求很高。 (一)锅炉主要设备用钢 1. 锅炉管道用钢 （1）对管道用钢提出如下要求 1）足够高的蠕变极限和持久强度 2）高的抗氧化性和耐腐蚀性能 3）良好的组织稳定性 4）良好的工艺性能，特别是焊接性能要好,（2）锅炉管道用钢的选择 1）壁温500的过热器管和壁温450 的蒸汽管道。 20钢 2）壁温550 的过热器管和壁温 510 的蒸汽管道。 15CrMo 3）壁温580 的过热器管和壁温 540 的蒸汽管道。 12CrMo 4）壁温(620650)的过热器管和壁温 (550570) 的蒸汽管道。 12Cr2MoWVB 5）壁温(600650)的过热器管和壁温 (550600) 的蒸汽管道。 F11，F12，HT9等 2. 锅炉汽包用钢 （1）对锅炉汽包用钢的要求 1）较高的常温和中温强度 2）良好的塑性,3）较低的缺口敏感性。 4）气孔、疏松、非金属夹杂等缺陷尽可能少。 5）良好的焊接性能等加工工艺性能。 （2）锅炉汽包用钢的选择 低压锅炉汽包用钢为12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金 钢板。,五、化工设备用材 （一）低合金钢 1. 压力容器用低合金结构钢 常用的是低合金结构钢。要求强度、塑性和焊接性能。常用钢种 16MnR、15MnVR和18MnMoNbR。 2. 不锈钢 化工设备对材料耐蚀性能有较高的要求，因此广泛的利用各种不 锈钢制造。 （1）铬不锈钢 1Cr13、2Cr13等钢种有良好的耐蚀性，0Cr13、0Cr17Ti有良 好的塑性。 （2）铬镍不锈钢 由耐蚀要求的压力容器常用铬镍不锈钢，主要牌号有1Cr18Ni9、 0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。,(二)有色金属及其合金 1. 铜及其合金 铜耐蚀性好，除了各种浓度的硝酸、氨和胺盐溶液。黄铜可作深 冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。锡青铜主要来制造耐蚀和 耐磨零件。 2. 铝及其合金 工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫 的药剂等生产所用设备。防锈铝可用作空气分离的蒸馏塔、热交 换器等。铸铝可制造形状复杂的耐蚀零件。 3. 铅及其合金 铅在许多物质中，特别是在热硫酸和冷硫酸中具有较高耐蚀性。 由于其强度、硬度低，主要用来做设备衬里。 4. 镍及其合金 镍在碱类物质中具有良好的耐蚀性。,（三）非金属材料 1. 无机非金属材料 （1）化工陶瓷 主要用于制作塔、泵、管道、耐酸瓷砖和设备衬里。 （2）玻璃 制作管道、离心泵、热交换器、精馏塔等设备。 （3）天然耐酸材料 可制造衬砌设备、设备密封圈、填料。 2. 有机非金属材料 （1）工程塑料 工程塑料品种很多，在化工生产中应用很广泛。 （2）不锈钢石墨 可制造换热设备。,六、航空航天器用材 1. 中碳调质钢 （1）Cr-Mn-Si钢 其中30CrMnSi是最典型的钢种。 （2）Cr-Ni-Mo钢 主要用于高负荷、大截面的轴类及承受冲击载 荷的截面。 （3）超高强度钢 该钢可作超音速喷气机体材料。 2. 高合金耐热钢 可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、弥散强化性四种，用于 制造涡轮泵及火箭发动机、航空发动机转子和其他零件。 3. 高温合金 高温合金是指在高温下有较高力学性能、抗氧化和抗腐蚀性能的 合金。按基体可分为镍基、铁基、钴基。 4. 镍基耐蚀合金 用于耐高温、高压、高浓度或混有不纯物等腐蚀环境中的理想材料。,5. 铝及其合金 铝及其铝合金具有良好的耐蚀性，较高的比强度、导电性及导热 性等优点，在航空航天工业中已大量应用。 （1）变形铝合金 5A05、5A11用于焊接油箱、油管等。2A01 可制造工作温度不超过100的结构用中等强度铆钉。2A14用 于制造承受载荷的锻件和模锻件等等。 （2）铸造铝合金 ZL101可制造发动机匣、气缸体等，ZL109 制造 较高温度下工作的零件如活塞等。ZL401适宜压力铸造制 造工作温度不超过200 、结构形状复杂的飞机零件。 6. 镁合金 镁合金以其密度小质量轻而在航空航天工业中得到非常广泛的应 用。,7. 钛及其合金 钛及其合金的最大优点是比强度大，钛合金的比强度超过铝合 金和超高强度中碳调质钢。目前近一半的钛合金应用于航空航 天领域。主要用于制造质量轻、可靠性强的结构，如发动机支 架、发动机匣、压气机盘、叶片、外涵道等。 8. 钨、钼、铌及其合金 钨、钼及其合金在航天工业中可作火箭发动机喷管材料。铌及 其合金可作航天方面优选的热防护材料和结构材料。 9. 复合材料 广泛应用于直升机飞机机身、机翼及各种航天器内置结构件， 如仪表盘、底盘、仪器壳体等。,一、名词解释 使用性能、工艺性能 二、填空题 1机械零件设计的主要内容包括 _ 、 _ 、 _ 和 _ 。 2机械零件选材的基本原则是 _ 、 _ 、 _ 。 3材料的经济性一般包括 _ 、 _ 与 _ 等。 4高分子材料的加工工艺 _ ，切削加工性 _ ，但它的 _ 较差。 5陶瓷材料的加工工艺 _ ，但成型后，除磨加工外， _ 进行其它加工。 6金属材料的加工工艺 _ ，而且 _ 多，不仅影响零件的 _ ，还影响其 _ 。,7低速重载齿轮可用 _ 钢制造，并进行 _ 热处理；中速、重载齿轮用 _ 钢制造，并进行 _ 及 _ 热处理；高速、中载并受冲击的齿轮用 _ 钢制造，并进行 _ 热处理。 8汽车半轴要求其材料有较高的综合力学性能，通常选用 _ 钢制造。中小型汽车的半轴一般用 _ 、 _ 钢制造，而重型汽车半轴用 _ 、 _ 或 _ 等淬透性较高的合金钢制造。,三、选择题 1零件的使用性能取决于零件的 _ 和 _ 热处理。 （选材、设计、安装；预先，最终） 2大功率内燃机曲轴选用 _ ，中吨位汽车曲轴选用 _ ， C620 车床主轴选用 _ ，精密镗床主轴选用 _ 。 （45 钢，球墨铸铁， 38CrMoAl 合金球墨铸铁） 3汽车变速齿轮选用 20CrMnTi 钢制造，试在其加工工艺路线上填入热处理工序名称： 下料锻造_切削加工_喷丸磨削加工。 （退火，正火，凋质，渗碳，淬火及低温回火） 4高精度磨床用 38CrMoAl 钢制造，试在其加工工艺