机械工程材料第七章

第七章机械零件的失效与选材,第一节选材的基本原则,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。工艺性原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。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,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。,疲劳断裂、齿面磨损、齿面接触疲劳破坏、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（2）汽车齿轮,（1）钢制齿轮轻载，低、中速，冲击力小，精度要求较低的一般齿轮，选用中碳钢（如Q37540455050Mn等）制造，常用正火或调质等处理制成软齿轮齿轮，正火硬度为160-200HBW，调质硬度一般为200-280HBW。这类齿轮硬度适中，齿轮加工可在热处理后进行。主要用于标准系统减速箱齿轮，以及冶金机械、重型机械和机床中的一些次要齿轮。,（1）钢制齿轮中载、中速、受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮，选用中碳钢或合金调质钢（如45、50Mn、40Cr、42SiMn等）制造，其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火，制成硬面齿轮，齿轮部保持原正火或调质状态，具有较好的韧性。大多数机床齿轮属于这种类型。,（1）钢制齿轮重载，中、高速，且受较大冲击载荷的齿轮，选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢（如20Cr、20MnB、20CrMnTi、30CrMnTi等）制造。其热处理是渗碳、淬火低温回火，因淬透性高，齿轮心部有较高的强韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗接触疲劳强度、抗弯强度及心部的抗冲击能力都高于表面淬火齿轮，但热处理变形较大，在精度要求较高时应安排磨削加工，主要用于汽车、拖拉机变速和后桥中的齿轮,（1）钢制齿轮精密传动齿轮或磨齿轮有困难的硬度齿面齿轮，要求精度高、热变形小，宜采用氮化钢（35CrMo、38CrMoAl等）制造。热处理采用调质及氮化。其缺点是硬化层薄，不耐冲击，不适用于重载齿轮，多用于载荷平稳的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。,（1）铸钢齿轮某些尺寸较大（直径大于400mm）、形状复杂并受一定冲击的齿轮，其毛坯用锻造难以加工时需要采用铸钢。（2）其它齿轮灰铸铁可用于制造开式传动齿轮，常用的牌号有HT200、HT250、HT300等。只适用于制造一些轻载、低速、不受冲击的齿轮。对仪表齿轮或接触腐蚀介质的轻载齿轮，常用抗蚀、耐磨的有色金属型材制造在轻载、无润滑条件下工作的小型齿轮，可以选用工程塑料制造。,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.轴类零件的选材轻载、低速，不重要的轴（如心轴、联轴节、拉杆、螺栓等）可选用Q235、Q275等碳素结构钢材制造。这类钢通常不进行热处理。当受中等载荷且转速精度要求不高、冲击与循环载荷较小的轴类零件（如曲轴、连杆、机床主轴等）常选用中碳优质碳素结构钢，并经调质或正火处理。为了提高轴表面的耐磨性，还可进行表面淬火及低温回火。,2.轴类零件的选材承受中等载荷、中等转速、精度要求较高、有低的冲击和交变载荷的轴类零件，可选用低淬性合金调质钢。性能要求更高一些的可选用中或高淬透性合金调质钢。为了提高轴表面的耐磨性，还可进行表面淬火及低温回火。要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的轴，如镗床主轴，常选用氮化钢，进行调质和氮化处理当强度摩擦，并承受较大冲击和交变载荷作用时，可采用合金渗碳钢制造。,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对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热性差、膨胀系数小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、Mo的合金铸铁制造。4.连杆连杆是在很复杂的应力状态下工作的。受力有交变拉压应力、弯曲应力等，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。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。如钢板08、20、25和16Mn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,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、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，40Cr4.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。15CrMo3）壁温580的过热器管和壁温540的蒸汽管道。12CrMo4）壁温(620650)的过热器管和壁温(550570)的蒸汽管道。12Cr2MoWVB5）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。(二)汽轮机主要零部件用钢汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片、汽轮机转子和汽轮机静子等1.汽轮机叶片（1）对叶片材料的严格要求1）足够的室温和高温力学性能2）良好的减震性3）高的组织稳定性4）良好的耐蚀性及抗冲蚀稳定性5）良好的冷、热加工工艺性能,（2）汽轮机叶片材料的选择主要有三种1）铬不锈钢（1Cr13和2Cr13）2）强化型铬不锈钢。在1Cr13和2Cr13基础上加入Mo、W、V、Nb、B等元素；3）铬镍不锈钢，Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBCe2.汽轮机转子汽轮机转子是汽轮机的心脏，其工作条件十分恶劣。主轴工作时承受扭转应力、弯曲应力和热应力，以及震动产生的附加应力和发电机短路时产生的巨大扭转应力和冲击载荷的共同作用。（1）对制造转子的材料的要求有：1）良好的综合力学性能。2）一定的抗氧化、抗蒸汽腐蚀的能力3）不允许存在白点、内裂、缩孔、大块非金属夹杂物或密集性细小夹杂物等缺陷。4）有良好的淬透性、焊接性等工艺性能。,（2）针对上述要求，转子用钢选择叶轮、主轴和转子的材料是按不同的强度级别选用的，但它们都属于中碳钢和中碳合金钢。只有制作焊接转子时，为了保证材料的焊接性才适当降低碳含量（例如选用17CrMo1V钢）.3.汽轮机静子汽轮机静子部件是在高温、高压或一定的温差、压差作用下长期工作的。静子部件在机组运行时将承受蒸汽的内压力、转子质量所引起的静应力、由于温差所产生的热应力，以及由于变化的热应力所引起的热疲劳作用。因此，对静子材料提出以下要求：1）足够高的室温力学性能和较好的热强性。2）具有一定的抗氧化性和抗腐蚀性，良好的热疲劳性能和组织稳定性。3）具有尽可能好的铸造性能和焊接性能。,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。,3.耐热钢有些化工设备是在650以上的高温环境工作。在这样高的温度下，一般碳钢抗氧化腐蚀性能和强度变得很差而无法使用，此时必须采用耐热钢。主要牌号有：1Cr13Si3、1Cr13Ni3、1Cr25Ni20Si2等。4.其它类型的特殊性能钢（1）低温钢在化工生产中，会用到零件必须采用能承受低温的金属材料制造。主要牌号有：16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuREDR。（2）抗氢腐蚀钢我国目前生产的抗氢钢种有：15CrMo、20CrMo、12Cr3MoA、15MnV、10MoVWNb。（3）抗氮腐蚀钢1Cr18Ni9Ti不锈钢具有较强的抗氮化腐蚀能力，故常用制造氨合成塔的内件。,(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