第11章典型零件的选材实例

1、第第1111章章典型零件的选材实例典型零件的选材实例工程材料工程材料 第第11章章 第第 2 页页选材的动机选材的动机 p 首次开发首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；生产一种新产品、新零件或新装置；p 现有产品的现有产品的改进和更新换代改进和更新换代； p 零件零件过早失效过早失效甚至灾难性甚至灾难性事故发生后事故发生后，需改，需改变用材。变用材。 选材的原则选材的原则 4 4条原则。条原则。（使用性、工艺性、经济性、环境与资源）（使用性、工艺性、经济性、环境与资源）工程材料工程材料 第第11章章 第第 3 页页11.1 11.1 材料选用方法材料选用方法11.2 11.2 齿轮类零件选

2、材及工艺分析齿轮类零件选材及工艺分析11.3 11.3 轴类零件选材及工艺分析轴类零件选材及工艺分析11.4 11.4 其它零件选材及工艺分析其它零件选材及工艺分析工程材料工程材料 第第11章章 第第 4 页页11.1 11.1 材料选用方法材料选用方法 工程材料工程材料 第第11章章 第第 5 页页 1 1对对具体零件的工作条件和失效形式进行分析具体零件的工作条件和失效形式进行分析，对同，对同类零件现有状况类零件现有状况( (材料、寿命、失效形式以及供应情况材料、寿命、失效形式以及供应情况) )进行调研，结合力学计算或试验进行调研，结合力学计算或试验确定零件应具有的力学确定零件应具有的力学性

3、能指标和理化性能指标性能指标和理化性能指标。 2 2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。 3 3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行要求，并进行小批试生产小批试生产以检验材料制造过程中工艺性以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来可确定下来。工程材料工程材料 第第11章章 第第 6 页页( (一一) )

4、固定效果选材法固定效果选材法单位性质成本法单位性质成本法 在在选择材料最简单的情况下，一种材料性能被突出选择材料最简单的情况下，一种材料性能被突出地作为最关键的工作要求。在这种情况下，可以估算不地作为最关键的工作要求。在这种情况下，可以估算不同的材料达到这种要求（固定效果）所需的同的材料达到这种要求（固定效果）所需的。 实例实例:单轴拉伸的实心圆柱零件选材分析单轴拉伸的实心圆柱零件选材分析 判据分析判据分析截面尺寸D 相对成本RC ， 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 7 页页已知：已知：备选材料：备选材料： (1)(1)、Q235Q235（S1S1=235MNm=235MNm2

5、 2，相对成本，相对成本p p1 1=1=1） (2)(2)、低合金结构钢低合金结构钢16Mn16Mn（S2S2=350MNm=350MNm2 2，相对成，相对成本本p p2 2=1.25=1.25），），E E1 1EE2 2200000 MNm200000 MNm2 2。 在在等刚度判据等刚度判据下，根据下，根据 RCRCE E=P=P2 2/P/P1 1，应选择成本较低的应选择成本较低的Q235Q235。这。这是因为构件的刚度主要取决与它的承载面积及材是因为构件的刚度主要取决与它的承载面积及材料料的弹性模量的弹性模量，盲目选择高强度的低合金钢只会使成本增，盲目选择高强度的低合金钢只会使成

6、本增加。加。 若用若用等强度判据等强度判据，由于，由于16Mn16Mn的屈服强度高于的屈服强度高于Q235Q235，则，则构件的承载面积可减少，从而节约钢材用量，但是否经济，构件的承载面积可减少，从而节约钢材用量，但是否经济，要取决于计算结果，要取决于计算结果，应选择应选择16Mn16Mn。了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 8 页页(二二)加权性质法加权性质法 加权加权性质法可用于评价各种材料和各种性能的复杂组性质法可用于评价各种材料和各种性能的复杂组合合。材料性能的数值乘。材料性能的数值乘加权因子加权因子(a)(a)得到得到加权后的性质值，加权后的性质值，然后把每种材料单个的加

7、权性质值相加，得出对比材料的然后把每种材料单个的加权性质值相加，得出对比材料的性能性能指数指数(g)(g)，g g 值最高的材料被认为是最好的材料。值最高的材料被认为是最好的材料。 例例 ： 下列表格列出了可用作飞机机翼的几种材料。下列表格列出了可用作飞机机翼的几种材料。 材材 料料 SMPa/(tm-3)KKICIC2 2S2 2 mmEE1313GPa13/(tm-3)相对成相对成本本q q 铝合金铝合金I I 13016.51.501.18铝合金铝合金II II 2042.11.501.40钛合金钛合金 1964.61.068.00不锈钢不锈钢 11512.30.751.001 1、几种

8、飞机机翼材料的性能、几种飞机机翼材料的性能 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 9 页页2 2、几种机翼备选材料性能的、几种机翼备选材料性能的及性能指数及性能指数 材材 料料b1Sb 2KIC2S2b 3E13 b 4相对相对成本成本 g g a1,2,3,4=1 A1,2,3 =10，a4=1 铝合金铝合金I I 6410010085铝合金铝合金II II 1001310082295 2217 钛合金钛合金 9627710194 1940 不锈钢不锈钢 56755087268 1897 注：注：b 4=(1qi/qmax）100 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 1

9、0 页页：如认为各性能都是同等重要的，各性能都是同等重要的，a a1 1，2 2，3 3，4 4 =1 =1，则选择倾向于铝合金选择倾向于铝合金I I，铝合金II次之，钛合金排在最后。 分析：分析： 材料材料的实际应用状况也正是这样，目前的实际应用状况也正是这样，目前一直占一直占据着制造据着制造机翼的最主要材料的地位。机翼的最主要材料的地位。：事实上即使是民用客机，其：事实上即使是民用客机，其安全性安全性也是极其也是极其重要的，并直接影响到生产企业的商业利益，因此应适重要的，并直接影响到生产企业的商业利益，因此应适当降低成本的加权系数，当降低成本的加权系数，a a1 1，2 2，3 3=10=

10、10，a a4 4=1=1，选材仍倾向选材仍倾向于铝合金于铝合金I I，钛合金先于低价材料不锈钢。，钛合金先于低价材料不锈钢。 由于机翼在飞行时必须承受整个飞机的重量，因由于机翼在飞行时必须承受整个飞机的重量，因此机翼承受的应力最高，应力变化也最复杂，其此机翼承受的应力最高，应力变化也最复杂，其要求的要求的最主要性能为最主要性能为：S S、E E 1313、K KICIC。 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 11 页页 对于对于而言，成本往往并不是最重要的因素。而言，成本往往并不是最重要的因素。钛合金适用于高速高载荷的情况。钛合金适用于高速高载荷的情况。 故故引入引入工作温度极限

11、工作温度极限并适当地调整加权系数进行选材，并适当地调整加权系数进行选材，a a1 1=10=10，a a 2 2，3 3，4 4 =5 =5，a a5 5=1=1。 显然显然，重新分析的结果，重新分析的结果，铝合金，铝合金I I次之。次之。 事实上事实上钛合金确曾用作旋风、美洲豹、鹞式及美钛合金确曾用作旋风、美洲豹、鹞式及美YF12YF12战战斗机的框架和蒙皮材料。斗机的框架和蒙皮材料。然然 而而材料材料b1 S b b 2K KICIC2 2S2 2 b b 3E E1313 b b 4温度极温度极限限 b b 5相对成相对成本本 g g a1=10a2,3,4=5,a5=1 铝合金铝合金I

12、 64 100 100 38 85 1915 铝合金铝合金II 100 13 100 38 82 1837 钛合金钛合金 96 27 71 100 0 不锈钢不锈钢 56 75 50 100 87 1772 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 12 页页11.2 11.2 齿轮类零件选材及工艺分析齿轮类零件选材及工艺分析 工程材料工程材料 第第11章章 第第 13 页页(1) (1) 由于传递扭矩，由于传递扭矩，齿根齿根承受很大的交变弯曲应力；承受很大的交变弯曲应力；(2) (2) 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击冲击载荷；载荷；(3)

13、(3) 齿面齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及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。摩擦力的作用。工程材料工程材料 第第11章章 第第 14 页页轮齿冲击断裂轮齿冲击断裂齿面剥落齿面剥落 齿面磨损齿面磨损疲劳断裂疲劳断裂失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式是齿轮最严重的失效形式在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小由于齿面接触

14、区摩擦，使齿厚变小主要是冲击载荷过大造成的断齿主要是冲击载荷过大造成的断齿工程材料工程材料 第第11章章 第第 15 页页工作条件工作条件 失效形式失效形式 性能要求性能要求 齿根交变弯曲应力齿根交变弯曲应力 疲劳断裂疲劳断裂 齿面接触压应力、齿面接触压应力、滑动摩擦滑动摩擦 表面损伤表面损伤 轮齿冲击轮齿冲击 过载断裂过载断裂 工程材料工程材料 第第11章章 第第 16 页页特点特点1 1：经表面强化处理后，表面有高的强度和硬：经表面强化处理后，表面有高的强度和硬 度度，心部有好的韧性，能满足使用要求。，心部有好的韧性，能满足使用要求。特点特点2 2：这类钢的工艺性能好，经济上也较合理。：这

15、类钢的工艺性能好，经济上也较合理。性性 能能 要要 求求 齿轮材料要求的性能主要是弯齿轮材料要求的性能主要是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，防齿心应有足够的冲击韧性，防止轮齿受冲击过载断裂。止轮齿受冲击过载断裂。选用低、中碳钢或其合金钢。选用低、中碳钢或其合金钢。工程材料工程材料 第第11章章 第第 17 页页（1 1）钢：）钢：可应用于多种工作条件，是可应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材齿轮最主要的用材。速 度 、速 度 、载荷、载荷、冲击冲击 大大 钢种类别钢种类别 热热 处处 理

16、理 工工 艺艺 中碳钢中碳钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +高温回火）高温回火）+ +表面淬表面淬火火+ +低温回火低温回火 合金调质钢合金调质钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +高温回火）高温回火）+ +表面淬表面淬火火+ +低温回火低温回火 合金渗碳钢合金渗碳钢 渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火低温回火 工程材料工程材料 第第11章章 第第 18 页页 （2 2）高分子材料：）高分子材料：重量轻，摩擦系数小，减振性强、重量轻，摩擦系数小，减振性强、噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。名名 称称 特特 性性 应应 用用 MCMC尼

17、龙尼龙 强度高，拉伸强度可达强度高，拉伸强度可达90Mpa90Mpa以上，减以上，减摩耐磨性优于其它尼龙。摩耐磨性优于其它尼龙。 大型铸件，大型铸件，如大型齿轮如大型齿轮 聚碳酸聚碳酸酯酯 突出的抗蠕变性和冲击韧性，脆化温突出的抗蠕变性和冲击韧性，脆化温度为度为-100-100，成型精度高，透明，耐，成型精度高，透明，耐热性高于有机玻璃热性高于有机玻璃 仪表中的小仪表中的小模数齿轮。模数齿轮。工程材料工程材料 第第11章章 第第 19 页页机床齿轮机床齿轮机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。力，改变运动速度和方向的任务。工

18、作条件较好，转速中等，载荷工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。不大，工作平稳无强烈冲击。 一般一般可选可选中碳钢中碳钢(45(45钢钢) )制造，为了提高淬透性，也可制造，为了提高淬透性，也可选用选用中碳合金钢中碳合金钢(40Cr(40Cr钢钢) )。工艺路线为：下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频淬高频淬火及低温回火火及低温回火-精磨。精磨。工程材料工程材料 第第11章章 第第 20 页页机床齿轮机床齿轮 冲击载荷小的低速齿轮也可采用冲击载荷小的低速齿轮也可采用制造。有的机床齿轮还可改用制造。有的机床齿轮还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、

19、单体浇铸尼龙齿轮塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮, ,工作工作时传动平稳时传动平稳, , 噪声减少噪声减少, , 长期使用磨损很小。长期使用磨损很小。工程材料工程材料 第第11章章 第第 21 页页汽车齿轮汽车齿轮 汽车汽车齿轮受力较大，受冲击齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等均要求比部强度以及冲击韧性等均要求比机床齿轮高。机床齿轮高。 汽车汽车齿轮主要分装在变速箱齿轮主要分装在变速箱和差速器中。和差速器中。 下料下料-锻造锻造-正火正火-切削加工切削加工-渗碳、淬火及低温回渗碳、淬火及低温回火火-喷丸喷丸-磨削加工。磨削

20、加工。一般用合金渗碳钢一般用合金渗碳钢20Cr20Cr或或20CrMnTi20CrMnTi制造。制造。 渗碳齿轮的工艺路线为：渗碳齿轮的工艺路线为：工程材料工程材料 第第11章章 第第 22 页页汽车齿轮汽车齿轮解放牌载重汽车变速箱齿轮解放牌载重汽车变速箱齿轮 选材：渗碳钢选材：渗碳钢20CrMnTi20CrMnTi（淬透性：油淬（淬透性：油淬30-40mm30-40mm；渗；渗碳淬火后碳淬火后b b1100MN/m1100MN/m2 2，akak60J/cm60J/cm2 2）热处理工艺：热处理工艺：900-950900-950渗碳，渗碳，820-850820-850油淬油淬 ，180-18

21、0-200200低温回火低温回火工程材料工程材料 第第11章章 第第 23 页页11.3 11.3 轴类零件选材及工艺分析轴类零件选材及工艺分析 工程材料工程材料 第第11章章 第第 24 页页 ( (1) 1) 工作时主要受工作时主要受的复合作用；的复合作用； ( (2) 2) 轴与轴上零件有相对运动轴与轴上零件有相对运动, , 相互间存在相互间存在； ( (3) 3) 轴在高速运转过程中会产生振动轴在高速运转过程中会产生振动, , 使轴承使轴承； ( (4) 4) 多数轴会承受一定的多数轴会承受一定的。 工程材料工程材料 第第11章章 第第 25 页页 (1) (1) 长期交变载荷下的长期

22、交变载荷下的( (包括扭转疲劳和弯包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂曲疲劳断裂) )； (2) (2) 大载荷或冲击载荷作用引起的大载荷或冲击载荷作用引起的； (3) (3) 与其它零件相对运动时产生的与其它零件相对运动时产生的。 直升飞机螺旋桨驱直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断动齿轮轴扭断轴颈被埋嵌在轴承轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损中的硬粒子磨损转轴弯曲疲劳转轴弯曲疲劳断口形貌断口形貌 工程材料工程材料 第第11章章 第第 26 页页工作条件（传动）工作条件（传动） 失效形式失效形式 交变扭转、交变扭转、旋转弯曲应力旋转弯曲应力 疲劳断裂疲劳断裂 轴颈摩擦轴颈摩擦 磨磨 损损 冲击冲击 过载或冲击断裂

23、过载或冲击断裂 工程材料工程材料 第第11章章 第第 27 页页良好良好, , 价格便宜。价格便宜。良好的综合机械性能，足够强度、塑性良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性和一定韧性, , 以防过载断裂、冲击断裂；以防过载断裂、冲击断裂；高疲劳强度高疲劳强度, , 对应力集中敏感性低对应力集中敏感性低, , 以防以防疲劳断裂；疲劳断裂；足够淬透性足够淬透性, , 热处理后表面要有高硬度、热处理后表面要有高硬度、高耐磨性高耐磨性, , 以防磨损失效；以防磨损失效；工程材料工程材料 第第11章章 第第 28 页页 经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造

24、（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）强度和韧性，同时考虑疲劳抗力） 根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。因心部受力较大，应具有较高淬透性。工程材料工程材料 第第11章章 第第 29 页页速度速度载荷载荷冲击冲击磨损磨损 大大 钢种类别钢种类别 热处理工艺热处理工艺 中碳钢中碳钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +高温回火）高温回火）+ +表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火合金调质钢合金调质钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +

25、高温回火）高温回火）+ +表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火 合金渗碳钢合金渗碳钢渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火低温回火主要使用钢类材料。主要使用钢类材料。工程材料工程材料 第第11章章 第第 30 页页 用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如对应力集中敏感性较小），如3535、4040、4545、5050钢，经正火、钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；调质或表面淬火热处理改善性能； 载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时，用合金钢，如重量，或轴颈的耐磨性等要求高时，

26、用合金钢，如40Cr40Cr、40MnB40MnB、40CrNiMo40CrNiMo、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等；等； 采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。工程材料工程材料 第第11章章 第第 31 页页 受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速均受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。摩擦，这

27、些部位要求有较高的硬度和耐磨性。C620车床主轴简图车床主轴简图机床主轴机床主轴工程材料工程材料 第第11章章 第第 32 页页(1) (1) 用用4545钢钢制造。制造。 （硬度HB220250，轴颈HRC52）(2) (2) 载荷较大的主轴用载荷较大的主轴用40Cr40Cr钢钢制造。制造。 (3) (3) 承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢合金渗碳钢（20Cr20Cr或或20CrMnTi20CrMnTi）制造。制造。 (820-840)(820-840)水淬水淬 (500-550)(500-550)高温回火高温回火 轴颈高频淬火轴颈高频淬火( (

28、水冷水冷) )(180-200)(180-200)低温回火低温回火热处理工艺：热处理工艺：选材：选材：工程材料工程材料 第第11章章 第第 33 页页 车床主轴用车床主轴用4545钢制造，整体硬度要求为钢制造，整体硬度要求为HBHB 220220-250250； 轴颈和锥孔硬度要求为轴颈和锥孔硬度要求为HRHRc c 5252。工程材料工程材料 第第11章章 第第 34 页页下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频淬火高频淬火及低温回火及低温回火-精磨。精磨。机床齿轮的工艺路线：机床齿轮的工艺路线：参考参考工程材料工程材料 第第11章章 第第 35 页页其它机床

29、主轴选材其它机床主轴选材 了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 36 页页了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 37 页页 175A型柴油机曲轴简图型柴油机曲轴简图 曲轴曲轴受弯曲、扭转、剪受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应切、拉压、冲击等交变应力，可造成曲轴的扭转和力，可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。与轴承有滑动摩擦。 汽车主轴汽车主轴主要主要失效形式失效形式：疲劳断裂和轴颈严重磨损，材料要有高强度、疲劳断裂和轴颈严重磨损，材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳

30、强度和刚度，轴颈表一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。面有高硬度和耐磨性。工程材料工程材料 第第11章章 第第 38 页页 锻钢曲轴：锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢优质中碳钢和中碳合金钢，如，如3535、4040、4545、35Mn235Mn2、40Cr, 35CrMo40Cr, 35CrMo钢等；钢等；【工艺路线参前工艺路线参前】 铸造曲轴：铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等金铸铁等, , 如如ZG25ZG25、QT600-3QT600-3、QT700-2 QT700-2 、KTZ450-5KTZ450

31、-5、KTZ500-4KTZ500-4等等。工艺工艺路线：铸造高温正火高温回火切削加工路线：铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮轴颈气体渗氮。 汽车主轴汽车主轴工程材料工程材料 第第11章章 第第 39 页页是一种重要的机械零件。是一种重要的机械零件。弹簧分类如下。弹簧分类如下。11.4 11.4 其它零件选材及工艺分析其它零件选材及工艺分析 压缩螺旋弹簧压缩螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧拉伸螺旋弹簧扭转螺旋弹簧扭转螺旋弹簧板板 弹弹 簧簧片弹簧片弹簧一一 弹簧弹簧工程材料工程材料 第第11章章 第第 40 页页弹簧的用途：弹簧的用途： (1) (1) 如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂如汽车、拖拉机

32、、火车中使用的悬挂弹簧。弹簧。 (2) (2) 如机床及其夹具中利用弹簧将定位销如机床及其夹具中利用弹簧将定位销( (或滚或滚珠珠) )压在定位孔压在定位孔( (或槽或槽) )中。中。 (3) (3) 外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。动机中的气门弹簧。 (4) (4) 如钟表、玩具中的发条。如钟表、玩具中的发条。 (5) (5) 如弹簧称、测力计中使用的弹簧。如弹簧称、测力计中使用的弹簧。弹簧的工作弹簧的工作条件条件: : (1) (1) 弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲

33、应力或扭转应力。受弯曲应力或扭转应力。 (2) (2) 缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。荷的作用。 (3) (3) 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。工程材料工程材料 第第11章章 第第 41 页页弹簧的失效弹簧的失效形式形式: :(1) (1) 在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。外载荷去掉后，弹簧不能恢

34、复到原始尺寸和形状。(2) (2) 在交变应力作用下，弹簧表面缺陷在交变应力作用下，弹簧表面缺陷( (裂纹、折裂纹、折迭、迭、刻痕刻痕) )处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。(3) (3) 某些弹簧存在材料缺陷某些弹簧存在材料缺陷( (如粗大夹杂物，如粗大夹杂物，过多脆性相过多脆性相) )、加工缺陷、加工缺陷( (如折迭、划痕如折迭、划痕) )、热处理缺陷、热处理缺陷( (淬火淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够) )等，等，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。当受到过大的冲击载荷时

35、，发生突然脆性断裂。(4) (4) 在腐蚀性介质中使用的弹簧易产在腐蚀性介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。久变形。工程材料工程材料 第第11章章 第第 42 页页弹簧的弹簧的性能性能要求：要求： (1) (1) 弹簧工弹簧工作时不允许有永久变形作时不允许有永久变形，工作应力，工作应力不不超过其弹性极限超过其弹性极限。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。对于承受重弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷

36、越大。对于承受重载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材料需要高的弹性极限料需要高的弹性极限。 (2) (2) 弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度-1-1和扭转疲劳强度和扭转疲劳强度-1-1越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。 (3) (3) 夹杂物含量少，晶粒细小，夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。性断裂十分重要。 (4) (4) 某些弹簧需要材料有良好的某些弹簧需要材料有良好的 保证保证在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能

37、。在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能。工程材料工程材料 第第11章章 第第 43 页页弹簧的弹簧的选材：选材： 分为两大类：分为两大类： （1 1）热轧弹簧用材）热轧弹簧用材 通过热轧方法加工成园钢、方钢、通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或板簧。盘条、扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。 （2 2）冷轧）冷轧( (拔拔) )弹簧用材弹簧用材 以盘条、钢丝或薄钢带以盘条、钢丝或薄钢带( (片片) )供供应，用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。应，用来制作小型冷成型螺旋

38、弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。 【主要弹簧钢的特点及用途见下表。主要弹簧钢的特点及用途见下表。】工程材料工程材料 第第11章章 第第 44 页页 0Cr18Ni90Cr18Ni9、1Cr18Ni91Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 通过冷轧通过冷轧( (拔拔) )加工加工成带或丝材成带或丝材, , 制造在腐蚀性介质中使用的弹簧制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。 具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件。件。工程材料工程

39、材料 第第11章章 第第 45 页页主要弹簧钢的特点及用途主要弹簧钢的特点及用途了了 解解工程材料工程材料 第第11章章 第第 46 页页典型弹簧选材实例典型弹簧选材实例 汽车板簧汽车板簧汽车板簧材料汽车板簧材料 轻型汽车选用轻型汽车选用65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn钢制造；钢制造；中型或重型汽车中型或重型汽车, , 板簧用板簧用50CrMn, 55SiMnVB50CrMn, 55SiMnVB钢；钢；重型重型载重汽车大截面板簧用载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb钢制造。钢制造。工程材料工程材料 第第11章

40、章 第第 47 页页 热轧钢带热轧钢带( (板板) )冲裁下料冲裁下料压力成型压力成型淬火淬火中温回火中温回火喷丸强化喷丸强化 淬火淬火 温度为温度为850 850 C C860 860 C(60Si2MnC(60Si2Mn钢为钢为870 870 C), C), 采采用油冷用油冷, , 淬火后组织为马氏体。淬火后组织为马氏体。 回火回火 温度为温度为420 420 C C500 500 C, C, 组织为回火屈氏体。屈服组织为回火屈氏体。屈服强度强度s s0.20.2不低于不低于1100 1100 MPaMPa, , 硬度为硬度为42 HRC42 HRC47 HRC, 47 HRC, 冲击韧冲

41、击韧性性a ak k为为250 KJ/m250 KJ/m2 2300 KJ/m300 KJ/m2 2。 工艺路线工艺路线工程材料工程材料 第第11章章 第第 48 页页 是一种压缩螺旋弹簧。其用途是在凸轮、摇臂或是一种压缩螺旋弹簧。其用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下，使气门打开和关闭，承受应力不挺杆的联合作用下，使气门打开和关闭，承受应力不是很大，可采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定耐是很大，可采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定耐热性的热性的50CrVA50CrVA钢钢制造。制造。内燃机气门弹簧材料内燃机气门弹簧材料工艺路线工艺路线冷卷成型冷卷成型淬火淬火中温回火中温回火喷丸强化喷丸强化两

42、端磨平两端磨平工程材料工程材料 第第11章章 第第 49 页页继电器簧片材料继电器簧片材料继电器簧片继电器簧片黄铜导电性黄铜导电性好，抗疲劳性能较高，弹性一般，价格较低。好，抗疲劳性能较高，弹性一般，价格较低。锡锡青铜导电性青铜导电性稍低，但抗疲劳性能高，弹性好，价格稍高。稍低，但抗疲劳性能高，弹性好，价格稍高。白铜导电性白铜导电性好，抗蚀性高，抗疲劳性能较高，弹性好，价格较贵。好，抗蚀性高，抗疲劳性能较高，弹性好，价格较贵。黄铜黄铜(H70)(H70)、锡青铜、锡青铜(QSn6.5-0.1)(QSn6.5-0.1)、白铜、白铜(B19)(B19) 是是一种片簧，其作用是使一种片簧，其作用是使

43、两电触点接触时两电触点接触时, , 产生一定大产生一定大小的压力，以保证触头紧密接小的压力，以保证触头紧密接触良好导电。簧片材料要有触良好导电。簧片材料要有好好的弹性、导电性和耐蚀性的弹性、导电性和耐蚀性。簧。簧片所受弯曲应力很小。片所受弯曲应力很小。工程材料工程材料 第第11章章 第第 50 页页 切削加工切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。 (1) (1) 刃具切削材料时，受到被切削材料的强烈挤压，刃刃具切削材料时，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力。某些刃具部受到很大的弯曲应力。某些刃具

44、( (如钻头、铰刀如钻头、铰刀) )还会受还会受到较大的扭转应力作用。到较大的扭转应力作用。 (2) (2) 刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃具刃部与被切削材料强烈摩擦， 刃部温度可升到刃部温度可升到500 500 C C600 600 C C。 (3) (3) 机用刃具往往承受较大的冲击与震动。机用刃具往往承受较大的冲击与震动。二二 刃具刃具刃具的工作条件刃具的工作条件切削加工切削加工工程材料工程材料 第第11章章 第第 51 页页 (1) (1) 磨损磨损 由于摩擦，刃具刃部易磨损，这不但增加了切由于摩擦，刃具刃部易磨损，这不但增加了切削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被

45、削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。加工零件的形状和尺寸精度降低。 (2) (2) 断裂断裂 刃具在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。刃具在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。 (3) (3) 刃部软化刃部软化 由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。刃具的失效形式刃具的失效形式 (1) (1) 高硬度，高耐磨性高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于。硬度一般要大于62 HRC62 HRC； (2) (2) 高的红硬

46、性高的红硬性； (3) (3) 强韧性强韧性好好； (4) (4) 高淬透性高淬透性。可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形和开裂。和开裂。刃具材料的性能要求刃具材料的性能要求工程材料工程材料 第第11章章 第第 52 页页 制造刃具的材料有制造刃具的材料有等，根据刃具的使用条件和性能要求不同等，根据刃具的使用条件和性能要求不同进行选用。进行选用。 手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。碳素工具钢价格较低。碳素工具钢价格较低, , 但淬透性差。但淬透性差。 丝锥、板牙、拉刀等可用丝锥、板牙、拉刀等可用制制造。因钢中加入了造。因钢中加入了CrCr、W W、MnMn等元素等元素, , 使钢的淬透性和耐磨使钢的淬透性和耐磨性大大提高性大大提高, , 耐热性和韧性也有所改善耐热性和韧性也有所改善, , 可在可在 300 300 C C的的温度下使用