第13章 材料选用

1、工程材料及机械制造基础工程材料及机械制造基础讨讨 论论 q 材料的性能由什么决定？强化材料材料的性能由什么决定？强化材料的方法有哪些？的方法有哪些？q一般的车床主轴可用什么材料？一般的车床主轴可用什么材料？ 机机 械械 工工 程程 材材 料料第第1313章章 材料的选用材料的选用 概述概述13.113.1机械零件的选材机械零件的选材13.213.2 机机 械械 工工 程程 材材 料料 众所周知，机器零件的正确选材与合众所周知，机器零件的正确选材与合理用材是广大工程技术人员的基本任务之理用材是广大工程技术人员的基本任务之一，也是本课程教学的主要目的因此本一，也是本课程教学的主要目的因此本章被列为

2、本课程的重点，本章学习重点有：章被列为本课程的重点，本章学习重点有：v 掌握材料合理选用的基本原则和方法；掌握材料合理选用的基本原则和方法；v 明确机械零件失效的基本形式，了解有关失效分析的明确机械零件失效的基本形式，了解有关失效分析的一般步骤与方法；一般步骤与方法；v 熟悉齿轮和轴这两类典型零件的选材分析（包括工作熟悉齿轮和轴这两类典型零件的选材分析（包括工作条件，常见失效形式，其性能要求等），初步做到能正条件，常见失效形式，其性能要求等），初步做到能正确、合理地选用材料，安排其大致加工工艺路线，制定确、合理地选用材料，安排其大致加工工艺路线，制定其相应的热处理工艺，判断其所得组织等其相应的

3、热处理工艺，判断其所得组织等 。13.1 概述概述 机机 械械 工工 程程 材材 料料一、选材的一般原则一、选材的一般原则 1、 使用性原则使用性原则 满足机械性能和物理、化学性能的要求满足机械性能和物理、化学性能的要求 2、 工艺性原则工艺性原则 适应各种冷、热加工要求的能力适应各种冷、热加工要求的能力 3 3、 经济性原则经济性原则 保证使用性能要求及加工质量的前提下，保证使用性能要求及加工质量的前提下， a、 材料价格材料价格 b、 材料加工费用材料加工费用 c、 使用寿命、维修等附加费用使用寿命、维修等附加费用 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料

4、二、材料的使用性能二、材料的使用性能 1 1、根据零件的服役条件和可能的失根据零件的服役条件和可能的失效或形式，给出选材的主要性能，效或形式，给出选材的主要性能，（机械性能物理性能）指标，以保证（机械性能物理性能）指标，以保证零件的使用性能。零件的使用性能。 常用零件的服役条件、失效形式常用零件的服役条件、失效形式及主要性能指标（自学）。及主要性能指标（自学）。13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料三、三、材料的工艺性能材料的工艺性能 材料工艺性能即加工成零件的难易程度。材料工艺性能即加工成零件的难易程度。 金属材料加工方法有铸造，压力加工，焊接，切削加工及

5、热处理。金属材料加工方法有铸造，压力加工，焊接，切削加工及热处理。从工艺性考虑：从工艺性考虑： 铸件铸件最好选择共晶合金。最好选择共晶合金。 锻件，冲压件锻件，冲压件最好选择固溶体合金，低碳铜和低合金钢锻造性能好，最好选择固溶体合金，低碳铜和低合金钢锻造性能好，高碳钢较差，高合金钢很差。高碳钢较差，高合金钢很差。 焊接结构焊接结构选择低碳钢或低合金钢，不应选铸铁，铜合金及铝合金的选择低碳钢或低合金钢，不应选铸铁，铜合金及铝合金的焊接性能均不好。焊接性能均不好。 切削加工切削加工是材料被切削的难易程度。希望钢铁材料的硬度控制在是材料被切削的难易程度。希望钢铁材料的硬度控制/p>

6、0HBSHBS。 热处理工艺性热处理工艺性碳钢的淬透性差；加热易过热而晶粒长大，淬火是容碳钢的淬透性差；加热易过热而晶粒长大，淬火是容易变形与开裂，制造高强度及大截面、形状复杂的零件，需选用合金钢。易变形与开裂，制造高强度及大截面、形状复杂的零件，需选用合金钢。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 1 1、机床类齿轮由于工作条件较好、机床类齿轮由于工作条件较好（无强烈冲击，工作平稳），大多可选调（无强烈冲击，工作平稳），大多可选调质钢（、等）制造，经调质质钢（、等）制造，经调质（或正火）处理十高频淬火、低温回火，（或正火）处理十高频淬火、低温回火，这是一

7、般规律特例：当高速且承受冲击这是一般规律特例：当高速且承受冲击载荷较大时（如立式车床上的重要齿轮）载荷较大时（如立式车床上的重要齿轮）宜选宜选2020CrMnTiCrMnTi（2020r r）等渗碳钢制造，等渗碳钢制造，经渗碳十淬火十低温回火处理。经渗碳十淬火十低温回火处理。 四、典型零件的选材及热处理四、典型零件的选材及热处理 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 2 2、对于汽车、拖拉机的变速齿轮，由于、对于汽车、拖拉机的变速齿轮，由于承载较重，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、承载较重，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧度等，均要求比机

8、床齿轮心部强度以及冲击韧度等，均要求比机床齿轮高，故一般均采用渗碳钢制造，经渗碳高，故一般均采用渗碳钢制造，经渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火处理，表层碳含量大大提高，保证淬低温回火处理，表层碳含量大大提高，保证淬火后高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳抗力，火后高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳抗力，由于合金元素提高淬透性，所以经淬、回火后由于合金元素提高淬透性，所以经淬、回火后可使工件心部获得较高的强度和足够的冲击韧可使工件心部获得较高的强度和足够的冲击韧度。但其中对于如汽车、拖拉机的油泵齿轮等度。但其中对于如汽车、拖拉机的油泵齿轮等承载轻、受冲击小的场合，亦可选调质钢经调承载轻、受冲击小的场合，亦

9、可选调质钢经调质处理使用（这是特例）。质处理使用（这是特例）。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 3 3、根据轴类零件（机床主轴、曲轴等）、根据轴类零件（机床主轴、曲轴等）的工作条件、用材及热处理情况，同时兼的工作条件、用材及热处理情况，同时兼顾轴类零件的强度和韧性，考虑其疲劳抗顾轴类零件的强度和韧性，考虑其疲劳抗力，一般选用调质钢制造，采用力，一般选用调质钢制造，采用 调质调质+ +局局部 表 面 淬 火 、 低 温 回 火 处 理 。部 表 面 淬 火 、 低 温 回 火 处 理 。 特例：特例：当承受重载，高速、且承受当承受重载，高速、且承受冲

10、击 载 荷 较 大 时 可 选 用 渗 碳 钢 （ 如冲 击 载 荷 较 大 时 可 选 用 渗 碳 钢 （ 如20CrMnTi等）经渗碳等）经渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火处理；处理； 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 近年来在国内、外使用球墨铸铁代钢作近年来在国内、外使用球墨铸铁代钢作汽车、拖拉机与农用柴油机曲轴的愈来愈多，汽车、拖拉机与农用柴油机曲轴的愈来愈多，第二代解放牌汽车第二代解放牌汽车130130汽车、东风及东风型汽车、东风及东风型内燃机车的曲轴均使用球墨铸铁（或合金球墨内燃机车的曲轴均使用球墨铸铁（或合金球墨铸铁）制造，虽然球墨铸铁的

11、塑、韧性远低于铸铁）制造，虽然球墨铸铁的塑、韧性远低于锻钢，但在一般发动机中当对塑韧性要求并不锻钢，但在一般发动机中当对塑韧性要求并不太高，而且球墨铸铁的缺口敏感性小，实际球太高，而且球墨铸铁的缺口敏感性小，实际球墨铸铁的疲劳强度并不明显低于锻钢，而且可墨铸铁的疲劳强度并不明显低于锻钢，而且可通过表面强化（如滚压、喷丸等）处理大大提通过表面强化（如滚压、喷丸等）处理大大提高其疲劳强度，其效果优于锻钢，因而在性能高其疲劳强度，其效果优于锻钢，因而在性能上完全可代替调质碳钢。上完全可代替调质碳钢。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料【例题【例题11-111-

12、1】 1 1、C618C618机床变速箱齿轮（该齿轮尺寸机床变速箱齿轮（该齿轮尺寸不大，其厚度为不大，其厚度为1515mmmm）工作时转速较高，工作时转速较高，性能要求如下：齿的表面硬度性能要求如下：齿的表面硬度50505656HRCHRC，齿 心 部 硬 度齿 心 部 硬 度 2 22 2 2 5 2 5 H R CH R C ， 整 体 强 度整 体 强 度b b=760=760800MPa800MPa，整体韧性整体韧性K K=40=4060J/cm60J/cm2 2 。请从下列材料中进行合理选用，请从下列材料中进行合理选用，并制订其工艺流程：并制订其工艺流程：3535、4545、T12T

13、12、20CrMnTi20CrMnTi、38CrMoAl38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti0Cr18Ni9Ti、W18Cr4VW18Cr4V。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料1.1.分析分析 普通车床中的变速箱齿轮，是主传动系统中传递动力的普通车床中的变速箱齿轮，是主传动系统中传递动力的齿轮。因此，要求有一定的强度和轮齿的心部硬度及韧性。齿轮。因此，要求有一定的强度和轮齿的心部硬度及韧性。这种齿轮在工作中转速较高，齿表面要求有较高的硬度以保这种齿轮在工作中转速较高，齿表面要求有较高的硬度以保证耐磨性。但同汽车、拖拉机变速齿轮相比，一般机床齿轮证耐

14、磨性。但同汽车、拖拉机变速齿轮相比，一般机床齿轮工作时相对比较平稳，承受冲击负荷很小，传递的动力也不工作时相对比较平稳，承受冲击负荷很小，传递的动力也不很大。所以上述要求都不是太高，例如齿表面硬度只要求很大。所以上述要求都不是太高，例如齿表面硬度只要求。显然，不需要采用化学热处理（如渗碳）。显然，不需要采用化学热处理（如渗碳）。整体的强度、韧性由调质可以达到。因此，选用淬透性适当整体的强度、韧性由调质可以达到。因此，选用淬透性适当的调质钢经调质处理后，再经高频表面淬火和低温回火即可的调质钢经调质处理后，再经高频表面淬火和低温回火即可达到要求。这种齿轮的尺寸不大，尤其是厚度甚小（达到要求。这种齿

15、轮的尺寸不大，尤其是厚度甚小（1515），可选用优质碳素结构钢，水淬即可使截面大部分淬透，），可选用优质碳素结构钢，水淬即可使截面大部分淬透，回火后基本上能满足性能要求。因此，从所给钢种中选择回火后基本上能满足性能要求。因此，从所给钢种中选择钢制造合适。钢制造合适。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料2.2.解答解答 选用选用4545钢制造，较为合适。钢制造，较为合适。 其加工工艺路线为：下料其加工工艺路线为：下料锻造锻造正火（正火（840840860860空冷）空冷）机加机加工工调质（调质（840840860860水淬，水淬，500500550550回

16、火）回火）精加工精加工高频高频表面淬火（表面淬火（880880900900水冷）水冷）低低温回火（温回火（200200回火）回火）精磨。精磨。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料3.3.常见错误剖析常见错误剖析 选用选用2020I I或或l l钢制造。错在此种选材法不符钢制造。错在此种选材法不符合经济性原则，即大材小用。合经济性原则，即大材小用。4.4.更正措施更正措施 遵循选材的三项基本原则，应选遵循选材的三项基本原则，应选用用4545钢较为合适。钢较为合适。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 有一载重汽车变速

17、箱齿轮，使用中受一定有一载重汽车变速箱齿轮，使用中受一定冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为冲击，负载较重，齿表面要求耐磨，硬度为58586363HRCHRC，齿心部硬度齿心部硬度33334545HRCHRC，其余力学其余力学性能要求为性能要求为: :b b 1000Mpa ,1000Mpa ,-1-1440Mpa , a 440Mpa , a K K 95J/cm 95J/cm2 2 。试从试从“例题例题71”71”所给材料中所给材料中选择制造该齿轮的合适钢种，制订工艺流程，选择制造该齿轮的合适钢种，制订工艺流程，分析每步热处理的目的及其组织。分析每步热处理的目的及其组织。 【例题11-2

18、】 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料1.1.分析分析 由题意可知，此载重汽车变速箱齿轮在工作时负荷较由题意可知，此载重汽车变速箱齿轮在工作时负荷较重，每个齿受交变弯矩的作用，因此要有高的强度和高的重，每个齿受交变弯矩的作用，因此要有高的强度和高的疲劳强度。齿轮还受到较大的冲击，故要求有高的冲击韧疲劳强度。齿轮还受到较大的冲击，故要求有高的冲击韧度。齿表面为防止磨损，要求具有高硬度和高耐磨性（度。齿表面为防止磨损，要求具有高硬度和高耐磨性（HRCHRC）。）。每个齿除受较大的弯矩外，齿表面还承受每个齿除受较大的弯矩外，齿表面还承受较大的压力。因此不仅要求

19、齿表面硬度高，耐磨，还要求较大的压力。因此不仅要求齿表面硬度高，耐磨，还要求齿的心部具有一定的强度和硬度（齿的心部具有一定的强度和硬度（5 5HRCHRC）。）。根据根据以上分析，可知该汽车齿轮的工作条件比机床齿轮要求苛以上分析，可知该汽车齿轮的工作条件比机床齿轮要求苛刻，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方刻，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面的要求均比机床齿轮要高。从例题面的要求均比机床齿轮要高。从例题7-7-所列钢种中，调所列钢种中，调质钢钢不能满足使用要求（表面硬度只能达质钢钢不能满足使用要求（表面硬度只能达50505656HRCHRC）。 13.2 机械零件的

20、选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料 l l为氮化钢，氮化层较薄，为氮化钢，氮化层较薄，适合应用于转速快，压力小，不受冲击的使用条适合应用于转速快，压力小，不受冲击的使用条件，故其不适合做此汽车齿轮。件，故其不适合做此汽车齿轮。 渗碳钢经渗碳热处理后，渗碳钢经渗碳热处理后，齿表面可获得高硬度（齿表面可获得高硬度（ HRCHRC）、）、高耐高耐磨性。由于该钢淬透性好，齿心部可获得强韧结磨性。由于该钢淬透性好，齿心部可获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，故可满足使用合的组织，具有较高的冲击韧度，故可满足使用要求。因此该载重汽车变速箱齿轮选用要求。因此该载重汽车变速箱齿轮选用 钢制造。钢制造。 13.2 机械零件的选材机械零件的选材 机机 械械 工工 程程 材材 料料2.2.解答解答 制造该齿轮的适宜钢种为制造该齿轮的适宜钢种为2020CrMnTi CrMnTi ，其加工工其加工工艺路线为：艺路线为：下料下料锻造锻造正火（正火（950950970970空空冷）冷）机加工机加工渗碳（渗碳（920920950950渗碳渗碳6 68 8小时）小时）预冷淬火（预冷至预冷淬火（预冷至油冷）油冷）低温回火低温回火喷丸喷丸磨齿。磨齿。 其中每一步热处理的目的及相应组织为：其中每一步热处理的目的及相应组织为： 正