机械工程材料-ch机械零件和失效和选材课件

机械工程材料MechanicalEngineeringMaterialsScience机械与电子工程学院机械工程材料MechanicalEngineeringM§1选材原则2、选材原则－使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则1、选材的动机—产品开发、改进、更新换代。一、材料的使用性能——首要原则零件失效类型变形—弹、塑性变形。断裂—脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤—磨损、腐蚀等。零件失效的原因—设计、材料、加工、安装和使用。§1选材原则2、选材原则－使用、工艺性能；经济性；环境与资潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形零件失效的实例潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云断裂仅占5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损失效统计：断裂仅占5%潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研常见零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求应力

种类载荷

性质受载

状态螺栓拉、剪静载--过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环

冲击轴颈

摩擦疲劳断裂，过量变形

，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环

冲击摩擦

振动断齿，磨损，

疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限

，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变

冲击振动弹性失稳，

疲劳破坏弹性极限，屈强比

，疲劳极限常见零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能——导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。４.性能的指标化——如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性——力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能

热处理条件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能零件的加工工艺路线一般零件毛坯→正火或退火→切削加工轴、齿轮等毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工精密丝杠毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→时效（或N化）→精加工→时效二、工艺性能——铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线一般零件二、工艺性能——铸、锻、焊、１.产品成本分析三、经济性——根本原则１.产品成本分析三、经济性——根本原则基本材料的成本（价格、利用率）

——占总成本的30~70%制造（加工）成本——约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材料元/kg材料元/kg铂290,000Zn34金160,000铝21银3,50040Cr3.7钛200碳钢3.3铜68生铁2.3基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70%四、环境与资源原则

——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量2.能源消耗少

可用年数再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493.环境污染小废气排放少材料回收及降解四、环境与资源原则——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程§2典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）选材：调质钢→最终热处理：调质+表面淬火+低温回火渗C钢→最终热处理：渗碳后淬火处理。中高碳钢→最终热处理：调质处理后表面淬火。§2典型零件的选材与工艺一、齿轮选材实例1：载重汽车变速箱齿轮性能指标——σb>1000MPa，AK≥50J

，齿面硬度≥HRC55。选材——20CrMnTi，20SiMnVB等，σb

>1080MPa

，AK≥55J，齿面HRC≥58~63。

实例1：载重汽车变速箱齿轮工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削→零件局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。

正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、淬火实例2：机床齿轮

机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。选材：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。实例2：机床齿轮机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→齿部高频加热表面淬火+低温回火高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力防止表面发生麻点剥落。调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→齿部高频加二、轴类零件选材性能要求：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。选材：碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素结构钢，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。二、轴类零件选材选材：实例1、C620机床主轴选材实例1、C620机床主轴选材性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴20CrMnTi，经渗C、淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴38CrMoAl，调质+氮化+时效性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。C620车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。性能指标——硬度220～250HB，轴颈52HRC。选材——45钢，整体硬度220～250HB，轴颈表面淬火硬度52~57HRC。热处理工艺——840℃水淬+600℃回火(水或油冷）

+轴颈高频淬火+200℃回火最终组织——心部：回火S轴颈表面：回火M

工艺路线——下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火＋低温回火→磨削→零件C620车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高常用机床主轴选用的材料及热处理方法常用机床主轴选用的材料及热处理方法机械工程材料-ch机械零件和失效和选材课件实例2、内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定175A型农用柴油机曲轴

实例2、内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定175A型农用柴油机性能要求——强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材—调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例—175A型农用柴油机曲轴性能指标—σb>650MPa，整体硬度220～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,AK≥15J。选材—锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）铸造曲轴（球墨铸铁）锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等性能要求——强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐铸造曲轴：QT700-2。锻钢曲轴的热处理工艺：下料→锻造→正火→矫直→粗加工→去应力退火→调质→半精加工→局部表面淬火+低温回火→矫直→精磨→零件铸造曲轴的工艺路线：铸造→高温正火→高温回火→矫直→切削加工→去应力退火→轴颈气体渗氮（碳氮共渗）→矫直→精加工→零件铸造曲轴：QT700-2。机械工程材料MechanicalEngineeringMaterialsScience机械与电子工程学院机械工程材料MechanicalEngineeringM§1选材原则2、选材原则－使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则1、选材的动机—产品开发、改进、更新换代。一、材料的使用性能——首要原则零件失效类型变形—弹、塑性变形。断裂—脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤—磨损、腐蚀等。零件失效的原因—设计、材料、加工、安装和使用。§1选材原则2、选材原则－使用、工艺性能；经济性；环境与资潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云教授研制轴承内圈破裂潘存云教授研制轴承外圈塑性变形零件失效的实例潘存云教授研制轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断潘存云断裂仅占5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损失效统计：断裂仅占5%潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研常见零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求应力

种类载荷

性质受载

状态螺栓拉、剪静载--过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯、扭循环

冲击轴颈

摩擦疲劳断裂，过量变形

，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环

冲击摩擦

振动断齿，磨损，

疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限

，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变

冲击振动弹性失稳，

疲劳破坏弹性极限，屈强比

，疲劳极限常见零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见失效形式性能要求２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能——导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。４.性能的指标化——如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性——力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能

热处理条件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能零件的加工工艺路线一般零件毛坯→正火或退火→切削加工轴、齿轮等毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工精密丝杠毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→时效（或N化）→精加工→时效二、工艺性能——铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线一般零件二、工艺性能——铸、锻、焊、１.产品成本分析三、经济性——根本原则１.产品成本分析三、经济性——根本原则基本材料的成本（价格、利用率）

——占总成本的30~70%制造（加工）成本——约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材料元/kg材料元/kg铂290,000Zn34金160,000铝21银3,50040Cr3.7钛200碳钢3.3铜68生铁2.3基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70%四、环境与资源原则

——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量2.能源消耗少

可用年数再生率(%)Fe12831.7Al3516.9Cu3240.9Zn2421.2W47Ag1541.0Mn14Ni493.环境污染小废气排放少材料回收及降解四、环境与资源原则——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程§2典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）选材：调质钢→最终热处理：调质+表面淬火+低温回火渗C钢→最终热处理：渗碳后淬火处理。中高碳钢→最终热处理：调质处理后表面淬火。§2典型零件的选材与工艺一、齿轮选材实例1：载重汽车变速箱齿轮性能指标——σb>1000MPa，AK≥50J

，齿面硬度≥HRC55。选材——20CrMnTi，20SiMnVB等，σb

>1080MPa

，AK≥55J，齿面HRC≥58~63。

实例1：载重汽车变速箱齿轮工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削→零件局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。

正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→局部镀铜→渗C、淬火实例2：机床齿轮

机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。选材：一般采用调质钢，如45钢、40Cr或40MnB钢。实例2：机床齿轮机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→齿部高频加热表面淬火+低温回火高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力防止表面发生麻点剥落。调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→滚齿→齿部高频加二、轴类零件选材性能要求：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。选材：碳含量在0.3～0.5％，如35、40、45、50等碳素结构钢，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。二、轴类零件选材选材：实例1、C620机床主轴选材实例1、C620机床主轴选材性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴20CrMnTi，经渗C、淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴38CrMoAl，调质+氮化+时效性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。C620车床主轴，综合机械性能一