机械工程材料-ch机械零件的失效和选材

机械工程材料MechanicalEngineeringMaterialsScience机械与电子工程学院§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。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：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5070015561006001340零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§2典典型零件件的选材材与工艺艺一、齿轮轮选材性能要求求：齿齿面硬度度（决定定弯曲、、接触疲疲劳强度度，耐磨磨性），，强度，，韧性。。失效形式式：轮齿齿折断（（主要发发生在齿齿的根部部和中部部），齿齿面损伤伤（包括括麻点和和较大摩摩擦力造造成的过过度磨损损）选材：调质钢→→最终终热处理理：调质质+表表面淬淬火+低温温回火渗C钢→最最终热处处理：渗渗碳后淬淬火处理理。中高碳钢钢→最终终热处理理：调质质处理后后表面淬淬火。实例1：：载载重汽车车变速箱箱齿轮性能指标标———σb>1000MPa，AK≥50J，齿面硬度度≥HRC55。。选材———20CrMnTi，，20SiMnVB等，σb>1080MPa，AK≥55J，齿面HRC≥≥58~63。。工艺路线线：下下料→锻造→正火→粗加工工→局部部镀铜→→渗C、淬火＋低低温回火火→喷丸丸→磨削削→零件件局部镀铜铜的目的的：渗碳碳前对一一些不需需要有较较高的力力学性能能、而且且还需要要后续切切削加工工的部位位进行局局部镀铜铜防渗处处理。喷丸处理理：可以以去除热热处理后后的氧化化皮，还还可在表表层形成成一层残残余亚应应力，有有助于提提高齿面面的接触触疲劳强强度。正火的目目的：消消除锻造造应力，，均匀细细化组织织、调整整硬度，，便于材材料的切切削加工工，获得得的组织织一般为为片状珠珠光体+铁素体体。渗碳淬火火+低温温回火：：淬火后后心部获获得低碳碳马氏体体组织，，有较好好的冲击击韧度。。低温回回火的目目的消除除淬火应应力，降降低脆性性。实例2：机机床齿轮轮机床齿轮轮的工作作条件：：工作作条件较较好，载载荷不大大，转速速中等，，工作平平稳，少少有强烈烈的冲击击，要求求除了有有高的接接触疲劳劳强度、、弯曲强强度、表表面硬度度与耐磨磨性外，，还应保保证高的的传动精精度和小小的工作作噪声。。选材：：一般采采用调质质钢，如如45钢钢、40Cr或40MnB钢。工艺路线线：下料料→锻造→正正火→粗粗加工→→调质→→滚齿→→齿部高高频加热热表面淬淬火+低低温回火火高频加热热表面淬淬火+低低温回火火目的：：提高齿齿面的硬硬度、有有利于提提高齿轮轮的耐磨磨性和接接触疲劳劳强度，，淬火后后形成压压应力防防止止表面发发生麻点点剥落。。调质目的的：为齿齿轮提供供较高的的综合机机械性能能，保证证齿的心心部具有有足够高高的强度度和韧性性以承受受较大的的交变弯弯曲应力力和冲击击载荷，，同时还还可以减减少淬火火后的变变形。正火目的的：作为为预备热热处理工工艺可以以消除锻锻造毛坯坯的应力力，细化化组织，，调整毛毛坯的硬硬度到适适合切削削加工的的范围。。二、轴类类零件选选材性能要求求：轴轴类零件件起支撑撑传动零零件和传传递扭矩矩的作用用，还承承受交变变载荷和和扭转复复合载荷荷，某些些情况下下还受到到冲击作作用，轴轴颈尚需需耐磨。。失效形式式：疲劳劳断裂和和轴颈处处的过量量磨损失失效，腐腐蚀磨损损失效，，冲击过过载造成成的断裂裂失效等等。选材：碳含量在在0.3～0.5％，，如35、40、45、50等碳素素结构钢钢，35CrMo、40Cr、、40CrNi合金调质质钢。实例1、、C620机床主轴轴选材性能要求求———强度度、塑韧韧性，疲疲劳强度度，轴颈颈耐磨性性。普通车床床（轻载载）主轴轴45钢调调质或正正火，轴轴颈高频频表面淬淬火。铣床（中中载）主主轴40Cr等调质，，轴颈高高频表面面淬火。。组合机床床（重载载）主轴轴20CrMnTi，，经渗C、淬火、回回火处理理。精密镗床床（高精精度）主主轴38CrMoAl，，调质+氮化化+时时效C620车床主轴轴，综合合机械性性能一般般；大端端轴颈等等部位耐耐磨性高高。性能指标标———硬度度220～～250HB，，轴颈52HRC。。选材———45钢，，整体硬硬度220～～250HB，，轴颈表面淬火火硬度52~57HRC。热处理工工艺———840℃℃水淬+600℃℃回火(水或油油冷）+轴颈高频频淬火+200℃℃回火最终组织织———心部部：回火火S轴颈表面面：回火火M工艺路线线———下料料→锻造→→正火→→粗加工工→调质质→半精精加工→→表面淬淬火＋低低温回火火→磨削削→零件件常用机床床主轴选选用的材材料及热热处理方方法实例2、、内燃燃机曲轴轴选材及及热处理理工艺拟拟定175A型农用柴柴油机曲轴性能要求求———强度度，韧性性，弯曲曲、扭转转疲劳强强度和刚刚度，轴轴颈耐磨磨性。选材——调质钢钢（韧性性高）、、球墨铸铸铁。实例——175A型农用柴柴油机曲曲轴性能指标标—σb>650MPa，整体硬度度220～260HBS，轴颈表面面硬度≥≥625HV(HRC55),δδ≥2%,AK≥15J。选材——锻钢曲曲轴（优优质中碳碳钢和中中碳合金金钢）铸造曲轴轴（球墨墨铸铁））锻钢曲轴轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、、48MnV、、49MnVS3等铸造曲轴轴：QT700-2。锻钢曲轴轴的热处处理工艺艺