机械零件的选材

工程材料及机械制造基础

主讲教师-高丽第九章工程材料的选用及机械零件毛坯的选择一.失效概念：

指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。机件的失效二、机械零件的失效形式三、失效的原因（1）设计不当

主要是指零件的强度设计不足，或结构工艺性不当。

（2）选材不合理

对零件的失效形式判断错误，所选材料不能满足使用要求；

选材依据的性能指标不能反映材料对实际失效形式的抗力，错选材料；

材料冶金质量差，热处理技术要求不合格。（3）加工不当

零件加工工艺不正确可能造成种种缺陷。

（4）安装使用不当

四、失效分析方法

实验研究的步骤：

（1）对失效零件进行观察，测量并记录损坏位置、尺寸变化和断口的宏观特征。（2）了解零件的工作环境和失效经过，观察相邻零件的损坏情况，判断损坏顺序收集有关零件设计、材料、加工、安装、使用和维修等方面的资料。

（3）根据需要选择以下项目进行试验：

①化学分析②断口分析

③金相分析④机械性能测试

⑤断裂力学分析⑥应力分析

1、选材的原则

（1）满足零件使用性能的要求，防止失效事故的出现。①必须考虑材料和机件服役的实际情况。

②考虑钢材的尺寸效应。③综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。

（2）满足零件的工艺性能的要求，提高成品率。

（3）满足经济性要求，用最低的成本获取最大的经济效益。2、零件选材的步骤

①通过分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。

②通过分析或试验，结合同类零件失效分析的结果，确定零件在实际使用中主要的和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。③通过力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。④决定热处理方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。

⑤审核所选材料的生产经济性（包括热处理的生产成本等）。⑥试验、投产。

材料的工艺性能

铸造性能:

主要指流动性、收缩性、偏析倾向、吸气性等.接近共晶成分的合金铸造性能最好。

锻造性能:

焊接性能:主要指焊缝区形成裂纹及气孔的能力。含碳量和合金元素含量↑,焊接性能↓材料的塑性高,变形抗力小,则锻造性能好。切削加工性:

主要指允许的切削速度、切削抗力的大小、零件加工后的表面粗糙度、断屑能力及刀具的耐用度。

钢的硬度为170~230HB时,其切削性能最佳。在选用预先热处理时,低碳钢应采用正火；中碳钢应采用正火或退火；高碳钢应采用球化退火。

热处理工艺性:

主要指淬透性，变形开裂倾向，过热敏感性及氧化脱碳倾向等.

合金钢的热处理工艺性比碳钢好。材料的工艺性能常用金属材料工艺性能比较碳钢合金钢铸铁铸造××√(灰铸铁√)锻造低碳钢√高碳钢×高碳高合金钢×××焊接低碳钢√高碳钢××××切削加工√高速钢×易切削钢√√热处理工艺×√×热处理方案的选择选择热处理方案遵循的原则：1、要求综合力学性能好的零件：调质2、要求弹性好的零件较大弹性变形量：淬火＋中温回火（大截面）（弹簧钢）去应力退火（小截面）

大弹性变形量：去应力退火或淬火＋时效处理（铜基合金）3、要求耐磨的零件：淬火＋低温回火4、要求特殊物理性能的零件：根据要求进行处理一、齿轮类1.齿轮的工作条件和对性能的要求⑴齿轮的工作条件①由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；②换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；③齿面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。⑵齿轮的失效形式

断齿、点蚀、磨损、胶合⑶齿轮材料的性能要求

①高的弯曲疲劳强度；②高的接触疲劳强度和耐磨性；③较高的强度和冲击韧性。齿面高的接触疲劳抗力→表面硬、耐磨→表面淬火、渗碳、渗氮。齿根高的弯曲疲劳抗力→齿根要韧，具有一定的强度。⑷齿轮类零件的选材2.汽车、拖拉机齿轮汽车后桥齿轮汽车变速箱齿轮拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮:⑴材料：⑵工艺路线：⑶各部热处理组织及作用：20CrMnTi锻→正火→机加工→渗碳、预冷淬火+低温回火→喷丸(压应力、σ-1↑)→精磨1）正火：S+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、利于切削加工。2）渗碳、预冷淬火+低温回火：表：M回+K+A’(少量)；心：M低碳，达到“表硬心韧”，满足使用要求。3.机床变速箱齿轮⑴材料：⑵工艺路线：⑶各部热处理组织及作用：机床齿轮45（或40Cr）锻→正火→粗机加工→调质→精机加工1）正火：S+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、利于切削加工。2）调质：S回，满足整体机械性能要求,综合机械性能↑3）高频淬火+低温回火：

表：

M回+A’(少量)；

心：S回，达到“表硬心韧”，满足使用要求。二、轴类零件1.轴的工作条件和性能要求

⑴轴的工作条件①工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；②轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；③轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；④多数轴会承受一定的过载载荷。⑵轴的失效形式①长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；②大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；③与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。⑶轴的使用性能要求①高的强度、足够的硬度和良好的韧性；②高的疲劳极限；③在相对运动的摩擦部位，如轴颈、花键等处，应具有高的硬度和耐磨性。2.轴的选材

制造轴类零件的材料主要是碳素结构和合金结构钢，一般是以锻件或轧制型材为毛胚。根据承载能力的大小选用材料，然后根据选材的不同选择相应的热处理工艺。3、轴类零件加工工艺路线及分析（1）车床主轴——C620车床主轴为例进行选材

该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，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。3、轴类零件加工工艺路线及分析（1）车床主轴C620车床主轴简图⑴材料：⑵工艺路线：⑶各部热处理组织及作用：车床主轴45（或40Cr）锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→轴颈：高频淬火+低温回火→磨1）正火：S+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、利于切削加工。2）调质：S回，满足整体机械性能要求,综合机械性能↑3）高频淬火+低温回火：

表：M回+A’(少量)；心：S回，达到“表硬心韧”，满足使用要求。⑴材料：⑵工艺路线：⑶各部热处理组织及作用：镗杆（磨床主轴）38CrMoAlA锻→退火→粗车→调质→精车→去应力退火→粗磨→氮化→精磨→时效→研磨1）退火：P+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、利于切削加工。2）调质：S回，满足整体机械性能要求,综合机械性能↑3）去应力退火：消除机加工应力。

4）氮化：表：合金氮化物；心：S回，达到“表硬心韧”。

5）时效：消除磨削应力，稳定组织及尺寸，满足精度要求。内燃机曲轴175A型柴油机曲轴简图二、内燃机曲轴选材——常用曲轴材料

锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2

、40Cr,35CrMo钢等。

铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG25、QT600-2、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。⑴材料：⑵工艺路线：⑶各部热处理组