金属材料及热处理 课件 项目十 工程材料的选用认知

项目十工程材料的选用认知任务一认识零件的失效

任务二认知选材的原则、方法与步骤

任务三典型零件的选材实例分析一、失效的概念所谓失效，就是指机械零件失去正常条件下所应具有的工作能力的现象。

零件失效一般分为下列三种情况：

（1）完全破坏，不能继续工作；

（2）严重损伤，继续工作不安全；

（3）轻微损坏，能安全地工作，但已达不到预定的精度或功能。

任务一认识零件的失效二、失效的形式1.断裂失效

断裂失效是指机械零件在工作过程中由于应力的作用发生完全断裂的现象。

（1）塑性断裂

塑性断裂是指零件承载截面上所受的应力超过了零件材料的屈服强度，产生塑性变形，直至发生断裂的现象。

（2）疲劳断裂

疲劳断裂是指零件在交变循环应力多次作用下发生断裂的现象。

疲劳断裂的主要特点是：①引起疲劳断裂的应力较低，一般大大低于材料的屈服强度；②断裂前没有明显的宏观塑性变形，在没有预兆的情况下突然发生断裂。

（3）低应力脆性断裂

低应力脆性断裂是指零件在所受应力远低于材料屈服强度时发生断裂的现象。脆性断裂往往会带来灾难性的后果，是最危险的零件失效形式。

（4）蠕变断裂

蠕变是指金属材料在较高温度（再结晶温度以上）与应力的作用下，缓慢地产生塑性变形，且变量随着时间的延长而增加的现象。零件由蠕变而引起的断裂称为蠕变断裂。2.过量变形失效

过量变形失效是指机械零件在工作中受到外力作用，发生过量的弹性变形或塑性变形而失效的现象。

（1）过量弹性变形失效

零件在工作时发生过量的弹性变形而造成的失效。

（2）过量塑性变形失效

当受力超过了材料的屈服强度时，零件就会发生塑性变形。

3.表面损伤失效

表面损伤失效是指机械零件在工作中，由于机械力或化学腐蚀的作用，使其工作表面产生磨损、疲劳点蚀、腐蚀等损伤的现象。

根据损伤形式的不同，表面损伤失效一般分为磨损失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三大类。

（1）磨损失效

磨损失效是指在机械力的作用下，相对运动的零件表面之间发生摩擦，材料以细屑的形式逐渐磨耗，使零件的表面材料不断损失，从而导致零件最终失效的一种形式。磨损最常见的有磨粒磨损和黏着磨损两种主要类型。

①磨粒磨损在零件相对摩擦时，由于硬质颗粒对金属表面的切削作用，造成被磨表面产生沟槽，磨面材料逐渐耗损的一种磨损。②黏着磨损

在零件相对摩擦时，其表面微小的凸起部分，在压力和摩擦热的作用下发生焊合或黏着，当零件继续运动时，黏着部分又被撕开，使材料从一个表面转移到另一个表面所造成的表面磨损。黏着磨损又称咬合磨损。

（2）表面疲劳失效

表面疲劳失效是指相对滚动接触的零件，在工作过程中，由于交变接触应力的长期作用，使表层材料发生疲劳破坏而剥落的现象，又称疲劳点蚀。

采用表面淬火或化学热处理的方法，并使表面硬化层有一定的深度，提高零件的疲劳强度和表面硬度，可有效地提高零件的抗表面接触疲劳能力。

（3）腐蚀失效

腐蚀失效是指零件表面由于和周围介质发生化学或电化学反应引起表面损伤的现象。它与材料本身的成分、结构和组织有关，也与介质的性质密切相关。同样的材料在不同的介质中，往往性能表现差异极大，如黄铜在海水和大气中具有良好的耐蚀性，但在含氨的环境中却极易腐蚀。

三、零件失效的原因1、结构设计方面

零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。零件的局部结构、形状和尺寸设计不合理，存在尖角、尖锐缺口和过小的过渡圆角等缺陷，往往是产生应力集中的重要原因。2、材料选择方面在选择材料时只注意了材料的部分常规性能指标，而对零件的失效形式、实际性能指标要求的判断存在较大的偏差，造成选材错误。对产品本身的工作条件、性能特点理解不深，照搬同类产品的材料和处理工艺，忽略了产品间的差异，造成选材不当。选用的材料质量差，含有夹杂物、杂质元素或不良组织，使得零件达不到应有的性能指标。

3、加工工艺方面在零件加工和成形过程中，由于采用的工艺方法和工艺参数不正确，使零件产生各种各样的缺陷，最终导致零件失效。

4、装配安装使用方面零件装配工艺或操作不当，零件装配或配合过紧、过松，或者机器安装时对中不准、固定不紧、润滑不良等都可造成失效。在使用过程中，由于操作、维护、保养不当，或不按要求违规使用，均由可能使零件失效。

2.零件失效分析的方法（1）收集证据；（2）调查经过；（3）查阅资料；（4）试验分析；（5）综合分析。任务二认知选材的原则、方法与步骤一、选材的一般原则1.材料的使用性能材料的使用性能是指零件在工作时材料应具有的力学性能、物理性能和化学性能。材料的使用性能是材料选择时最主要的依据，其要求是根据零件的工作条件和失效形式提出的。零件的工作条件主要包括三个方面：（1）受力状态（2）工作环境（3）特殊要求2.材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。（1）铸造性能金属材料的铸造性能一般从流动性、收缩性、偏析倾向等方面进行综合评定。铸造性能好的材料通常具有流动性好、收缩率低和偏析倾向小的特点。在常用的铸造合金中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能较好，其次是铸铁，铸钢的铸造性能较差。在各种铸铁中，又以灰铸铁的铸造性能最好。（2）压力加工性能压力加工性能主要包括锻造性能、冷冲压性能等，通常用材料的塑性和变形抗力来衡量。材料的塑性越好，变形抗力越小，则其压力加工性能也越好。一般来说，纯金属的压力加工性能优于其合金，单相固溶体优于多相合金，低碳钢优于高碳钢，非合金钢优于合金钢。（3）焊接性能焊接性能一般用焊接接头的力学性能和焊缝处形成裂纹、脆性和气孔的倾向来衡量。低碳钢、低合金结构钢具有良好的焊接性能。中碳钢的焊接性能有所下降。铸铁由于碳的质量分数大，焊接时产生裂纹的倾向较大，焊缝处易形成白口组织。铜合金和铝合金的导热性高，焊接时裂纹倾向大，易产生氧化、气孔等缺陷，焊接性能较差，需采用氩弧焊工艺进行焊接。（4）切削加工性能切削加工性能一般从切削速度、切削抗力、零件表面粗糙度、断屑能力以及刀具磨损量等方面来评价。铝、镁、铜合金和易切削钢的切削加工性能较好，其次是碳钢和铸铁，钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等材料的切削加工性能则较差。（5）热处理工艺性能热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、氧化脱碳倾向、过热敏感性、回火脆性和回火稳定性等。材料的选择和热处理工艺的制定往往是同时进行、综合考虑的结果。3.材料的经济性（1）材料的价格

（2）零件的加工费用

（3）使用维修成本

（4）资源供应状况

二、选材的方法与步骤1.材料选择的方法

（1）以综合力学性能为主

要求材料具有良好的综合力学性能，即材料的强度和疲劳极限要高，同时还要有较好的塑性与韧性。常选用中碳钢或中碳合金钢，正火或调质处理后使用，其中最常用的是45钢和40Cr钢。

（2）以疲劳强度为主选材时应重点考虑材料的抗疲劳性能。通常，材料的强度越高，其疲劳强度也越高；调质处理比正火和退火组织具有更高的疲劳强度。

（3）以磨损为主

①磨擦剧烈，但受力较小，无大的冲击载荷的零件，如钻套、顶尖、量具等。对塑性和韧性要求不高，通常选用高碳钢或高碳合金钢，进行淬火+低温回火处理，得到高硬度的回火马氏体和碳化物组织，就可以满足使用要求。

②同时承受磨损和交变载荷，以及一定的冲击载荷的零件，要求材料表面具有较高的耐磨性，同时还要有较高的强度、塑性和韧性。

材料本身应具有良好的综合力学性能，还要能通过表面热处理等强化方法提高其表面耐磨性。

③要求具有小的摩擦系数的零件，如滑动轴承、轴套等，可采用轴承合金、减磨铸铁、工程塑料等材料制造。

（4）以特殊性能为主

对于特殊条件下工作的零件，主要应考虑材料的特殊性能。如在高温下工作并承受较大载荷的零件，一般选用热强钢或高温合金；而受力不大的零件则可考虑采用耐热铸铁制造。对于在腐蚀性介质中工作的零件，主要应考虑其对相应介质的耐蚀能力。

2.材料选择的步骤

（1）分析零件的工作条件和失效形式，明确零件材料的主要性能要求。

（2）对同类产品的材料选用情况进行调研，从各个方面进行综合分析评价。

（3）查阅有关设计手册，通过相应的计算，确定零件应有的各种性能指标。

（4）初步选择具体的零件牌号，并决定热处理工艺和其他强化方法。

（5）根据试验结果，最终确定材料和热处理工艺。

任务三典型零件的选材实例分析

一、轴类零件的选材

1.工作条件和失效形式

（1）承受交变的弯曲载荷和扭转载荷的复合作用，易导致疲劳断裂。

（2）承受过载和冲击载荷，易导致轴产生过量变形，甚至断裂。

（3）轴颈或花键处承受局部摩擦和磨损，易导致磨损失效。

2.材料应具备的性能

（1）良好的综合力学性能，即具有足够的强度和一定的塑韧性，防止过量变形和断裂。（2）高的疲劳强度，防止疲劳断裂。（3）高的表面硬度和耐磨性，防止轴颈等处磨损。（4）在高温条件下、或腐蚀性介质中，还要求有高的抗蠕变能力和耐腐蚀性能。

3.材料选择与工艺路线

（1）材料选择

①

载荷不大或不重要的轴，常选用Q235、Q275等碳素结构钢，不经热处理直接使用。

②

承受一定的弯曲载荷和扭转载荷的轴，一般选用35、40、45、50等优质碳素结构钢，经调质或正火处理，并对有耐磨性要求的部分进行表面淬火处理。

③

载荷较大、截面较大或承受一定冲击载荷的轴，可选用40Cr、35CrMo和40CrNiMo等合金调质钢，经调质处理，并对有耐磨性要求的部分进行表面淬火处理。

④

耐磨性要求较高、承受较大冲击载荷的轴，可选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢，经渗碳、淬火、回火处理后使用。

⑤

要求精度高、尺寸稳定性好、耐磨性好的轴，可选用38CrMoAlA钢，进行调质处理和氮化处理后使用。

⑥对于形状复杂的轴，如曲轴，可采用QT600-3、QT700-2等球墨铸铁制造。

（2）工艺路线

①中碳结构钢或合金结构钢主轴工艺路线：

下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+回火→粗磨→低温回火→精磨。

②合金渗碳钢主轴工艺路线：

下料→锻造→正火→精车→渗碳、淬火+低温回火→粗磨→低温回火→精磨。

③氮化钢主轴工艺路线：

下料→锻造→退火→粗车→调质→精车→低温回火→粗磨→氮化→精磨。

4.轴类零件选材举例

（1）机床主轴的选材

机床主轴一般承受中等的扭转和弯曲复合载荷，转速中等并承受一定的冲击载荷，局部表面承受摩擦和磨损，因而要求其材料应具有优良的综合机械性能和良好的抗疲劳性能。机床主轴常选用45钢制造，经调质处理后，轴颈等处再进行局部表面淬火，载荷较大时可选用40Cr等合金钢制造。

某机床主轴主要承受交变的弯曲载荷和扭转载荷的复合作用，其载荷不大、转速不高，有时受到不大的冲击载荷作用，具有一般的综合力学性能即可满足使用要求。其大端的内锥孔和外锥体在与顶尖和卡盘的装卸过程中有相对摩擦，花键部位与齿轮有相对滑动，为了防止这些部位表面磨损和划伤，要求有较高的硬度和耐磨性。

该主轴可选用45钢制造。热处理工艺为整体调质处理，硬度为220～250HBS；内锥孔和外锥体局部淬火，硬度为45～50HRC；花键部位高频淬火，硬度为48～53HRC。

其加工工艺路线如下：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工(除花键外)→局部淬火+回火(内锥孔和外锥体)→粗磨(外圆、外锥体和内锥孔)→铣花键+花键高频淬火+低温回火→精磨(外圆、外锥体和内锥孔)。

①正火：消除锻造应力，并得到合适的硬度（180～220HBS），便于切削加工。同时也改善锻造组织，为调质处理做准备。

②调质：调质处理后组织为回火索氏体，硬度为220～250HBS，使主轴得到良好的综合力学性能和疲劳强度。

③局部淬火：内锥孔和外锥体采用盐浴快速加热局部淬火，经回火后达到所要求的硬度，可提高其耐磨性，保证装配精度。④高频淬火+回火：花键部位采用高频淬火，变形较小，经回火后达到所要求的表面硬度。

（2）内燃机曲轴的选材

曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈磨损。疲劳断裂有弯曲疲劳和扭转疲劳断裂两种形式，磨损则以轴颈表面最为严重。

曲轴材料主要应具有如下的性能：

①具有高的强度和一定的韧性。

②具有高的弯曲、扭转疲劳强度和足够的刚度。

③轴颈表面要具有高的硬度和耐磨性。

锻钢曲轴：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→局部表面淬火+低温回火(轴颈)→精磨。

①正火：消除锻造应力，得到合适的硬度，同时改善组织，并为调质做组织准备。

②调质：获得回火索氏体组织，使主轴具有良好的综合力学性能和疲劳强度。调质后硬度适中，切削加工性能良好。

③局部表面淬火：轴颈处采用中频淬火，提高表面硬度和耐磨性，获得较深的硬化层。

铸造曲轴：

球墨铸铁具有铸造性能好、减磨、吸振性能优良、缺口敏感性小等优点，广泛应用于曲轴的铸造，常用的材料有QT600-3、QT700-2等。

其加工工艺路线如下：

铸造毛坯→高温正火→高温回火→切削加工→轴颈气体氮化→精磨。

①正火：采用950℃高温正火工艺，获得细珠光体基体组织，以提高其强度、硬度和耐磨性。

②高温回火：采用560℃高温回火工艺，消除正火时产生的内应力。

③氮化(570℃)：对轴颈处采用570℃的气体渗氮工艺，以提高轴颈表面硬度和耐磨性。

二、齿轮类零件的选材

1.工作条件和失效形式

（1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力，易导致齿根部位发生疲劳断裂。

（2）齿面相互滚动和滑动，承受很大的接触压应力和摩擦力，易产生齿面磨损和齿面接触疲劳破坏。

（3）换挡、启动或啮合不均时，轮齿承受一定冲击载荷，易使齿面产生塑性变形。

（4）瞬时过载、润滑油腐蚀和外部硬质颗粒的侵入，齿轮的工作条件更加恶化，易造成轮齿折断、齿面腐蚀、磨损加剧等破坏。

2.材料应具备的性能

（1）高的弯曲疲劳强度，以防轮齿疲劳断裂。

（2）齿面具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，以防疲劳点蚀和齿面过量磨损。

（3）齿轮心部具要有足够的强度和韧性，防止轮齿因过载而断裂。

（4）良好的工艺性能，如切削加工性好、热处理变形小且变形有一定规律、淬透性好等，保证齿轮的加工精度和质量。

3.材料选择与工艺路线

（1）调质钢

工艺路线一般为锻造毛坯经粗加工后进行调质或正火处理，再经精加工后进行表面淬火和低温回火。

（2）渗碳钢

工艺路线一般为锻造毛坯经正火处理后进行精加工，然后进行渗碳、淬火+低温回火处理，表面具有很高的硬度和耐磨性，心部具有良好的韧性，其齿面接触疲劳强度和耐磨性、齿根弯曲疲劳强度和心部强度和冲击韧性均优于表面淬火齿轮。

（3）铸钢和铸铁

铸钢的工艺路线一般为铸造毛坯先正火处理，经切削加工后进行表面淬火和低温回火。

铸铁的工艺路线一般为铸造毛坯先退火或正火处理，经切削加工后进行表面淬火和低温回火。

（4）非铁金属

（5）工程塑料

4.齿轮类零件选材举例

（1）机床齿轮的选材

某机床变速箱齿轮，采用45钢制造，其加工工艺路线如下：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火+低温回火→精磨。

①正火：消除锻造应力，使组织均匀并细化，得到合适的硬度，便于切削加工。正火后材料具有一定的综合力学性能，对于一般用途的齿轮，可省略调质处理。

②调质：获得回火索氏体组织，使齿轮心部具有良好的综合力学性能，使齿轮能承受较大的交变弯曲载荷和冲击载荷。

③高频淬火和低温回火：高频淬火可提高齿轮表面硬度，从而提高耐磨性和点蚀疲劳抗力；使齿轮表面具有一定的残余压应力，以进一步提高疲劳强度。低温回火可消除淬火应力，防止磨削裂纹的产生，提高抗冲击能力。

（2）汽车齿轮的选材如某汽车变速箱齿轮，采用20CrMnTi钢制造，其加工工艺路线如下：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火+低温回火→喷丸处理→精磨。热处理工艺分析：①正火消除锻造应力，均匀和细化组织，降低硬度，改善切削加工性能。②渗碳、淬火+低温回火渗碳、淬火+低温回火处理后，渗碳层深度为1.2～1.6mm