金属材料与热处理-项目十二

掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）。当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，如45钢。但这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。而对机械零件起主导作用的机械性能指标，则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。此外，从经济性考虑，也要求不断提高零件的寿命。这些都使得失效分析变得越来越重要。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工以至使用，都有很大的指导意义。零件的失效形式与提高材料性能的途径10.1.1零件的失效与失效分析1）设计与失效设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口和过小的过渡圆角等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，导致设计零件的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过选材来避免，尤其是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以做较大的改动时。现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。1零件失效的原因零件的失效可以由多种原因引起，大体上可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面，如图10-1所示。图10-1导致零件失效的主要原因2）材料与失效选材不当是材料方面导致失效的主要原因。虽然问题出在材料上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其他因素（如经济性、加工性能等），使得所选材料的性能数据不合要求，因此导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多、过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。因此，对原材料加强检验是非常重要的步骤。3）加工与失效零件加工成形过程中，由于加工工艺不良，也会造成各种缺陷。例如，锻造不良可造成带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理不良可造成过热、脱碳、淬火裂纹和回火不足等，这些都可导致零件的失效。加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。若零件热处理后残留有较大的内应力，甚至有难以检查出来的裂纹，使用中必定会造成严重的损坏。4）安装使用与失效零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂管理比较严格的情况下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。2零件失效的形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因此造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型，如图10-2所示。图10-2零件失效形式的分类必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。例如，一个齿轮，齿面之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。但一般来讲，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。失效分析的目的实际上就是要找出主要的失效形式。此外，各类基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳、蠕变疲劳和腐蚀磨损等。但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种方式是辅助的，因此在分析时往往被归入主导方式一类中，如腐蚀疲劳，疲劳特征是主导因素，腐蚀是起辅助作用的，因此被归入疲劳一类进行分析。3失效分析的一般方法正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下程序。（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工和使用各方面进行具体的分析。（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。（4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等，全面收集各种必要的数据。（5）在某些情况下需要进行断裂力学分析计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。（6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。提示在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必要时作断裂力学分析；二是根据宏观及微观的断口分析，确定失效发源地的性质及失效方式。第二项工作尤为重要，因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问题，与设计关系不大。4失效分析与选材通过失效分析，可以了解材料的破坏方式，这就可以作为选材的重要依据。从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。1）弹性变形失效与选材从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。而各类材料的弹性模量差别相当大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些；高分子材料的弹性模量最低。因此在要求零件有较高刚度，而不能发生过大弹性变形时，不能用高分子材料。但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值，由于其比重低，在许多特殊的场合（如飞行器结构）有很大用途。2）塑性变形失效与选材决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度。在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力最重要的指标。在很长一段时间内，获得高强度材料是材料学家和工程师的主要努力目标。从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但因为它们极脆，做拉伸试验时，在远未达到屈服应力下即已脆断，因此根本不能通过拉伸试验来测定其屈服强度。由于这种材料太脆，强度高的特点发挥不出来，因此不能作为高强结构材料。高强合金钢的强度仅次于陶瓷，广泛地应用于各种高强结构之中。一般来讲，塑料的强度很低，目前最高强度的塑料也超不过铝合金，因此在要求零件有高强度时，不能使用塑料。3）脆性断裂失效与选材描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性、韧脆转变温度和断裂韧性。从韧性的角度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次是合金低碳钢，铝合金韧性通常并不好，而铸铁的韧性通常很低，高碳工具钢和轴承钢韧性也不好，不能用来制造要求韧性较高的结构零件。4）疲劳断裂失效与选材疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿命两种。一般对于具有高频率交变载荷的构件，应选用高周疲劳寿命比较高的材料，如弹簧等。对于具有低频率交变载荷的构件，应选用低周疲劳寿命比较高的材料，如抗地震建筑材料。5）蠕变失效与选材蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料。选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力，在较高应力和较低温度下，可选用各种耐热钢及高温合金。在较低应力和较高温度下，应选用高熔点材料，如难熔金属和陶瓷材料。对金属材料还应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料，晶界也应平行于受力方向排列。6）表面损伤失效与选材对于在有摩擦应力存在的场合，应考虑表面损伤的影响。对于粘着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不属同类，而且摩擦系数尽可能小，同时，材料的硬度要高，材料最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂（如有孔隙等）。对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁耐磨粒磨损性能就较好。1工程材料的强度一般来讲，工程材料的强度是材料失效抗力的综合表征，它与所有的机械性能指标，包括弹性、延伸率、硬度、冲击韧性等有关，也与材料在静、动载荷下对应力集中、尺寸效应、表面状态、温度、接触介质的敏感性有关。在进行机械产品设计，选取工程材料强度指标时，应注意以下几个方面的问题。1）材料强度与零件强度的关系机械零件的强度，一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命，它是由许多因素确定的。其中，结构因素、加工工艺因素和材料因素三方面起主要作用，使用因素对寿命也往往起很大作用。结构因素是指零件在整机中的作用，零件的形状和尺寸，以及与其他连接件的配合关系等。加工工艺因素是指全部加工工艺过程中对零件强度所产生的影响。材料因素是指材料的成分、组织与性能。这三个因素各自有独立的作用，又相互影响，在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面因素。2）材料强度指标数据的条件性在手册中给出的材料强度指标都是在一定的条件下所测得的数据。在实际选用时，应注意其尺寸效应和条件性。例如，对于45钢调质状态标准拉伸试样，所测得的屈服强度为450MPa，但对于同一材料，尺寸为φ80mm的试件来讲，其调质状态下的屈服强度远远低于450MPa。3）材料强度与零件失效方式的关系材料强度问题就是研究抵抗零件失效的规律。零件失效的主要方式不同，所要求的失效抗力的正确判据（强度指标类别）也就不同。因此，必须从零件的具体工作条件出发，通过典型失效分析，找出造成零件失效的主导因素，正确选择强度判据指标。在设计机械产品时，主要是根据正确选择的强度判据指标进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。但是，也应考虑和兼顾到其他非主导或不能直接应用于设计计算的强度指标（如A，Z，KU等）。否则，不能实现最经济合理的设计。2工程材料的强化方式作为机械产品的设计者，对工程材料的强化方式和强化手段也应当有所了解，以便最经济、最合理地选择材料和确定强化方式。对于晶体材料而言，由于其塑性变形的实质是位错运动，所以晶体强化的本质就是阻碍晶体中位错的运动。常见的工程材料的强化方式主要有以下六种。1）固溶强化当两种或两种以上的元素形成合金时，溶质原子溶入基体的晶格中，由于溶质原子与溶剂原子的大小差异，造成晶格畸变，阻碍了位错的运动，从而使强度升高。这种现象称为固溶强化。固溶强化是工程材料中应用得最广泛的强化方式之一，普通低合金钢、铝锌合金、单相黄铜等都是主要依靠固溶强化来提高强度的。2）加工硬化材料在变形时，随着变形量的增加，其强度和硬度提高，而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化。这种强化方式实际上是一种位错强化，强化的主要原因是由于位错密度的增加导致位错运动困难，从而提高了材料的强度。冷拔弹簧钢丝是典型的加工硬化的例子，经过加工硬化的钢丝强度可达到2800MPa以上。3）细晶强化细晶强化又称晶界强化。晶界的作用主要有两点，一方面它是位错运动的障碍；另一方面它又是位错聚集的地点。所以晶粒越细小，则晶界面积越大，位错密度也增大，从而强度提高。细晶强化的特点是，在提高强度的同时，其塑性和韧性也随之提高，这是其他强化方式所不能比拟的。因此，细晶强化是提高材料性能最好的手段之一。在孕育铸铁、铝硅基铸造铝合金都是通过孕育处理细化组织来提高强度的。4）第二相强化第二相强化包括沉淀强化、弥散强化和双相合金中的第二相强化。当合金中存在两相时，第二相粒子在基体中会阻碍位错运动，这导致强度提高。铝铜合金、铝铜镁合金、铝镁硅合金、铍青铜是典型的沉淀强化；烧结铝、TD-镍、经淬火和时效处理的TC类钛合金则是弥散强化的代表；而两相黄铜中的α相和β相、共析钢中的珠光体组织等则是第二相强化的典型例子。5）相变强化在钢铁材料中，常采用相变强化方式来强化合金。例如，通过贝氏体相变、马氏体相变来进行强化。这种相变强化实际上是多种强化效果的综合，所以其强化效果十分显著。6）复合强化在复合材料中，由于其中的增强相对基体变形有约束作用，所以提高了变形抗力，导致强度提高。例如，用水泥和骨料（沙子或石子）组成的混凝土，用碳黑作填料的橡胶，由玻璃纤维制造的玻璃钢等，都是典型的复合材料。复合材料中的硬质相对强度性能的提高起主要作用。3工程材料的韧化途径在选材时，不能片面地追求强度指标。由于材料的强度和韧性往往是相互矛盾的，一般情况下，增加强度往往要牺牲韧性，而韧性的降低又意味着材料发生脆化。因此，在选材时，要寻求高强度同时兼有高韧性的材料，才能保证使用的可靠性。下面从材料的角度介绍工程材料的主要韧化途径。1）细化晶粒晶粒细小均匀，不仅强度高，而且韧性好，同时还可以降低韧脆转变温度。所以晶粒细化是钢材、铝合金重要的强韧化途径之一。2）调整化学成分降低合金材料中的杂质元素含量，或者加入某些抑制有害元素作用的合金元素，都可以使合金的韧性提高。例如，降低钢材中碳含量和有害杂质元素的含量，加入镍、锰进行合金化可以大大提高钢材的韧性。3）形变热处理形变热处理是将形变强化（锻、轧等）与热处理强化结合起来，使金属材料同时经受形变和相变，从而使晶粒细化、位错密度升高、晶界发生畸变，达到提高综合机械性能的目的。4）低碳马氏体强韧化低碳马氏体是一种既有高强度又具有韧性的相。选用低碳或中碳合金结构钢，通过高温加热淬火和低温回火，以获得位错型板条马氏体组织，是钢材强韧化的重要途径。机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。选材不当，严重的可能导致零件的完全失效。零件选材的一般原则和方法10.2.1选材的一般原则判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得上述三者之间的统一。1零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最主要根据。不同零件所要求的使用性能是很不一样的，有的零件主要要求高强度，有的则要求高的耐磨性，而另外一些甚至无严格的性能要求，仅仅要求有美丽的外观。因此，在选材时，首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能。对所选材料使用性能的要求是在对零件的工作条件及零件的失效分析的基础上提出的。零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、弯、扭等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。为了更准确地了解零件的使用性能，还必须分析零件的失效方式，从而找出对零件失效起主要作用的性能指标。如表10-1所示列举了一些常用零件的工作条件、主要失效方式及所要求的主要机械性能指标。零件名称工作条件主要失效方式主要机械性能指标重要螺栓交变拉应力过量塑性变形或由疲劳而造成破断屈服强度，疲劳强度，硬度重要传动齿轮交变弯曲应力，交变接触压应力，齿表面受带滑动的滚动摩擦和冲击载荷齿的折断，过度磨损或出现疲劳麻点抗弯强度，疲劳强度，接触疲劳强度，硬度曲轴、轴类交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷，磨损疲劳破断，过度磨损屈服强度，疲劳强度，硬度弹簧交变应力，振动弹力丧失或疲劳破断弹性极限，屈强比，疲劳强度滚动轴承点或线接触下的交变压应力，滚动摩擦过度磨损破坏，疲劳破断抗压强度，疲劳强度，硬度表10-1一些常用零件的工作条件、主要失效方式及所要求的主要机械性能指标提示有时，通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手段紧密结合起来综合考虑。此外，当材料进行预选后，还应当进行试验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等，进一步验证材料机械性能选择的可靠性。2零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺性能包括以下内容。铸造性能：包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。压力加工性能：指材料的塑性和变形抗力等。焊接性能：包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其他缺陷倾向等。切削加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。热处理性能：指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。当工艺性能和机械性能相矛盾时，有时正是工艺性能的考虑使得某些机械性能显然合格的材料不得不加以舍弃，此点对于大批量生产的零件特别重要。因为在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。注意为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的切削性能可成为选材时考虑的主要问题。此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况等，具体如下。（1）材料的价格。不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，以便于核算产品的制造成本。（2）国家的资源状况。随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼但钨却十分丰富，所以在选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用钼高速钢。此外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。3零件的选材应力求使零件生产的总成本最低（3）零件的总成本。由于生产经济性的要求，选用材料时零件的总成本应降至最低。选材从几个方面影响零件的总成本T，包括材料的价格m、零件的自重w、零件的寿命l、零件的加工费用p、试验研究费（为采用新材料所必须进行的研究与试验费）r及维修费a等。其经济性分析方程为等式的左端代表选材对零件总成本的影响，等式的右端代表由于选材带来的零件寿命、自重等因素变化对零件总成本的影响。例如，代表选材对零件总成本的影响；代表选材对零件寿命的影响；代表寿命变化引起的总成本的变化；代表单纯材料的价格引起的零件总成本的变化。如果准确地知道了零件总成本与上述各因素（l，w，r，…）的关系，便可以精确地分析出选材对零件总成本的影响，并选取使左端为极小值的材料。但是，只有在大规模工业生产中预先进行详尽的试验分析，才能找出这种关系。对于一般情况，显然不可能进行这种详细的分析、试验，但这时也应该按照上述思路，利用手头一切可能得到的资料，逐项地进行分析，以保证使零件的总成本最低。最有价值的是生产及使用情况的统计资料。由各种统计图表，加上过去的工程经验，便可以作出较为合理的判断，必要时还可以专门进行模型试验。某项产品或某种机械零件，不仅仅需要符合工作条件的使用要求。从商品的销售和用户的愿望考虑，产品还应当具有重量轻、美观、经久耐用等特点。这就要求在选材时，应突破传统观点的束缚，尽量采用先进科学技术成果，做到在结构设计方面有创新、有特色，在材料制造工艺和强化工艺上有改革、有先进性。4零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求一个产品或一个零件的制造，是采用手工操作还是机器操作，是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业，这些因素都对产品的成本和质量起着重要的作用。因此，在选材时，应该考虑到所选材料能否满足现代化生产的需要。5零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性

选材的一般方法材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，一般可采用经验类比法来选择材料。此外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。如图10-3所示，选材一般可分为以下几个步骤。图10-3机械零件选材的一般步骤（1）对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。（2）根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。（3）根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑，对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。（4）对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。（5）材料的二次（或最终）选择。二次选择方案也不一定只是一种方案，也可以是若干种方案。（6）通过试验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。（7）最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为机床轴类零件、机床齿轮类零件、机床导轨等。典型零件的选材及工艺分析10.3.1机床零件的用材分析1机床轴类零件的选材机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类。（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。（3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。（4）高精度主轴。有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。读一读过去的主轴几乎都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。机床齿轮按工作条件的不同，可分为以下三类。（1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。（2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床主传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。（3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr，20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如，变速箱中一些重要传动齿轮等的选材。2机床齿轮类零件的选材机床导轨精度对整个机床的精度有很大的影响，必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。3机床导轨汽车零件的用材分析1发动机和传动系统零件的选材这两部分包括的零件相当多，其中有大量的齿轮和各种轴，同时还有在高温下工作的零件（进、排气阀，活塞等），它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。2减轻汽车自重的选材随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证使用性能。例如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/3～1/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。

热能装置的用材分析1锅炉—汽轮机的选材锅炉—汽轮机组结构庞大、复杂，包括许多的零部件。按工作温度的不同，可把零部件分为两大类，其中一类的工作温度在350℃以下，这时蠕变现象在钢铁中微不足道，可不考虑高温性能，选材方法与一般的机械装置类似；另一类的工作温度在350℃以上，选材时主要考虑其高温性能，应根据具体零件的工作温度和应力大小等选择合适的耐热材料。热能装置主要指动力工程中所用的各种装置，如锅炉、汽轮机、燃气轮机等。这类装置中很多零件都在高温下工作，因此必须选用各种高温材料，如耐热钢及高温合金等。在这类零件的选材过程中，首先应考虑工作温度，其次考虑应力大小。例如，锅炉管的工作温度并不一样，非受热面锅炉管（如水冷壁管、省煤器管）工作温度较低，而受热面锅炉管（如蒸汽导热管或过热器管）的工作温度较高，某些高温高压锅炉的温度可达600℃左右。锅炉管的主要失效方式是爆裂，它是由蠕变断裂引起的。因此锅炉管的材料应具有足够高的持久强度、蠕变断裂塑性及蠕变极限。一般锅炉管都按持久强度设计，根据工作温度、管内压力及尺寸算出工作时管壁所受应力。锅炉管通常的规定寿命为十年，因此按材料的持久强度选材，条件是材料的持久强度应大于Kσw（K为安全系数；σw为工作应力）。如表10-2所示为几种主要耐热钢的持久强度值。对于一般的高、中压锅炉，材料的持久强度值在60～80MPa以上即可满足工作要求。由表10-2还可以看出，低碳钢管（20A）只能用于工作温度低于450℃的非受热面管，而12Cr1MoV的工作温度可以高于580℃。如果蒸汽的工作温度超过580℃甚至600℃，则必须选用更高级的材料，如表中的12Cr3MoVSiTiB或奥氏体耐热钢Cr17Ni13W。这些材料的价格较高，且锅炉管的消耗很大，所以这在经济上很不合算。因此，目前在设计大容量锅炉时多趋向于把蒸汽温度降到540℃左右，尽管工作温度高可以提高热效率，但从总的经济性考虑，采用廉价的耐热钢可能更合理些，这是选材的经济性限制机械装置效率的一个很典型的例子。汽轮机叶片的选材分析与锅炉管类似。叶片承受的工作应力较大，所用的材料自然要比锅炉管的高级。汽轮机前级叶片的工作温度较高，所用材料的性能应更好，多用Cr11MoV或Cr11WMoV等钢；而后级叶片一般采用Cr13型马氏体不锈钢。汽轮机叶片的最主要失效方式是疲劳断裂（振动疲劳断裂）。设计时不但应从叶片的结构上避免共振来防止这种断裂，选材也具有很大的意义。如果叶片材料具有很高的减振能力，并且其疲劳裂纹扩展速率很低，则可大幅度地提高叶片的寿命。此外，所有在高温下工作的锅炉—汽轮机零件的材料，都应具有一定的耐蚀性，而叶片材料的耐蚀性还要更高些，因此多用不锈钢制造。牌号20A15CrMo12Cr1MoV12Cr3MoVSiTiBCr17Ni13W温度/℃450550580600600持久强度/MPa65约7080约100140表10-2几种耐热钢的持久强度值2燃气轮机的选材与汽轮机相比，燃气轮机的工作条件具有工作温度高、腐蚀严重和工作寿命短等特点。所以，从工作条件出发，燃气轮机在高温下工作的零件，应主要考虑高温持久强度和腐蚀抗力。其中材料问题比较突出的零件是涡轮叶片、转子及涡轮盘，燃烧室火焰筒及喷嘴。它们失效的主要方式是蠕变变形、蠕变断裂、蠕变疲劳或热疲劳断裂。叶片材料的选择决定于工作温度。工作温度低于650℃时，用奥氏体耐热钢；工作温度在700～750℃时，用铁基耐热合金；工作温度在750～950℃时，用镍基耐热合金。而在更高温度下工作的叶片材料，目前主要有两种研究方案。一种方案是采用复合材料，即用难熔碳化物（TaC，Nb2C等）纤维（直径约1μm）作为增强剂，加在定向结晶的镍基合金中，这可把工作温度提高到1050℃左右。另一种方案是采用陶瓷材料，特别是SiC或Si3N4陶瓷，其导热率比镍基合金还高，而热膨胀系数比镍基合金低，因此抗热冲击能力很强，由于是共价键结合，直到1300℃时蠕变抗力仍然很高。它唯一的不足之处是韧性太低，只有镍基合金的1/25，因此限制了它的使用。燃气轮机的转子及涡轮盘的工作温度比叶片低，因此一般采用铁基耐热合金。燃烧室火焰筒及喷嘴的工作温度虽然很高，但工作应力低，一般采用镍基合金板制作。

典型零件的选材实例如图10-4所示为C620车床主轴的结构简图。1机床主轴图10-4C620车床主轴及热处理技术条件机床主轴是典型的受扭转弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材结果如下。材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度220～240HB；轴颈及锥孔处硬度52HRC。工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢热处理后屈服极限可达400MPa以上，完全