工程基础材料加工术 2

第11章工程材料的选用

11.1零件的失效11.2选材的原则和一般方法11.3零件的选材及其热成型工艺

11.1机械零件的失效11.1.1失效的概念与类型概念：由于某种原因导致零件的形状尺寸、或材料的组织与性能发生变化而

丧失其规定功能的现象。根据功能丧失的程度，出现下列三种情况之一时，即认为零件已失效：⑴零件完全破断，丧失工作能力：

如:齿轮轮齿折断、传动轴或连杆断裂、枪炮膛炸裂等⑵零件已严重损伤，不能再安全工作：

如:航空发动机零件、电站的关键部件（转子轴）出现裂纹后不能安全工作⑶零件虽能安全工作，但已不能达到预期作用：

如:高精度机床、精密仪表中的齿轮、轴、轴承、导轨等磨损后，虽仍能安全运转，但加工精度、传动精度、传动效率等已达不到预定要求。11.1机械零件的失效

过量弹性变形畸变失效过量塑性变形翘曲变形韧性断裂断裂失效疲劳断裂脆性断裂蠕变断裂磨损表面损伤失效表面疲劳腐蚀11.1.1失效的概念与类型失效类型：11.2选材的原则和一般方法

机械设计：零件的结构设计、材料选用和成形工艺的制订零件选材三原则：使用性能原则、工艺性能原则和经济性原则11.2.1选材原则⑴使用性能原则:零件在使用状态下应满足的（力学、物理和化学等）性能①根据工作条件，确定零件使用性能要求工作条件：受力状态、工作环境和特殊性能受力状态：拉、压、弯、扭等；载

荷：静、动（交变、冲击），分布、集中工作温度：低温、室温、高温、交变温度等环境介质：润滑剂、酸、碱、盐、海水、粉尘等特殊物理性能：密度、电导性、磁导性、热导性、热膨胀性、辐射等零件失效方式：过量变形、表面损伤和断裂②根据使用性能要求，确定零件使用性能指标

使用性能的具体要求量化为零件的性能指标，再转化为材料性能指标。多数情况下，把零件的性能指标数据直接看作材料的性能指标数据。重要和特殊零件的性能指标数据与材料的性能指标数据并不一致，须经实际试验或数值模拟计算，将零件的性能指标数据转化为材料的性能指标数据。11.2选材的原则和一般方法⑵工艺性能原则

高分子材料：成形工艺比较简单，切削加工性尚好，但它的导热性较差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使热固性塑料变焦，使热塑性塑料变软。

陶瓷材料：压制、烧结成形后，硬度极高，除了可用碳化硅或金刚石砂轮磨削外，几乎不能进行任何其他加工。

金属材料：

铸造成形：铸造性能由流动性、收缩性和偏析来综合评定。

同种材料中，共晶成分合金的铸造性能好；

铸造铝合金、铸造铜合金、铸铁的铸造性能优于铸钢；

铸铁中，灰铸铁的铸造性能最好。锻造成形：锻造性能由塑性和变形抗力来评定。

通常将合金加热到单相固溶体相区进行锻造；

低碳钢的锻造性能优于中碳钢、高碳钢；

低合金钢的锻造性能优于中合金钢、高合金钢；

碳钢的锻造性能优于合金钢

焊接成形：焊接性能由碳当量、焊缝处出现裂纹与气孔的倾向和焊缝强度来评定。

低碳钢或低碳合金钢（碳当量小于0.4）焊接性能良好，焊后可直接使用；

碳当量在0.4

~0.6，焊接时要先预热，焊后要缓冷；

碳当量大于0.6的高碳钢、高合金钢焊接性能最差，焊接时要先预热，焊

后要缓冷并热处理；

铜合金、铝合金焊接性较差。灰铸铁焊接要预热到400-700度，并控制冷速。切削成形：切削性能由切削抗力、切屑排除难易程度、刀具磨损量、零件表面状况衡量。

材料硬度控制在170～230HBS之间，切削性能良好。热处理：可热处理性由淬透性、淬硬性、变形与开裂倾向、氧化脱碳、耐回火性等评定。

碳钢：淬透性差，淬火易变形与开裂

合金钢：淬透性、耐回火性优于碳钢，适于制造高强度、大截面、形状复杂件

锰钢加热时，过热倾向大；

硅钢加热时，脱碳倾向大。。11.2选材的原则和一般方法⑶经济性原则

选材的经济性：材料本身价格+材料加工成零件过程中的一切费用+使用成本①原材料价格：金属材料：铸铁、碳钢价格比较低，高合金钢、有色金属价格比较高。非金属材料：代替金属材料制造一般结构件、摩擦传动件、耐蚀件、耐高温件等，可

提高产品质量、延长使用寿命、减轻重量、降低成本。

如：齿轮、凸轮、轴承、导轨、密封环、叶片、泵叶轮、高温炉管、切削刀具等②成形费用：在满足使用性能要求的前提下，根据零件的外形特点、工艺性及生产批量

等选择零件毛坯成形方式。形状复杂的零件：常用铸件毛坯，如箱体等，；

外形相对简单的零件：用锻件；单件或小批量时用自由锻件毛坯；大批量时用

模锻件或精密铸件毛坯以减少机加工量，提高生产效率尺寸大、重量大、刚性大的零件：焊接件常用于要求。③国家的资源我国的镍、铬等资源缺少，应尽量不选或少选含这类元素的钢或合金。零件的总成本（生产成本与使用成本）生产成本包括材料成本、加工费用等使用成本包括使用寿命、产品维护、修理、更换零件及停机损失等11.2选材的原则和一般方法11.2.2零件选材的一般方法

机械零件选材的一般步骤为：⑴弄清零件的工作条件，如载荷性质、大小，工作环境温度，介质性质，用户要求等；并分析预测零件的失效方式和原因，提出零件的性能要求。⑵将零件的性能要求量化为零件的性能指标、材料的性能指标。⑶根据材料的性能指标，提出备选材料。

备选材料：查阅手册或参考相类似零件。⑷从使用性能、工艺性能及经济性等方面综合考虑，并进行计算、校核，从备选材料中确定理想的材料。⑸通过实验室试验检测、台架试验和批量考核，最终确定选材方案。

11.2选材的原则和一般方法11.3.1齿轮类零件选材与热成型工艺⑴齿轮的工作条件及性能要求①工作条件

齿轮用于传递扭矩、改变运动方向和调节速度受力情况：齿根承受较大的交变弯曲应力；齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力，并发生强烈的摩擦；由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。11.3零件的选材及其热成型工艺

③性能要求高的弯曲疲劳强度；高的接触疲劳强度和耐磨性；轮齿心部要有足够的强度和韧性。对金属材料，应有较好的热处理工艺性，如淬透性高，过热敏感性小，变形小等。②失效形式齿根的疲劳断裂，可由一齿断裂引起数齿断裂；齿面接触区摩擦磨损，导致齿厚变小，齿隙增大；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹并逐渐发展，最终齿面出现点状剥落而发生接触疲劳破坏；过载断裂是由冲击载荷过大造成。⑵齿轮零件的选材

陶瓷脆性大，不能承受冲击，不宜用来制造齿轮。一些受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，可选用塑料(如尼龙、聚碳酸酯)来制造11.3零件的选材及其热成型工艺

序号齿轮工作条件钢种热处理工艺硬度要求1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮15(20)900～950℃渗碳，直接淬火或预冷到780～800℃淬火(水冷)；180～200℃回火58～63HRC2速度<0.1m／s，低载荷、不重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮45840～860℃正火156～217HB3速度为2m／s，中等载荷的高速机床走刀箱、变速箱齿轮40Cr42SiMn调质后高频加热，乳化液冷却，180～200℃回水45～50HRC4高速、重载荷、冲击，模数>6的齿轮(立车上的重要齿轮)20SiMnVB20CrMnTi900～950℃渗碳，预冷820～850℃淬火，180～200℃回火58～63HRC5高速、重载荷、形状复杂要求热处理变形小的齿轮38CrMoAlA正火或调质后500～550℃渗氮850HV以上①机床齿轮

工作条件：工作平稳，负荷较小，转速中等性能要求：齿面：高硬度，52～58HRC齿心部：强韧性要求不高，220～250HBS

选材：

非变速齿轮、速度不太高的变速齿轮、齿断面较小的齿轮：

选用中碳钢（40，45）或低合金钢制造

中速、断面较大的变速齿轮：40Cr、42SiMn加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→

高频淬火+低温回火→精磨→成品

正火：作为预备热处理工艺可以消除毛坯的锻造应力、细化组织、改善切削性能调质：赋予齿轮较高的综合力学性能，保证齿的心部具有足够的强度和韧性

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高频表面淬火+低温回火处理：齿面硬度超过50HRC，提高耐磨性和接触疲劳抗力

高速、中载荷、受冲击的齿轮：合金渗碳钢11.3零件的选材及其热成型工艺

②汽车、拖拉机齿轮

工作条件：齿轮工况恶劣。受力较大，受冲击较频繁。失效形式：齿端磨损、崩角等，要求材料具有高的表面接触疲劳强度、

弯曲强度和疲劳强度。性能要求：弯曲与接触应力都很大，要渗碳、淬火处理，以提高耐磨性和疲

劳抗力。材料的淬透性要求较高，心部硬度应在35～45HRC之间。

良好的切削工艺性能。选材：

低合金渗碳钢：20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，并进行渗碳或碳氮共渗处理；部分齿轮则采用中碳钢和中碳合金钢，进行调质或正火处理。渗碳齿轮的工艺路线为:下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸、磨削加工→齿轮正火：改善切削加工性（F+P）渗碳：提高齿面含碳量（0.8～1.05%C）淬火：提高齿面硬度和接触疲劳强度低温回火：消除淬火应力，防止磨削裂纹表层：高碳M回+K+A残

心部：低碳M回或(M回+F＋T)

11.3零件的选材及其热成型工艺

圆柱齿轮C336－1六角车床走刀机构传递动力齿轮常温，开式无润滑传动，转速625～24r／min，切削功率可达4.5KW，连续使用45钢聚碳酸酯聚甲醛铸型尼龙噪音减小、传动平稳、长期使用无损坏及磨损现象伞齿轮B8810刨模机伞齿轮转速300～400r／min，受力不大，无润滑，常温使用45钢尼龙1010减重62％，经2年使用无损坏现象蜗轮3M4730钢球研磨机传动蜗轮使用温度55℃，20号机润滑，转速8r／mim，单齿受力17.8MPa6-6-3铜合金铸型尼龙减重80％，噪首低，运转平稳，使用3年无磨损齿条Z3025摇臂钻床移动主轴箱用齿条无润滑，常温使用，低速(手动)，有一定载荷，要求刚性好，变形小黄铜聚碳酸酯减重90％，使用情况良好冷拔35钢30％玻纤增强聚碳酸酯变形小，长期使用无磨损，与其啮合的钢齿轮有磨损塑料在齿轮、齿条上的应用实例

11.3零件的选材及其热成型工艺

11.3.2轴类零件的选材与热成型工艺

机床主轴、丝杠、内燃机曲轴、膛杆、汽车半轴、发电机转子轴等都属于轴类零件。⑴工作条件及性能要求①工作条件轴类零件支撑传动零件和传递运动和动力。其质量好坏直接影响机器精度与寿命。轴承受交变扭转载荷、一定的交变弯矩或拉压载荷；

轴颈处用滑动轴承支撑时，受摩擦磨损(在用滚动轴承且轴颈不作内圈时，则没有摩擦磨损)；

汽车、拖拉机轴，会受到一定过载和冲击载荷的作用。②失效形式受扭转疲劳和弯曲疲劳交变载荷长期作用，造成轴疲劳断裂；大载荷或冲击载荷作用，轴发生过载或冲击折断或扭断；轴颈或花键处过度磨损。③性能要求良好的综合力学性能，即强度、塑性、韧性有良好的配合，以防止冲击或过载断裂；高的疲劳强度，以防疲劳断裂；良好的耐磨性，防止轴颈磨损。此外，还应考虑刚度、切削加工性、热处理工艺性和成本。11.3零件的选材及其热成型工艺

白鹤滩水力发电机主轴⑵轴类零件的选材

不传递动力只承受弯矩起支撑作用：满足刚度和耐磨性，刚度：用碳钢或球墨铸铁来制造；

轴颈有较高耐磨性要求的轴：用中碳钢并表面淬火，硬度≥52HRC。

主要受弯曲、扭转的轴：如变速箱传动轴、发动机曲轴、机床主轴等。

这类轴在整个截面应力不均匀，表面应力较大，心部应力较小。

这类轴无需选用淬透性高的钢种，用中碳钢（45钢、40Cr、40MnB）即可满足要求；

若要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的轴，如镗床主轴，则选用38CrMoAlA钢，进行调质及氮化处理。

承受弯曲(或扭转)及拉、压载荷的轴：船用推进器轴、锻锤锤杆等。

这类轴的整个截面上应力分布均匀，心部受力也较大，应选用淬透性较高的钢种。一般选用45、40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo和40CrNiMo等中碳钢和中碳合金钢，以满足优良的综合机械性能。

要求抗冲击和耐磨的高载重要轴：选20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA经渗碳、淬火、回火11.3零件的选材及其热成型工艺

选用45钢或40Cr钢制造，加工工艺路线为：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→磨削加工→零件。整体的调质处理可使轴得到较高的综合力学性能与疲劳强度，硬度可达220～250HBS，调质后组织为回火索氏体。在轴颈和锥孔处进行表面淬火与低温回火处理后，硬度为52HRC，可以满足局部高硬度与高耐磨性的要求。锻钢曲轴的工艺路线为：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。锻钢曲轴所选材料主要是优质中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo等，一般在调质或正火后采用中频感应淬火对轴颈进行表面强化处理。铸造曲轴的工艺路线为：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(或氮碳共渗)→矫直→精加工→零件。球墨铸铁也是曲轴常用的材料，在轿车发动机中应用很广泛。曲轴用球墨铸铁有QT600−2、QT700−2、QT900−2等。11.3.3炮管类零件⑴炮身管工作条件

身管是赋予弹丸初速和飞行方向的部件，实为管状压力容器：尾端封闭(无后座力炮例外)而炮口敞开。在发射时，弹丸自身的密封结构──弹带与身管的紧密闭合形成一个密闭空腔，火药在空腔内爆炸产生巨大压力而推动弹丸高速飞出。失效形式：身管在工作时受火药气体压力和弹丸机械力的作用、热作用和化学作用，产生烧蚀。此外，还有金属的塑性流动或变形以及产生裂纹和断裂。⑵性能要求

应有高耐热性能，即使膛面温度高达1093℃左右也能抵抗火药气体的烧蚀；

耐急冷急热能力高，膨胀系数小，不会导致内膛表面镀层(涂层)脱落；

应有高的化学稳定性，高温下与火药气体接触时保持化学稳定，或者当发生化学反应时，能形成一层粘着的防护薄膜；

良好的成形加工和热处理工艺性能。

现有材料并不能完全满足这些要求。采用衬管并进行内膛电镀对提高身管的性能有明显的效果。⑶身管用材

身管材料用得较多的是中碳低合金钢，它具有高强度、好的耐烧蚀性。为了提高身管寿命，可用耐烧蚀的材料做成衬管或采用表面镀层工艺。11.3零件的选材及其热成型工艺

25Cr3Mo3NiNbZr

对强度级别为P-750～P-800、壁厚小于80mm的身管，选用PCrNi1Mo。

壁厚为80～120