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1、13.113.1 机械零件的失效分析机械零件的失效分析13.13.2 2 选材原则选材原则13.13.3 3 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺 失效失效 零件由于种种原因，导致其尺寸、形状、或材料的零件由于种种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。组织与性能发生变化而失去其原设计的的功能。 一、失效形式一、失效形式常见的失效形式有常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损伤失效变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。等。1 1、变形失效、变形失效（1 1）弹性变形失效）弹性变形失效不恰当的弹性变形量导致失效。不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的防止
2、弹性畸变的主要措施主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高的增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。材料，防止超载。（2 2）塑性变形失效）塑性变形失效外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形( (永永久变形久变形) )。防止零件塑性变形失效的措施：防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材料，进行采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。合理的热处理，防止超载。 2 2、断裂失效、断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。机械零件因断裂而产生的失效。（1 1）韧性断裂失效）韧性断裂失效 断裂前有明显的塑性变形。断裂前有明显
3、的塑性变形。 宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。 （2 2）脆性断裂失效脆性断裂失效 断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金服点，但经过较长时间的工作
4、而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。属的疲劳断裂。低应力脆性断裂失效低应力脆性断裂失效 石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断低应力脆性断裂裂。 低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。 解理断口解理断口沿晶断口沿晶断口3 3、表面损失失效、表面损失失效由于磨损、
5、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。效。 磨损磨损(wear)(wear)失效失效任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。象称为磨损失效。 腐蚀腐蚀(corrosion)(corrosion)失效失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺
6、寸和性能的改变而导致由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。的失效称为腐蚀失效。 表面疲劳失效表面疲劳失效表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。失效。 断裂仅占断裂仅占5%5% 腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%74%潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求
7、应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形形，轴颈磨损，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极限表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限二、失效原因二
8、、失效原因 造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。装配使用等因素。1 1、设计不合理、设计不合理 2 2、选材错误、选材错误3 3、加工工艺不当、加工工艺不当 4 4、装配使用不当、装配使用不当高温蠕变高温蠕变零零件件失失效效加加 工工设设 计计计算错误计算错误热处理缺陷热处理缺陷焊接缺陷焊接缺陷 结构外形不合理结构外形不合理工作条件估计错误工作条件估计错误冷加工缺陷冷加工缺陷铸锻造缺陷铸锻造缺陷安装使用维护环境安装使用维护环境材料材料材质低劣材质低劣选材不当选材不当操作失误操作失误过载使用过载使用 维护不良维护不良
9、安装不良安装不良腐蚀腐蚀低温脆性低温脆性现场调查现场调查失效特征失效特征服役条件服役条件失效部位取样分析失效部位取样分析查阅相关原始资料查阅相关原始资料原始资料的正确性原始资料的正确性制造过程的执行情况制造过程的执行情况冷热加工质量冷热加工质量材料成分材料成分综合分析综合分析解决方案解决方案正在使用和库存件的解决方案正在使用和库存件的解决方案新生产件的解决方案新生产件的解决方案台架试验台架试验使用考验使用考验三、失效分析三、失效分析 的一般程序的一般程序选材的基本原则选材的基本原则 1 1、使用性能原则、使用性能原则 材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指零件在
10、使用状使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的态下材料应该具有的机械性能、物理性能、化学性能。机械性能、物理性能、化学性能。2 2、工艺性能原则、工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。3 3、经济性原则、经济性原则 满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，把总成本降满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。至最低，取得最大的经济效益。分析零件的工作条件，确定其使用性能：分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉
11、压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；）与大小，应力状态；工作环境：工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；有无腐蚀介质、润滑剂）；其它要求：其它要求：如导热性、密度与磁性等。如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。蚀介质中
12、工作则要求耐蚀性等。 力学性能指标的综合作用力学性能指标的综合作用 一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下一般情况下，在提高材料的强度的同时，塑、韧性就要下降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易降，当塑、韧性下降到一定值时，在低应力的作用下材料也易产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选产生微裂纹，从而使得承载能力下降。所以，在对零件进行选材时一定要考虑力学性能指标的材时一定要考虑力学性能指标的综合作用综合作用，充分考虑零件力学，充分考虑零件力学性能的性能的强韧性配合强韧性配合。为了保证零件的安全，要求零件既具有高。为了保证零件的安全，要求零件既具有高
13、强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定，强度又具有较高的韧性。一般只是根据下列原则定性的确定，其可靠性往往仍需按实际试验来验证。其可靠性往往仍需按实际试验来验证。 对于对于静载荷静载荷，结构上存在非尖锐缺口，结构上存在非尖锐缺口( (如结构小孔、键槽、如结构小孔、键槽、凸肩等凸肩等) )的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零的零件，高的塑性可以降低局部的应力集中，防止零件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。件产生微裂纹。所选材料应有一定的塑性和韧性。 对于对于承受小能量多次冲击的零件承受小能量多次冲击的零件，以及结构上存在尖锐缺，以及结构上存在尖锐缺口和内部口和内部
14、存在裂纹存在裂纹的零件，强度（的零件，强度（疲劳强度、断裂韧度疲劳强度、断裂韧度）是）是非常重要的因素。非常重要的因素。 对于在对于在低温下工作的零件低温下工作的零件，常选择韧性较大的材料。，常选择韧性较大的材料。对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定对于大多数的零件来说，在保证强度的同时，应合理地确定塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。塑性与韧性，以充分发挥材料的潜能。14:35材料的工艺性能材料的工艺性能可定义为材料适应各种可定义为材料适应各种加工工艺加工工艺而获得规定的而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零
15、件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。的质量。1.1.铸造性能铸造性能 凡相图上液凡相图上液- -固相线间距固相线间距越小越小、越、越接近接近共晶成分的合金均具有共晶成分的合金均具有较较好好的铸
16、造性能。因此的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁铸铁的铸造性能优于的铸造性能优于铸钢，铸钢，在钢的范围，在钢的范围，中、低碳钢中、低碳钢的铸造性能又优于的铸造性能又优于高碳钢高碳钢，故，故高碳钢高碳钢较少用做铸件。较少用做铸件。2.2.压力加工性能压力加工性能 包括包括变形抗力变形抗力，变形温度范围变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、产生缺陷的可能性及加热、冷却要求冷却要求等。一般来说，等。一般来说，铸铁铸铁不可压力加工，而钢可以压力不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺
17、性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢高碳钢或高碳高合金钢一般一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等。钢等。变形铝合金和大多数铜合金变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。的压力加工性能。 3.3.焊接性能焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊
18、接性能最好、中碳钢次之此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。 4.4.机械加工性能机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切刀具越易磨损，
19、其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于削钢、灰铸铁和硬度处于180180230HBS230HBS范围的钢具有较好的范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢( (高铬钢、高高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢速钢、高锰耐磨钢) )的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能铜合金具有优良的切削加工性能。 5.5.热处理工艺性能热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈
20、钢一般不可热处理强化；对可热处铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。 质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。济性原则。 所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析运用价值分析的方法，的方法，综合考
21、虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。术经济效益。 产品成本分析产品成本分析 占总成本的占总成本的3070%3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%30%加工成本加工成本 = = 工具与设备费用工具与设备费用 + + 每件产品成本每件产品成本 生产批量生产批量材材 料料元元 / / kgkg材材 料料元元 / / kgkg铂铂290,000290,000 ZnZn3434金金160,000160,000 铝铝2121银银3,5003,500 4040CrCr3.73.7钛钛200 20
22、0 碳钢碳钢3.33.3铜铜68 68 生铁生铁2.32.3 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1. 1. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。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重要金属的世界储量 2. 2. 能源消耗少能源消耗少 可用年数可用年数 再生率再生率(%)(%)FeFe12812831.731.7AlAl353516.916.9CuCu323240.940.9ZnZn242421.221.2W W4747AgAg151541.041.0MnMn1414NiNi49493. 3. 环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少
23、材料回收及降解材料回收及降解 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主是目前最主要的四大类工程材料。要的四大类工程材料。 高分子材料高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的料丰富、生产能耗较低（为钢的1/101/10、铝的、铝的1/201/20），密度低），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故、弹性较好且减振、耐磨，故适合于适合于制造受力不大的普通结构制造受力不
24、大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。、密封件和轮胎等。 陶瓷材料陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。 陶瓷材料具有陶瓷材料具有高热硬性高热硬性及及化学稳定性化学稳定性，可用作耐热、耐磨、，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高
25、新技术产品由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为中占据重要地位，故有人认为2121世纪是世纪是“第二个石器时代第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。 复合材料复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是能优良等特点。尤其是金属基复合材料金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。
26、但复合从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。巨大、前景极其广阔。 金属材料金属材料, ,尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具性能、工艺性能和生产成本这三
27、者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器铁器时代时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占。以载重汽车用材的重量为例，钢占6565、铸铁占、铸铁占2020、有色金属占、有色金属占3 3、非金属材料约占、非金属材料约占1212。在轻型汽车和轿。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭
28、矩（力或能应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。），改变运动速度或方向。 不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。 1 1工作条件工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力； 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；力及强烈的摩擦； 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力； 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求有
29、时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。，抗磁性要求等。2 2主要失效形式主要失效形式 断裂断裂包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；载导致的崩齿与开裂； 齿面损伤齿面损伤包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损； 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。3 3主要性能要求主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿
30、的疲劳断裂。 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。面损伤。 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。 （1 1）锻钢）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。 主要包括：主要包括： 低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢 2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA
31、等，可通过退火或正等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度轮的使用性能。具有表面高硬度(56(5662HRC)62HRC)和高耐磨性、和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮高速、大冲击的中载和重载齿轮。 中碳钢中碳钢4040、4545钢可用作钢可用作低中速、轻中载、小冲击低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调
32、质、表面淬火状态下使用；工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr40Cr、40MnB40MnB合金钢的综合力学性能优于合金钢的综合力学性能优于4040、4545碳钢，可碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。在调质状态使用。中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢，经调质处理钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高高精度、高速齿轮精度、高速齿轮。（2 2
33、）铸钢）铸钢 铸钢铸钢 齿齿 轮轮 的的 力力 学学 性性 能能 比比 锻钢差，较少使用，但对某些尺锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大寸大( (500mm)500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有用铸钢牌号有ZG270500ZG270500、ZG310570ZG310570、ZG40CrZG40Cr等。铸等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。用。（3 3）
34、铸铁）铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载、不受低速、轻载、不受冲击冲击的非重要齿轮。常用牌号有的非重要齿轮。常用牌号有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等等；由于；由于球墨铸铁球墨铸铁的的强韧性强韧性较好，故采用较好，故采用QT600-3QT600-3、QT500-7QT500-7代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。
35、似于铸钢齿轮。（4 4）非铁金属）非铁金属 在在仪器仪表仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是料制造，其中最主要的是铜合金铜合金，如黄铜，如黄铜( (如如H62)H62)、铝青铜、铝青铜( (如如QAl9-4)QAl9-4)、锡青铜、锡青铜( (如如QSn6.5-0.1)QSn6.5-0.1)、硅青铜、硅青铜( (如如QSi3-1)QSi3-1)等等。（5 5）粉末冶金材料）粉末冶金材料 粉末冶金齿轮材料可实
36、现精密的少、无切削加工方法，特别是粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小齿轮术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料，如汽车发动机的定时齿轮（材料Fe-C0.9Fe-C0.9）、分电器齿轮（）、分电器齿轮（材料材料Fe-C0.9-Cu2.0Fe-C0.9-Cu2.0）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-CFe-Cu-C）、联合收割机中的油
37、泵齿轮。）、联合收割机中的油泵齿轮。 对对开式传动开式传动齿轮，或齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小低速、轻载、不受冲击或冲击较小的齿的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；对对闭式传动闭式传动齿轮，或齿轮，或中高速、中重载、承受一定甚至较大冲中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击击的齿轮，则宜选用相对较好的材料，如优质碳钢或合金钢的齿轮，则宜选用相对较好的材料，如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理；、并须进行表面强化处理；在在齿轮副选材齿轮副选材时，为使两者寿命相近并防止咬合现象，大、时，为使两者寿命相近并防止咬合现象，大、小齿轮宜选不同的材
38、料，且两者硬度要求也应有所差异，通小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。 1.1.机床齿轮机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢碳钢(40(40、4545钢钢) )制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达齿面硬度可达50HRC50HRC，齿心硬度为，齿心硬度为220220250HBS250
39、HBS，可满足，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢中碳合金钢(40Cr(40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等) )制造，其齿面硬度可提高到制造，其齿面硬度可提高到58HRC58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢中碳氮化钢( (如如35CrMo35CrMo、38CrMoAlA38CrMoAlA等等) )进行表面渗氮处理制造。进行表面渗氮处理制造。机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的简明加工
40、工艺路线：下 料下 料 锻 造锻 造 正 火正 火 粗 加 工粗 加 工 调 质调 质 精 加 工精 加 工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨正火正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质处理调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。可提高齿轮表面的硬度，耐磨性
41、和疲劳性能。低温回火低温回火的作用主要是消除淬火应力。的作用主要是消除淬火应力。 2.2.汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动系统中工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用用中碳钢表面淬火中碳钢表面淬火已已难难满足使用的需要；通常选用满足使用的需要；通常选用合金渗合金渗碳钢碳钢(20Cr(20Cr、20MnVB20MnVB、20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo)20
42、CrMnMo)制造，制造，经经渗碳淬火低温回火渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达处理后，齿面硬度可达585862HRC62HRC，心部硬度，心部硬度303045HRC45HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如则可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。 采用采用20CrMnTi20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：制造汽车齿轮，简明工艺路线为： 下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲
43、劳性能渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高齿面硬度提高1 13HRC3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。劳极限。 1 1工作条件工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉交变弯曲载荷，扭转载荷或拉- -压载荷；相对压载荷；相对运动表面运动表面( (如轴颈、花键部位如轴颈、花键部位) )发生摩擦；因机器开发生摩擦；因机器开- -停、过载停、过载等，承受一定的冲击载荷；等，承受一定的冲击载荷；2 2主要失效主要失效疲劳断裂疲劳
44、断裂为多数、冲击过载断裂为少数；为多数、冲击过载断裂为少数；磨磨损损 相对运动表面过度磨损；相对运动表面过度磨损；过量变形过量变形 极少数情况下会发极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。失效。3 3性能要求性能要求高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。 1 1锻钢锻钢 优质优质中碳或中碳合金调质钢中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：是轴类材料的主体：3535、4040、4545、50(4550(4
45、5钢最常见钢最常见) )等碳钢具有较高的综合力学性等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用一步降低成本，也可采用Q235Q235、Q255Q255、Q275Q275等普通碳钢制等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr40Cr、40MnVB40MnVB等，等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如对其中精度要求极高的轴要采用
46、专用氮化钢（如38CrMoAlA38CrMoAlA）制造。）制造。 中碳钢轴的热处理特点中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学是：正火或调质保证轴的综合力学性能性能( (强韧性强韧性) )，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理理( (表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等) )。 少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈当轴受到强烈冲击载荷冲击载荷作用时，宜用作用时，宜用低碳钢低碳钢（如（如20Cr20Cr、20CrMnTi20C
47、rMnTi）渗碳渗碳制造；而当轴所受制造；而当轴所受冲击作用较小冲击作用较小而相对运动而相对运动部位要求部位要求更高的耐磨性更高的耐磨性时，则宜用时，则宜用高碳钢高碳钢制造（如制造（如GCr15GCr15、9Mn2V9Mn2V等）。等）。 2 2铸钢铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如如ZG230-450ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能( (主要是韧主要是韧性性) )要低。要低。 3 3铸铁铸铁 由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来
48、愈来愈多地采用球墨铸铁，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁( (如如QT700-2)QT700-2)和高和高强度灰铸铁强度灰铸铁(HT350(HT350、KTZ55006KTZ55006等等) )来代替钢作为轴来代替钢作为轴( (尤其尤其是曲轴是曲轴) )的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。材时值得重视。机床主轴：机床主轴： 机床主轴承受弯机床主轴承受弯- -扭复合交变载荷、扭复合交变载荷、转速中等转速中等并承受并承受一定
49、一定的冲击载荷的冲击载荷，一般选用，一般选用4545钢或钢或40Cr40Cr钢制造钢制造(40Cr(40Cr用于载荷较用于载荷较大、尺寸较大的轴大、尺寸较大的轴) )；对于承受；对于承受重载重载、要求高精度、高尺寸稳、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴定性及高耐磨性的主轴( (如如镗床主轴镗床主轴) )，则须用，则须用38CrMoAlA38CrMoAlA钢钢经渗氮处理制造。经渗氮处理制造。 4545钢钢( (或或40Cr40Cr钢钢) )机床主轴的简明加工路线为：机床主轴的简明加工路线为： 下 料下 料 锻 造锻 造 正 火正 火 粗 加 工粗 加 工 调 质调 质 半 精 加 工半 精
50、 加 工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨成品成品实例实例 C620 C620 车床车床主轴主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。部位耐磨性高。 性能指标性能指标 硬度硬度220220250HB250HB，轴颈轴颈52HRC 52HRC 。选材选材 45 45钢，整体硬度钢，整体硬度220220250HB250HB，轴颈表面淬火硬度轴颈表面淬火硬度5257HRC5257HRC。热处理工艺热处理工艺 840 840水淬水淬 + 600 + 600回火回火( (水或油冷）水或油冷）+ + 轴颈高频淬火轴颈高频淬火 + 200 + 200回火回火最终组织