机械零件的选材.pptx

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1、第十章第十章 机械零件的选材机械零件的选材1 材料选用的一般原则材料选用的一般原则1. 使用性能选材原则使用性能选材原则 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（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分（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；布）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。在全面分析工作条：如导热性、密度与磁性等

2、。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、酸碱等腐蚀介质中工作性能、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则要求耐蚀性等2. 工艺性能选材原则工艺性能选材原则 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺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、外部质量以及生产成本和生产效率等。的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。 理想情况下，

3、所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度理想情况下，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，保证甚至提高小、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。产品的质量。1. 铸造性能铸造性能 凡相图上液凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能的铸造性能

4、优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。2. 压力加工性能压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢加工，而钢可以压力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；故高中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压

5、力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。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，且低碳钢焊接性能最高而变差，因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、铜合金的焊接性好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能

6、一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或能一般不好，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。特殊措施进行焊接。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、刀具越易磨损，其切削加工性能力越强、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，易切削钢、灰铸铁和硬度处于就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏范围的钢具

7、有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的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较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。切削加工性能。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、单相奥氏体不锈钢一般不可热纯铝、纯铜、部分铜合金、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。相当的重要。三三经济

8、性能选材原则经济性能选材原则 所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或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，而是指运用价值分析的方法，综合是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，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。济效益。 选择材料的基本过程选择材料的基本过程2 零件的失效分析零件的失效分析断裂失效失效形式磨损腐蚀表面损伤失效过量变形失效过量弹性变形低应力断裂脆性断裂过量塑性变形疲劳断裂蠕变断裂韧性断裂应力腐蚀断裂接触疲劳3 典型零件的选材及工艺分析典型零件的

9、选材及工艺分析一一齿轮类零件齿轮类零件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

10、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； 其它其它特殊失效特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。，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，

11、以防冲击过载断裂。（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。锻钢制造。低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改善切削加工性等，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轮的使用性能。能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度具有表面高硬度(5662HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲

12、劳极限，心部具有足够高的强韧性；故劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。 中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只宜制作低速、只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下具

13、体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。用，少数情况也可在调质状态使用。 中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl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，主要用后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。做高精度、高速齿轮。（2）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，

14、较少使用，锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大但对某些尺寸大(500mm)、形状复杂的齿轮，采用、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有铸钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270500、ZG310570、ZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求不高、低速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、甚至正火状态下使用。齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。（3 3）铸铁铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能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，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用

15、于制作低速、好且成本低，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用等；由于球墨铸铁的强韧性较好，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。处理方法类似于铸钢齿轮。 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

16、不太高。大多采用碳钢表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为，齿心硬度为220250HBS，可满，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等等)制造，其齿面硬度可提制造，其齿面硬度可提高到高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢高

17、精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如如35CrMo、38CrMoAlA等等)进行表面渗氮处理制造。进行表面渗氮处理制造。机床齿轮的机床齿轮的加工工艺路线加工工艺路线： 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表面淬火低温回火温回火精磨精磨 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。调质调质处理可使齿轮具有处理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

18、和冲击载荷。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，可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。 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的工作条件恶劣，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；对齿轮；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，采用中碳材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合

19、金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳制造，经渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达淬火低温回火处理后，齿面硬度可达5862HRC，心部，心部硬度硬度3045HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。采用采用20CrMnTi制造汽车齿轮，制造汽车齿轮，工艺路线工艺路线为：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、高耐磨性和高的疲劳渗碳淬火处理可使

20、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，性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高可使齿面硬度提高13HRC，增加表层残余压应力，进而提，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。高疲劳极限。 二轴类零件选材1. 工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉工作条件交变弯曲载荷，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、停、过载等，承受一定的冲击载荷；过载等，承受一定的冲击载荷；2. 主要失效疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；磨主要失效疲劳断

21、裂为多数、冲击过载断裂为少数；磨损损 相对运动表面过度磨损；过量变形相对运动表面过度磨损；过量变形 极少数情况下会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失效。性变形失效。3. 性能要求高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承性能要求高的疲劳极限；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. 锻钢锻钢 优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见钢最常见)等碳钢具有较高的综合力学性能等碳钢

22、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，也可采用进一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳等普通碳钢制造；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，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如（如38CrMoAlA）制造。）制造。 中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性

23、中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能能(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、渗氮等表面淬火、渗氮等)。 少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9

24、Mn2V等）。等）。2. 铸钢铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如ZG230-450。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(主要是韧性主要是韧性)要低。要低。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，故由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如如QT700-2)和高强度和高强度灰铸铁灰铸铁(HT350、KTZ55006等等)来代替钢作为轴来代替钢作为轴(尤其是尤其是曲轴曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏的材料

25、。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，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。选材时值得重视。 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、转速中等并承受一扭复合交变载荷、转速中等并承受一定的冲击载荷，一般选用定的冲击载荷，一般选用45钢或钢或40Cr钢制造钢制造(40Cr用于载荷用于载荷较大、尺寸较大的轴较大、尺寸较大的轴)；对于承受重载、要求高精度、高尺；对于承受重载、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴寸稳定性及高耐磨性的主轴(如镗床主轴如镗床主轴)，则须用，则须用38CrMoAlA钢经渗氮处理制造。钢经渗氮处理制造。 45钢钢(或或40Cr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加工表面淬火表面淬火低温回火低温回火精磨精磨成品成品