机电工程学院(1).ppt

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1、2023/5/19机电工程学院机电工程学院(1)5/19/20235/19/20235/19/20235/19/2023概 述材料的选择与应用是机械设计与制造工作中材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基重要的基础环节础环节，自始至终地影响整个设计过程。，自始至终地影响整个设计过程。选材的选材的核心问题核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法（路线）是对机械设计与制造工

2、程人员（广义工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员（广义地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的基本要求基本要求。5/19/2023 一、基本概念一、基本概念1 机械零件的失效分析 在在使使用用过过程程中中，因因零零件件的的外外部部形形状状尺尺寸寸和和内内部部组组织织结结构构发发生生变变化化而而失失去去原原有有的的设设计计功功能能，使使其其低低效效工工作作或或无无法法工工作作或或提提前前退退役的役的现现象即称象即称为为失效失效。失失效效分分析析的的目目的的就就是是要要分分析析零零件件的的失失效效原原因因并并提提出出相相应应的的防防止止和和改

3、改进进措措施施，其其结结论论对对零零件件的的设设计计、选选材材、加加工工与与使使用用都都有有重重大的指大的指导导意意义义。5/19/2023二、失效形式二、失效形式 四四类类：过过量量变变形、断裂、表面形、断裂、表面损伤损伤和物理性能降和物理性能降级级。对对结结构构材材料料的的失失效效而而言言，前前三三种种是是最最主主要要的的；其其中中断断裂裂失失效效（尤尤其其是是脆脆性性断断裂裂）因因其其危危险险性性而而易易受受重重视视、且且研研究究最最多多，疲疲劳劳断断裂裂最最普普遍遍，是是断断裂裂失失效效的的主主要要方方式式。对对于于功功能能材材料料，物物理理性性能能降降级级是是其其主主要要失失效效形形

4、式式，但但也也存存在在断断裂裂与与腐腐蚀蚀、磨磨损损等等问题问题。5/19/2023下列任何一种情况的发生，都下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：可以认为零件已经失效：p零件完全破坏，不能继续工作零件完全破坏，不能继续工作p零件严重损伤，不能保证工作安全零件严重损伤，不能保证工作安全p零件虽能安全工作，但工作低效零件虽能安全工作，但工作低效5/19/2023（一）、零件失效的基本形式（一）、零件失效的基本形式 零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂的类型以及外在

5、条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。失效和表面损伤失效三大类型。表面表面损伤损伤失效失效断裂失效断裂失效变变形失效形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效零件失效5/19/2023（二）、失效分析的主要方法（二）、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计

6、5/19/2023失效分析的主要方法失效分析的主要方法1、无损检测、无损检测 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2、断口分析、断口分析 断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口5/19/20233、金相分析、金相分析 通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否

7、正常作出判断。4、化学分析、化学分析 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。5、力学分析、力学分析 检查分析失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。5/19/2023三、失效原因三、失效原因四个主要方面：四个主要方面：设计设计、材料、加工与使用、材料、加工与使用 5/19/2023材料选用原则材料选用原则(一)使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则（二）工艺性能原则（二）工艺性能原则（三）经济性原则（三）经济性原则（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则 根本原则根本原则2 选材的一般原则5/19/2023一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 分析零件的工作条件，确定其使用

8、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）、分布荷）、形式（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；（均匀分布、集中分布）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）如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；，介质（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，如分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交

9、变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求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则要求耐蚀性等。韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。5/19/20235/19/2023二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则 材料的材料的工艺性能工艺性能可定义为材料经济地适应各种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，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的内在性能、外部质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。量以及生产成本和生产效率等。材料材料选择与工艺方法选择与工艺方法的确定应同步进行，工

10、艺的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，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，保证甚至提高产品的质量。利用率高，保证甚至提高产品的质量。5/19/2023二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）1.1.铸铸造造性性能能 凡凡相相图图上上液液-固固相相线线间间距距越越小小、越越接接近近共共晶晶成成分分的的合合金金均均具具有有较较好好的的铸铸造造性性能能。因因此此铸铸铁铁、铸铸造造铝铝合合金金、铸铸造

11、造铜铜合合金金的的铸铸造造性性能能优优良良；在在应应用用最最广广泛泛的的钢钢铁铁材材料料中中，铸铸铁铁的的铸铸造造性性能能优优于于铸铸钢钢，在在钢钢的的范范围围，中中、低低碳碳钢钢的的铸铸造造性性能能又又优优于于高高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。碳钢，故高碳钢较少用做铸件。5/19/2023 2.2.压力加工性能压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，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，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工说，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，随着钢中碳及合金元素的含艺性能有

12、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；故高碳钢或高碳量增高，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，且热加工性能高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金也较差，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，像低碳钢一样具有较好的压力和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。加工性能。5/19/2023 3.焊焊接接性性能能 钢钢铁铁材材料料的的焊焊接接性性随随其其碳碳和和合合金金元元素素含含量量的的提提高高

13、而而变变差差，因因此此钢钢比比铸铸铁铁易易于于焊焊接接，且且低低碳碳钢钢焊焊接接性性能能最最好好、中中碳碳钢钢次次之之，高高碳碳钢钢最最差差。铝铝合合金金、铜铜合合金金的的焊焊接接性性能能一一般般不不好好，应应采采用用一一些些高高级级的的焊焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。5/19/2023 4.机机械械加加工工性性能能 主主要要指指切切削削加加工工性性和和磨磨削削加加工工性性，其其中中切切削削加加工工性性最最重重要要。一一般般来来说说材材料料的的硬硬度度越越高高、加加工工硬硬化化能能力力越越强强、切切屑屑不不易易断断排排、刀刀具具越越易易磨磨损损，

14、其其切切削削加加工工性性能能就就越越差差。在在钢钢铁铁材材料料中中，易易切切削削钢钢、灰灰铸铸铁铁和和硬硬度度处处于于180180230HBS230HBS范范围围的的钢钢具具有有较较好好的的切切削削加加工工性性能能；而而奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、高高碳碳高高合合金金钢钢(高高铬铬钢钢、高高速速钢钢、高高锰锰耐耐磨磨钢钢)的的切切削削加加工工性性能能较较差差。铝铝、镁镁合合金金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。及部分铜合金具有优良的切削加工性能。5/19/2023 5.热处理工艺性能热处理工艺性能 必必须须首首先先区区分分是是否否可可进进行行热热处处理理强强化化，如如纯纯铝铝、纯纯铜铜、部部分

15、分铜铜合合金金、单单相相奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢一一般般不不可可热热处处理理强强化化；对对可可热热处处理理强强化化的的材材料料而而言言，热热处处理理工艺性能相当的重要。工艺性能相当的重要。5/19/2023三、经济性能选材原则三、经济性能选材原则 质质优优、价价廉廉、寿寿命命高高，是是保保证证产产品品具具有有竞竞争争力力的的重重要要条条件件；在在选选择择材材料料和和制制定定相相应应的的加加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所所谓谓经经济济性性选选材材原原则则，不不仅仅是是指指选选择择价价格格最最便便宜宜的的材材料料、或或是是生生产产成成本本最最低低的的产产品品

16、，而而是是指指运运用用价价值值分分析析的的方方法法，综综合合考考虑虑材材料料对对产产品品的的功功能能与与成成本本的的影影响响，以以达达到到最最佳佳的的技技术术经经济效益。济效益。5/19/2023经济性能选材原则举例经济性能选材原则举例价值工程原理：价值价值工程原理：价值=功能功能/成本成本Q235A-不锈钢不锈钢F-不锈钢不锈钢价格价格/使用年限使用年限5000元元/年年 40000元元/10年年15000元元/6年年年成本年成本/材料损耗材料损耗5000400025003000元元/停产损失停产损失80004300300030000元元/停产损失停产损失3500070007500？5/19

17、/2023四环境与资源原则四环境与资源原则 1.能源和资源消耗少 世界能源世界能源储储藏量藏量石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m31，039，272吨200万吨可开采年限45.5年64年219年74年主要产地及储量比例中东66.4%独联体、中东70%美、苏、中、澳 70%重要金属的世界重要金属的世界储储量量储量（106t）可用年数再生率(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147515/19/20232.环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/t

18、Kg/m3木材1.52.8750139030561528混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000一定性能水平下的材料能耗一定性能水平下的材料能耗木材混凝土钢塑料铝、镁及钛合金E/b24145100500475-1002710-1029E生产每公斤材料的能耗材料密度 b抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量5/19/2023一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 金金属属材材料料、高高分分子子材材料料、陶陶瓷瓷材材料料及及复复合

19、合材材料料是目前最主要的四大是目前最主要的四大类类工程材料。工程材料。高高分分子子材材料料的的强强度度与与刚刚度度低低、尺尺寸寸稳稳定定性性较较差差且且易易老老化化，在在工工程程上上一一般般不不用用于于受受力力较较大大的的、重重要要的的结结构构零零件件。但但由由于于其其原原料料丰丰富富、生生产产能能耗耗较较低低（为为钢钢的的1/101/10、铝铝的的1/201/20），密密度度低低、弹弹性性较较好好且且减减振振、耐耐磨磨，故故适适合合于于制制造造受受力力不不大大的的普普通通结结构构件件及及减减振振、耐耐磨磨或或密密封封零零件件，如如轻轻载载传传动动齿齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。轮、轴承

20、、紧固件、密封件和轮胎等。5/19/2023陶陶瓷瓷材材料料硬硬而而脆脆、加加工工性性能能差差，也也不不能能用用作作重重要要的受力零件；的受力零件；目前目前主要应用领域主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。是建筑陶瓷和功能材料。陶陶瓷瓷材材料料具具有有高高热热硬硬性性及及化化学学稳稳定定性性，可可用用作作耐耐热热、耐耐磨磨、耐耐蚀蚀的的零零件件，如如燃燃烧烧器器喷喷嘴嘴、刀刀具具与模具、石油化工容器等。与模具、石油化工容器等。由由于于陶陶瓷瓷功功能能材材料料具具有有极极其其广广阔阔的的应应用用前前景景，在在高高新新技技术术产产品品中中占占据据重重要要地地位位，故故有有人人认认为为2121世世纪纪是

21、是“第第二二个个石石器器时时代代”。陶陶瓷瓷作作为为结结构构材材料，目前尚处开发应用阶段。料，目前尚处开发应用阶段。5/19/2023 复复合合材材料料克克服服了了高高分分子子材材料料和和陶陶瓷瓷材材料料的的不不足足，综综合合了了各各种种不不同同材材料料的的优优良良性性能能，具具有有高高的的比比强强度度、比比刚刚度度、抗抗疲疲劳劳、减减振振、耐耐磨磨性性能能优优良良等等特特点点。尤尤其其是是金金属属基基复复合合材材料料，从从力力学学性性能能角角度度看看，可可能能是是最最理理想想的的机机械械工工程程材材料料。但但复复合合材材料料价价格格昂昂贵贵，除除在在航航天天航航空空、船船舶舶、武武器器装装备

22、备等等国国防防工工业业中中的的重重要要结结构构件件上上应应用用外外，在在一一般般的的民民用用工工业业上上应应用用有有限限。但但应应注注意意的的是是，随随着着复复合合材材料料的的生生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。5/19/2023 金金属属材材料料,尤尤其其是是钢钢铁铁材材料料，与与其其它它工工程程材材料料相相比比，在在力力学学性性能能、工工艺艺性性能能和和生生产产成成本本这这三三者者之之间间保保持持着着最最佳佳的的平平衡衡，具具有有最最强强的的竞竞争争力力，故故金金属属材材料料仍仍然然是是机机械械工工程程材材料料的的主主力力军军。从从这这个

23、个意意义义上上来来讲讲，人人类类仍仍然然生生活活在在以以钢钢铁铁材材料料为为主主的的“铁铁器器时时代代”。以以载载重重汽汽车车用用材材的的重重量量为为例例，钢钢占占6565、铸铸铁铁占占2020、有有色色金金属属占占3 3、非非金金属属材材料料约约占占1212。在在轻轻型型汽汽车车和和轿轿车车中中，非非金金属属材材料料的的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。5/19/2023二、齿轮类零件选材二、齿轮类零件选材 应应用用极极广广的的重重要要机机械械零零件件，其其主主要要作作用用有有传传递递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。扭矩（力或能），改变运动速度或方向

24、。不同的齿轮，不同的齿轮，其工作条件、失其工作条件、失效形式和性能要效形式和性能要求各有不同。求各有不同。5/19/2023齿轮类零件的性能要求齿轮类零件的性能要求1 1工作条件工作条件 传传递递扭扭矩矩，齿齿根根部部承承受受较较大大的的交交变变弯弯曲曲应应力；力；齿齿面面啮啮合合并并发发生生相相对对滑滑动动与与滚滚动动，承承受受较较大的交变接触应力及强烈的摩擦；大的交变接触应力及强烈的摩擦；启启动动、换换档档或或啮啮合合不不良良，齿齿轮轮承承受受一一定定的的冲击力；冲击力；有有时时有有其其它它特特殊殊条条件件要要求求，如如耐耐高高、低低温温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。要求，耐蚀要求，抗磁性

25、要求等。5/19/20232 2主要失效形式主要失效形式 断断裂裂包包括括交交变变弯弯曲曲应应力力引引起起的的轮轮齿齿疲疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；齿齿面面损损伤伤包包括括交交变变接接触触应应力力引引起起的的表表面面接接触触疲疲劳劳（麻麻点点剥剥落落）和和强强烈烈摩摩擦擦导导致致的的齿齿面过度磨损；面过度磨损；其其它它特特殊殊失失效效，如如腐腐蚀蚀介介质质引引起起的的齿齿面面腐腐蚀现象。蚀现象。5/19/20233 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。足足够够高高的的齿齿面面接接触触疲

26、疲劳劳极极限限和和高高的的硬硬度度、耐磨性，以防齿面损伤。耐磨性，以防齿面损伤。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。5/19/2023（1 1）锻锻钢钢 齿齿轮轮的的主主要要材材料料。锻锻造造可可改改善善钢钢的的组组织织并并形形成成有有益益的的加加工工流流线线，力力学学性性能能优优良良。重重要要用用途的齿轮大多采用锻钢制造。途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：主要包括：低低碳碳钢钢及及低低碳碳合合金金钢钢 2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等等，可可通通过过退退火火或或正正火火来来改改善

27、善切切削削加加工工性性能能，通通过过渗渗碳碳后后淬淬火火低低温温回回火火来来保保证证齿齿轮轮的的使使用用性性能能。具具有有表表面面高高硬硬度度(565662HRC62HRC)和和高高耐耐磨磨性性、高高的的弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限和和接接触触疲疲劳劳极极限限，心心部部具具有有足足够够高高的的强强韧韧性性；故故适适合合于于制制造造高高速速、大大冲冲击的中载和重载齿轮。击的中载和重载齿轮。5/19/2023 中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火齿齿轮轮的的工工作作速速度度、载载荷荷及及受受冲冲击击的的程程度度应应低低于于低低碳碳钢钢渗渗碳碳淬淬火火齿齿轮轮。其其中中Q275Q275只只宜宜制制作作低低速速、

28、轻轻载载、无无冲冲击击的的非非重重要要齿齿轮轮，一一般般在在正正火火状状态态直直接接使使用用；4040、4545钢钢可可用用作作低低中中速速、轻轻中中载载、小小冲冲击击的的齿齿轮轮，依依据据具具体体工工作作条条件件不不同同，可可在在正正火火、调调质质、表表面面淬淬火火状状态态下下使使用用；40Cr40Cr、40MnB40MnB合合金金钢钢的的综综合合力力学学性性能能优优于于4040、4545碳碳钢钢，可可用用做做相相对对重重要要的的齿齿轮轮，多多在在表表面面淬淬火火状状态态使使用用，少数情况也可在调质状态使用。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、38CrMo

29、Al钢，经钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。微小，主要用做高精度、高速齿轮。5/19/2023（2 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 锻钢锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大差，较少使用，但对某些尺寸大(500mm500mm)、形、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有号有ZG270ZG270500500、ZG310ZG310570570、ZG40CrZG40Cr等。铸钢等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火

30、处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。状态、甚至正火状态下使用。5/19/2023（3 3）铸铸铁铁 灰灰铸铸铁铁齿齿轮轮具具有有优优良良的的减减摩摩性性、减减振振性性，工工艺艺性性能能好好且且成成本本低低，其其主主要要缺缺点点是是强强韧韧性性欠欠佳佳，故故多多用用于于制制作作低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击的的非非重重要要齿齿轮轮。常常用用牌牌号号有有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等等；由由于于球球墨墨铸铸铁铁的的强强韧韧性性较较好好，故故采

31、采用用QT600QT600-3 3、QT500QT500-7 7代代替替部部分分铸铸钢钢齿齿轮轮的的趋趋势势越越来来越越大大。铸铸铁铁齿齿轮轮的的热处理方法类似于铸钢齿轮。热处理方法类似于铸钢齿轮。5/19/2023（4 4）非非铁铁金金属属 在在仪仪器器仪仪表表及及某某些些特特殊殊条条件件下下工工作作的的轻轻载载齿齿轮轮，由由于于有有耐耐蚀蚀、无无磁磁、防防爆爆等等特特殊殊要要求求，可可采采用用一一些些耐耐磨磨性性较较好好的的有有色色金金属属材材料料制制造造，其其中中最最主主要要的的是是铜铜合合金金，如如黄黄铜铜(如如H62H62)、铝铝青青铜铜(如如QAl9-4QAl9-4)、锡锡青青铜铜

32、(如如QSn6.5-0.1QSn6.5-0.1)、硅硅青青铜铜(如如QSi3-1QSi3-1)等。等。5/19/2023（5 5）粉粉末末冶冶金金材材料料 粉粉末末冶冶金金齿齿轮轮材材料料可可实实现现精精密密的的少少、无无切切削削加加工工方方法法，特特别别是是随随着着粉粉末末热热锻锻新新技技术术的的应应用用，所所制制造造的的齿齿轮轮力力学学性性能能优优良良、技技术术经经济济效效益益高高。粉粉末末冶冶金金材材料料一一般般适适用用于于大大批批量量生生产产的的小小齿齿轮轮，如如汽汽车车发发动动机机的的定定时时齿齿轮轮（材材料料Fe-C0.9Fe-C0.9）、分分电电器器齿齿轮轮（材材料料Fe-Fe-

33、C0.9-Cu2.0C0.9-Cu2.0）、农农用用柴柴油油机机中中的的凸凸轮轮轴轴齿齿轮轮（材料（材料Fe-Cu-CFe-Cu-C）、联合收割机中的油泵齿轮。）、联合收割机中的油泵齿轮。5/19/2023对对开开式式传传动动齿齿轮轮，或或低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击或或冲冲击击较较小小的的齿齿轮轮，宜宜选选相相对对价价廉廉的的材材料料，如如铸铸铁铁、碳碳钢钢等；等；对对闭闭式式传传动动齿齿轮轮，或或中中高高速速、中中重重载载、承承受受一一定定甚甚至至较较大大冲冲击击的的齿齿轮轮，则则宜宜选选用用相相对对较较好好的的材材料料，如如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理；优质碳钢或合金钢

34、、并须进行表面强化处理；在在齿齿轮轮副副选选材材时时，为为使使两两者者寿寿命命相相近近并并防防止止咬咬合合现现象象，大大、小小齿齿轮轮宜宜选选不不同同的的材材料料，且且两两者者硬硬度度要要求求也也应应有有所所差差异异，通通常常小小齿齿轮轮应应选选相相好好的的材材料料、硬硬度度要求较高一些。要求较高一些。5/19/20235/19/2023 1.1.机机床床齿齿轮轮 运运行行平平稳稳无无强强烈烈冲冲击击、载载荷荷不不大大、转转速速中中等等，对对表表面面耐耐磨磨性性和和心心部部韧韧性性要要求求不不太太高高。大大多多采采用用碳碳钢钢(4040、4545钢钢)制制造造，经经正正火火或或调调质质处处理理

35、后后再再进进行行表表面面淬淬火火低低温温回回火火，其其齿齿面面硬硬度度可可达达50HRC50HRC，齿齿心心硬硬度度为为220220250HBS250HBS，可可满满足足性性能能要要求求；对对部部分分性性能能要要求求较较高高的的齿齿轮轮，也也可可选选用用中中碳碳合合金金钢钢(40Cr40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等)制制造造，其其齿齿面面硬硬度度可可提提高高到到58HRC58HRC左左右右、心心部部强强韧韧性性也也有有所所改改善善；极极少少数数高高速速、高高精精度度、重重载载齿齿轮轮，还还可可选选用用中中碳碳氮氮化化钢钢(如如35CrMo35CrMo、38CrMoA

36、lA38CrMoAlA等等)进进行行表表面面渗渗氮氮处处理制造。理制造。5/19/2023 机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的简明加工工艺路线：下下 料料 锻锻 造造 正正 火火 粗粗 加加 工工 调调 质质 精精 加加 工工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨 正正火火可可使使锻锻造造组组织织均均匀匀化化、便便于于切切削削加加工工、可可作作为为表面淬火前的表面淬火前的预备组织预备组织、并保、并保证齿证齿心的心的强强韧韧性。性。调调质质处处理理可可使使齿齿轮轮具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能，改改善善齿齿心心的的强强韧韧性性进进而而使使齿齿轮轮能能承承受受较较大大的的弯弯曲

37、曲载载荷荷和和冲冲击载击载荷。荷。表表面面淬淬火火可可提提高高齿齿轮轮表表面面的的硬硬度度，耐耐磨磨性性和和疲疲劳劳性性能。能。低温回火低温回火的作用主要是消除淬火的作用主要是消除淬火应应力。力。5/19/2023 2.2.汽汽车车、拖拖拉拉机机齿齿轮轮 工工作作条条件件恶恶劣劣，特特别别是是主主传传动动系系统统中中的的齿齿轮轮；受受力力较较大大，易易过过载载，变变速速时时受受到到频频繁繁的的强强烈烈冲冲击击；对对材材料料的的耐耐磨磨性性、疲疲劳劳性性能能、心心部部强强韧韧性性的的要要求求高高，采采用用中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火已已难难满满足足使使用用的的需需要要；通通 常常 选选 用用 合

38、合 金金 渗渗 碳碳 钢钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制制造造，经经渗渗碳碳淬淬火火低低温温回回火火处处理理后后，齿齿面面硬硬度度可可达达5862HRC，心心部部硬硬度度3045HRC。对对飞飞机机、坦坦克克等等特特别别重重要要齿齿轮轮，则则可可采采用用高淬透性渗碳钢（如高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。5/19/2023 采采用用20CrMnTi制制造造汽汽车车齿齿轮轮，简简明明工工艺艺路路线线为：为：下下料料锻锻造造正正火火切切削削加加工工渗渗碳碳淬淬火火低温回火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗渗碳碳淬淬火火处处理理可可使使齿齿

39、面面具具有有高高硬硬度度、高高耐耐磨磨性性和和高高的的疲疲劳劳性性能能，而而心心部部保保持持良良好好的的强强韧韧性性；喷喷丸丸作作为为进进一一步步强强化化手手段段，可可使使齿齿面面硬硬度度提提高高13HRC，增增加加表表层层残残余余压压应应力力，进进而而提提高高疲劳极限。疲劳极限。5/19/2023三、轴类零件选材三、轴类零件选材1 1工工作作条条件件交交变变弯弯曲曲载载荷荷，扭扭转转载载荷荷或或拉拉-压压载载荷荷；相相对对运运动动表表面面(如如轴轴颈颈、花花键键部部位位)发发生生摩摩擦擦；因机器开因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；停、过载等，承受一定的冲击载荷；2 2主主要要失失效效

40、疲疲劳劳断断裂裂为为多多数数、冲冲击击过过载载断断裂裂为为少少数数；磨磨损损 相相对对运运动动表表面面过过度度磨磨损损；过过量量变变形形 极极少少数数情情况况下下会会发发生生因因强强度度不不足足的的过过量量塑塑性性变变形形失失效和刚度不足的过量弹性变形失效。效和刚度不足的过量弹性变形失效。3 3性性能能要要求求高高的的疲疲劳劳极极限限；综综合合力力学学性性能能好好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。5/19/2023轴类零件实物轴类零件实物5/19/2023三、轴类零件常用材料三、轴类零件常用材料-钢铁钢铁 1锻锻钢钢 优优质质中中碳碳或或中中

41、碳碳合合金金调调质质钢钢是是轴轴类类材材料料的的主主体体：35、40、45、50(45钢钢最最常常见见)等等碳碳钢钢具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能且且价价格格低低廉廉，故故应应用用广广泛泛；对对受受力力不不大大或或不不重重要要的的轴轴，为为进进一一步步降降低低成成本本，也也可可采采用用Q235、Q255、Q275等等普普通通碳碳钢钢制制造造；对对受受力力较较大大、尺尺寸寸较较大大、形形状状复复杂杂的的重重要要轴轴，可可选选用用综综合合力力学学性性能能更更好好的的合合金金调调质质钢钢来来制制造造，如如40Cr、40MnVB等等，对对其其中中精精度度要要求求极极高高的轴要采用专用氮化

42、钢（如的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。）制造。5/19/2023 中中碳碳钢钢轴轴的的热热处处理理特特点点是是：正正火火或或调调质质保保证证轴轴的的综综合合力力学学性性能能(强强韧韧性性)，然然后后对对易易磨磨损损的的相相对对运运动动部部位位进进行行表表面面强强化化处处理理(表表面面淬淬火火、渗渗氮氮或或表表面面滚滚压、形变强化等压、形变强化等)。少少数数情情况况下下还还可可选选用用低低碳碳钢钢或或高高碳碳钢钢来来制制造造轴轴类类零零件件。如如当当轴轴受受到到强强烈烈冲冲击击载载荷荷作作用用时时，宜宜用用低低碳碳钢钢（如如20Cr、20CrMnTi）渗渗碳碳制制造造；而而当当

43、轴轴所所受受冲冲击击作作用用较较小小而而相相对对运运动动部部位位要要求求更更高高的的耐耐磨磨性性时时，则则宜宜用用高高碳碳钢钢制制造造（如如GCr15、9Mn2V等）。等）。5/19/2023 2铸铸钢钢 形形状状复复杂杂、尺尺寸寸较较大大的的轴轴，可可采采用用铸铸钢钢来来制制造造，如如ZG230-450。铸铸钢钢轴轴比比锻锻钢钢轴轴的的综综合合力力学学性能性能(主要是韧性主要是韧性)要低。要低。3铸铸铁铁 由由于于大大多多数数轴轴很很少少以以冲冲击击过过载载而而断断裂裂的的形形式式失失效效，故故近近几几十十年年来来愈愈来来愈愈多多地地采采用用球球墨墨铸铸铁铁(如如QT700-2)和和高高强强

44、度度灰灰铸铸铁铁(HT350、KTZ55006等等)来来代代替替钢钢作作为为轴轴(尤尤其其是是曲曲轴轴)的的材材料料。铸铸铁铁轴轴的的刚刚度度和和耐耐磨磨性性不不低低，且且具具有有缺缺口口敏敏感感性性低低、减减振振减减摩摩、切切削削加加工工性性好好且且生生产产成成本本低低等等优优点点，选选材材时时值得重视。值得重视。5/19/2023轴类零件选材时应注意以下几点：轴类零件选材时应注意以下几点：以刚度为主、轻载、非重要轴以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用，为降低成本，可选用碳钢碳钢(如如45钢钢)、铸铁、铸铁(如如QT700-2)、甚至普通质量碳钢、甚至普通质量碳钢(如如Q275)制

45、造；一般进行正火或调质处理，若需提高制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。以耐磨性为主的轴以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢，可选碳含量较高的钢(如如65Mn、9Mn2V)或低碳钢或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。渗氮制造。主要受弯扭载荷的轴主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可；而对受拉即可；而对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸压载荷的轴，特

46、别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如如40CrNiMo。主要受明显、强烈冲击的轴主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。，宜用低碳钢渗碳制造。5/19/2023机床主轴：机床主轴：机机床床主主轴轴承承受受弯弯-扭扭复复合合交交变变载载荷荷、转转速速中中等等并并承承受受一一定定的的冲冲击击载载荷荷，一一般般选选用用45钢钢或或40Cr钢钢制制造造(40Cr用用于于载载荷荷较较大大、尺尺寸寸较较大大的的轴轴)；对对于于承承受受重重载载、要要求求高高精精度度、高高尺尺寸寸稳稳定定性性及及高高耐耐磨磨性性的的主主轴轴(如如镗镗床

47、床主主轴轴)，则则须须用用38CrMoAlA钢钢经经渗渗氮处理制造。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低温回火表面淬火低温回火精磨精磨成品成品5/19/2023轴类零件典型材料轴类零件典型材料5/19/2023四、刀具选材四、刀具选材（机械切削刀具机械切削刀具）1车刀车刀 车刀是最常用的切削刀具，目前用于车刀是最常用的切削刀具，目前用于制造刀具的主要材料是高速钢和硬质合金两大制造刀具的主要材料是高速钢和硬质合金两大类，其中高速钢应用最多、最广。类，其中高速钢应用最多、

48、最广。5/19/2023 2丝丝锥锥与与板板牙牙 丝丝锥锥和和板板牙牙均均需需要要高高的的硬硬度度(5964HRC)和和耐耐磨磨性性，还还须须足足够够的的强强度度和和韧韧性性。丝丝锥锥和和板板牙牙分分手手用用和和机机用用两两种种，对对手手用用者者，因因切切削削速速度度较较低低，故故热热硬硬性性要要求求不不高高，一一般般可可用用高高级级优优质质碳碳素素工工具具钢钢T10A、T12A制制造造(硬硬度度5962HRC)，对对尺尺寸寸稍稍大大、切切削削速速度度稍稍高高的的较较重重要要丝丝 锥锥(板板 牙牙)，则则 宜宜 用用 低低 合合 金金 工工 具具 钢钢 9SiCr、CrWMn制制造造(硬硬度度

49、6063HRC)。对对机机用用者者，因因切切削削速速度度较较高高(2555m/min)，有有热热硬硬性性要要求求，故应选用高速钢故应选用高速钢(如如W6Mo5Cr4V2)制造。制造。5/19/2023 日用刀具日用刀具与机械切削刀具的工作条件和与机械切削刀具的工作条件和性能要求有较明显的差别；如因形状薄、窄、性能要求有较明显的差别；如因形状薄、窄、小，而要求较高的韧性以防止折断；因切断小，而要求较高的韧性以防止折断；因切断对象较软、磨损不严重，故无需过高的硬度对象较软、磨损不严重，故无需过高的硬度和耐磨性；因清洁标准或工作条件下的腐蚀，和耐磨性；因清洁标准或工作条件下的腐蚀，而要求较好的耐蚀性

50、等。而要求较好的耐蚀性等。5/19/20235/19/2023五、冷作模具选材五、冷作模具选材 一般对一般对重载重载模具，应选用高强度材料，如高铬模具，应选用高强度材料，如高铬或中铬钢、高速钢、基体钢；对承受或中铬钢、高速钢、基体钢；对承受强烈摩擦与磨强烈摩擦与磨损损的模具，应选高硬度、高耐磨性材料，如高碳钢、的模具，应选高硬度、高耐磨性材料，如高碳钢、高铬钢、高速钢乃至硬质合金；对承受高铬钢、高速钢乃至硬质合金；对承受较大冲击较大冲击的的模具，应选用高韧性材料，如选用中碳合金钢模具，应选用高韧性材料，如选用中碳合金钢（5CrW2Si）、基体钢等；对）、基体钢等；对形状复杂、尺寸精形状复杂、尺