第13章 材料選用

1、工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)討討 論論 q 材料的性能由什么決定？強(qiáng)化材料材料的性能由什么決定？強(qiáng)化材料的方法有哪些？的方法有哪些？q一般的車床主軸可用什么材料？一般的車床主軸可用什么材料？ 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料第第1313章章 材料的選用材料的選用 概述概述13.113.1機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材13.213.2 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 眾所周知，機(jī)器零件的正確選材與合眾所周知，機(jī)器零件的正確選材與合理用材是廣大工程技術(shù)人員的基本任務(wù)之理用材是廣大工程技術(shù)人員的基本任務(wù)之一，也是本課程教學(xué)的主要目的因此本一，也是本課程教學(xué)的主要目的因此本章被列為

2、本課程的重點(diǎn)，本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)有：章被列為本課程的重點(diǎn)，本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)有：v 掌握材料合理選用的基本原則和方法；掌握材料合理選用的基本原則和方法；v 明確機(jī)械零件失效的基本形式，了解有關(guān)失效分析的明確機(jī)械零件失效的基本形式，了解有關(guān)失效分析的一般步驟與方法；一般步驟與方法；v 熟悉齒輪和軸這兩類典型零件的選材分析（包括工作熟悉齒輪和軸這兩類典型零件的選材分析（包括工作條件，常見失效形式，其性能要求等），初步做到能正條件，常見失效形式，其性能要求等），初步做到能正確、合理地選用材料，安排其大致加工工藝路線，制定確、合理地選用材料，安排其大致加工工藝路線，制定其相應(yīng)的熱處理工藝，判斷其所得組織等其相應(yīng)的

3、熱處理工藝，判斷其所得組織等 。13.1 概述概述 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料一、選材的一般原則一、選材的一般原則 1、 使用性原則使用性原則 滿足機(jī)械性能和物理、化學(xué)性能的要求滿足機(jī)械性能和物理、化學(xué)性能的要求 2、 工藝性原則工藝性原則 適應(yīng)各種冷、熱加工要求的能力適應(yīng)各種冷、熱加工要求的能力 3 3、 經(jīng)濟(jì)性原則經(jīng)濟(jì)性原則 保證使用性能要求及加工質(zhì)量的前提下，保證使用性能要求及加工質(zhì)量的前提下， a、 材料價(jià)格材料價(jià)格 b、 材料加工費(fèi)用材料加工費(fèi)用 c、 使用壽命、維修等附加費(fèi)用使用壽命、維修等附加費(fèi)用 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料

4、二、材料的使用性能二、材料的使用性能 1 1、根據(jù)零件的服役條件和可能的失根據(jù)零件的服役條件和可能的失效或形式，給出選材的主要性能，效或形式，給出選材的主要性能，（機(jī)械性能物理性能）指標(biāo)，以保證（機(jī)械性能物理性能）指標(biāo)，以保證零件的使用性能。零件的使用性能。 常用零件的服役條件、失效形式常用零件的服役條件、失效形式及主要性能指標(biāo)（自學(xué)）。及主要性能指標(biāo)（自學(xué)）。13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料三、三、材料的工藝性能材料的工藝性能 材料工藝性能即加工成零件的難易程度。材料工藝性能即加工成零件的難易程度。 金屬材料加工方法有鑄造，壓力加工，焊接，切削加工及

5、熱處理。金屬材料加工方法有鑄造，壓力加工，焊接，切削加工及熱處理。從工藝性考慮：從工藝性考慮： 鑄件鑄件最好選擇共晶合金。最好選擇共晶合金。 鍛件，沖壓件鍛件，沖壓件最好選擇固溶體合金，低碳銅和低合金鋼鍛造性能好，最好選擇固溶體合金，低碳銅和低合金鋼鍛造性能好，高碳鋼較差，高合金鋼很差。高碳鋼較差，高合金鋼很差。 焊接結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)選擇低碳鋼或低合金鋼，不應(yīng)選鑄鐵，銅合金及鋁合金的選擇低碳鋼或低合金鋼，不應(yīng)選鑄鐵，銅合金及鋁合金的焊接性能均不好。焊接性能均不好。 切削加工切削加工是材料被切削的難易程度。希望鋼鐵材料的硬度控制在是材料被切削的難易程度。希望鋼鐵材料的硬度控制/p>

6、0HBSHBS。 熱處理工藝性熱處理工藝性碳鋼的淬透性差；加熱易過熱而晶粒長大，淬火是容碳鋼的淬透性差；加熱易過熱而晶粒長大，淬火是容易變形與開裂，制造高強(qiáng)度及大截面、形狀復(fù)雜的零件，需選用合金鋼。易變形與開裂，制造高強(qiáng)度及大截面、形狀復(fù)雜的零件，需選用合金鋼。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 1 1、機(jī)床類齒輪由于工作條件較好、機(jī)床類齒輪由于工作條件較好（無強(qiáng)烈沖擊，工作平穩(wěn)），大多可選調(diào)（無強(qiáng)烈沖擊，工作平穩(wěn)），大多可選調(diào)質(zhì)鋼（、等）制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)質(zhì)鋼（、等）制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)（或正火）處理十高頻淬火、低溫回火，（或正火）處理十高頻淬火、低溫回火，這是一

7、般規(guī)律特例：當(dāng)高速且承受沖擊這是一般規(guī)律特例：當(dāng)高速且承受沖擊載荷較大時(shí)（如立式車床上的重要齒輪）載荷較大時(shí)（如立式車床上的重要齒輪）宜選宜選2020CrMnTiCrMnTi（2020r r）等滲碳鋼制造，等滲碳鋼制造，經(jīng)滲碳十淬火十低溫回火處理。經(jīng)滲碳十淬火十低溫回火處理。 四、典型零件的選材及熱處理四、典型零件的選材及熱處理 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 2 2、對于汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪，由于、對于汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪，由于承載較重，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、承載較重，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌度等，均要求比機(jī)

8、床齒輪心部強(qiáng)度以及沖擊韌度等，均要求比機(jī)床齒輪高，故一般均采用滲碳鋼制造，經(jīng)滲碳高，故一般均采用滲碳鋼制造，經(jīng)滲碳+ +淬火淬火+ +低溫回火處理，表層碳含量大大提高，保證淬低溫回火處理，表層碳含量大大提高，保證淬火后高硬度、高耐磨性和高的接觸疲勞抗力，火后高硬度、高耐磨性和高的接觸疲勞抗力，由于合金元素提高淬透性，所以經(jīng)淬、回火后由于合金元素提高淬透性，所以經(jīng)淬、回火后可使工件心部獲得較高的強(qiáng)度和足夠的沖擊韌可使工件心部獲得較高的強(qiáng)度和足夠的沖擊韌度。但其中對于如汽車、拖拉機(jī)的油泵齒輪等度。但其中對于如汽車、拖拉機(jī)的油泵齒輪等承載輕、受沖擊小的場合，亦可選調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)承載輕、受沖擊小的場合，亦

9、可選調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理使用（這是特例）。質(zhì)處理使用（這是特例）。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 3 3、根據(jù)軸類零件（機(jī)床主軸、曲軸等）、根據(jù)軸類零件（機(jī)床主軸、曲軸等）的工作條件、用材及熱處理情況，同時(shí)兼的工作條件、用材及熱處理情況，同時(shí)兼顧軸類零件的強(qiáng)度和韌性，考慮其疲勞抗顧軸類零件的強(qiáng)度和韌性，考慮其疲勞抗力，一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造，采用力，一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造，采用 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)+ +局局部 表 面 淬 火 、 低 溫 回 火 處 理 。部 表 面 淬 火 、 低 溫 回 火 處 理 。 特例：特例：當(dāng)承受重載，高速、且承受當(dāng)承受重載，高速、且承受沖

10、擊 載 荷 較 大 時(shí) 可 選 用 滲 碳 鋼 （ 如沖 擊 載 荷 較 大 時(shí) 可 選 用 滲 碳 鋼 （ 如20CrMnTi等）經(jīng)滲碳等）經(jīng)滲碳+淬火淬火+低溫回火低溫回火處理；處理； 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 近年來在國內(nèi)、外使用球墨鑄鐵代鋼作近年來在國內(nèi)、外使用球墨鑄鐵代鋼作汽車、拖拉機(jī)與農(nóng)用柴油機(jī)曲軸的愈來愈多，汽車、拖拉機(jī)與農(nóng)用柴油機(jī)曲軸的愈來愈多，第二代解放牌汽車第二代解放牌汽車130130汽車、東風(fēng)及東風(fēng)型汽車、東風(fēng)及東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車的曲軸均使用球墨鑄鐵（或合金球墨內(nèi)燃機(jī)車的曲軸均使用球墨鑄鐵（或合金球墨鑄鐵）制造，雖然球墨鑄鐵的

11、塑、韌性遠(yuǎn)低于鑄鐵）制造，雖然球墨鑄鐵的塑、韌性遠(yuǎn)低于鍛鋼，但在一般發(fā)動(dòng)機(jī)中當(dāng)對塑韌性要求并不鍛鋼，但在一般發(fā)動(dòng)機(jī)中當(dāng)對塑韌性要求并不太高，而且球墨鑄鐵的缺口敏感性小，實(shí)際球太高，而且球墨鑄鐵的缺口敏感性小，實(shí)際球墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度并不明顯低于鍛鋼，而且可墨鑄鐵的疲勞強(qiáng)度并不明顯低于鍛鋼，而且可通過表面強(qiáng)化（如滾壓、噴丸等）處理大大提通過表面強(qiáng)化（如滾壓、噴丸等）處理大大提高其疲勞強(qiáng)度，其效果優(yōu)于鍛鋼，因而在性能高其疲勞強(qiáng)度，其效果優(yōu)于鍛鋼，因而在性能上完全可代替調(diào)質(zhì)碳鋼。上完全可代替調(diào)質(zhì)碳鋼。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料【例題【例題11-111-

12、1】 1 1、C618C618機(jī)床變速箱齒輪（該齒輪尺寸機(jī)床變速箱齒輪（該齒輪尺寸不大，其厚度為不大，其厚度為1515mmmm）工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高，工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高，性能要求如下：齒的表面硬度性能要求如下：齒的表面硬度50505656HRCHRC，齒 心 部 硬 度齒 心 部 硬 度 2 22 2 2 5 2 5 H R CH R C ， 整 體 強(qiáng) 度整 體 強(qiáng) 度b b=760=760800MPa800MPa，整體韌性整體韌性K K=40=4060J/cm60J/cm2 2 。請從下列材料中進(jìn)行合理選用，請從下列材料中進(jìn)行合理選用，并制訂其工藝流程：并制訂其工藝流程：3535、4545、T12T

13、12、20CrMnTi20CrMnTi、38CrMoAl38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti0Cr18Ni9Ti、W18Cr4VW18Cr4V。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料1.1.分析分析 普通車床中的變速箱齒輪，是主傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞動(dòng)力的普通車床中的變速箱齒輪，是主傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞動(dòng)力的齒輪。因此，要求有一定的強(qiáng)度和輪齒的心部硬度及韌性。齒輪。因此，要求有一定的強(qiáng)度和輪齒的心部硬度及韌性。這種齒輪在工作中轉(zhuǎn)速較高，齒表面要求有較高的硬度以保這種齒輪在工作中轉(zhuǎn)速較高，齒表面要求有較高的硬度以保證耐磨性。但同汽車、拖拉機(jī)變速齒輪相比，一般機(jī)床齒輪證耐

14、磨性。但同汽車、拖拉機(jī)變速齒輪相比，一般機(jī)床齒輪工作時(shí)相對比較平穩(wěn)，承受沖擊負(fù)荷很小，傳遞的動(dòng)力也不工作時(shí)相對比較平穩(wěn)，承受沖擊負(fù)荷很小，傳遞的動(dòng)力也不很大。所以上述要求都不是太高，例如齒表面硬度只要求很大。所以上述要求都不是太高，例如齒表面硬度只要求。顯然，不需要采用化學(xué)熱處理（如滲碳）。顯然，不需要采用化學(xué)熱處理（如滲碳）。整體的強(qiáng)度、韌性由調(diào)質(zhì)可以達(dá)到。因此，選用淬透性適當(dāng)整體的強(qiáng)度、韌性由調(diào)質(zhì)可以達(dá)到。因此，選用淬透性適當(dāng)?shù)恼{(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，再經(jīng)高頻表面淬火和低溫回火即可的調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，再經(jīng)高頻表面淬火和低溫回火即可達(dá)到要求。這種齒輪的尺寸不大，尤其是厚度甚?。ㄟ_(dá)到要求。這種齒

15、輪的尺寸不大，尤其是厚度甚?。?515），可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，水淬即可使截面大部分淬透，），可選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，水淬即可使截面大部分淬透，回火后基本上能滿足性能要求。因此，從所給鋼種中選擇回火后基本上能滿足性能要求。因此，從所給鋼種中選擇鋼制造合適。鋼制造合適。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料2.2.解答解答 選用選用4545鋼制造，較為合適。鋼制造，較為合適。 其加工工藝路線為：下料其加工工藝路線為：下料鍛造鍛造正火（正火（840840860860空冷）空冷）機(jī)加機(jī)加工工調(diào)質(zhì)（調(diào)質(zhì)（840840860860水淬，水淬，500500550550回

16、火）回火）精加工精加工高頻高頻表面淬火（表面淬火（880880900900水冷）水冷）低低溫回火（溫回火（200200回火）回火）精磨。精磨。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料3.3.常見錯(cuò)誤剖析常見錯(cuò)誤剖析 選用選用2020I I或或l l鋼制造。錯(cuò)在此種選材法不符鋼制造。錯(cuò)在此種選材法不符合經(jīng)濟(jì)性原則，即大材小用。合經(jīng)濟(jì)性原則，即大材小用。4.4.更正措施更正措施 遵循選材的三項(xiàng)基本原則，應(yīng)選遵循選材的三項(xiàng)基本原則，應(yīng)選用用4545鋼較為合適。鋼較為合適。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 有一載重汽車變速

17、箱齒輪，使用中受一定有一載重汽車變速箱齒輪，使用中受一定沖擊，負(fù)載較重，齒表面要求耐磨，硬度為沖擊，負(fù)載較重，齒表面要求耐磨，硬度為58586363HRCHRC，齒心部硬度齒心部硬度33334545HRCHRC，其余力學(xué)其余力學(xué)性能要求為性能要求為: :b b 1000Mpa ,1000Mpa ,-1-1440Mpa , a 440Mpa , a K K 95J/cm 95J/cm2 2 。試從試從“例題例題71”71”所給材料中所給材料中選擇制造該齒輪的合適鋼種，制訂工藝流程，選擇制造該齒輪的合適鋼種，制訂工藝流程，分析每步熱處理的目的及其組織。分析每步熱處理的目的及其組織。 【例題11-2

18、】 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料1.1.分析分析 由題意可知，此載重汽車變速箱齒輪在工作時(shí)負(fù)荷較由題意可知，此載重汽車變速箱齒輪在工作時(shí)負(fù)荷較重，每個(gè)齒受交變彎矩的作用，因此要有高的強(qiáng)度和高的重，每個(gè)齒受交變彎矩的作用，因此要有高的強(qiáng)度和高的疲勞強(qiáng)度。齒輪還受到較大的沖擊，故要求有高的沖擊韌疲勞強(qiáng)度。齒輪還受到較大的沖擊，故要求有高的沖擊韌度。齒表面為防止磨損，要求具有高硬度和高耐磨性（度。齒表面為防止磨損，要求具有高硬度和高耐磨性（HRCHRC）。）。每個(gè)齒除受較大的彎矩外，齒表面還承受每個(gè)齒除受較大的彎矩外，齒表面還承受較大的壓力。因此不僅要求

19、齒表面硬度高，耐磨，還要求較大的壓力。因此不僅要求齒表面硬度高，耐磨，還要求齒的心部具有一定的強(qiáng)度和硬度（齒的心部具有一定的強(qiáng)度和硬度（5 5HRCHRC）。）。根據(jù)根據(jù)以上分析，可知該汽車齒輪的工作條件比機(jī)床齒輪要求苛以上分析，可知該汽車齒輪的工作條件比機(jī)床齒輪要求苛刻，因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌度等方刻，因此在耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌度等方面的要求均比機(jī)床齒輪要高。從例題面的要求均比機(jī)床齒輪要高。從例題7-7-所列鋼種中，調(diào)所列鋼種中，調(diào)質(zhì)鋼鋼不能滿足使用要求（表面硬度只能達(dá)質(zhì)鋼鋼不能滿足使用要求（表面硬度只能達(dá)50505656HRCHRC）。 13.2 機(jī)械零件的

20、選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料 l l為氮化鋼，氮化層較薄，為氮化鋼，氮化層較薄，適合應(yīng)用于轉(zhuǎn)速快，壓力小，不受沖擊的使用條適合應(yīng)用于轉(zhuǎn)速快，壓力小，不受沖擊的使用條件，故其不適合做此汽車齒輪。件，故其不適合做此汽車齒輪。 滲碳鋼經(jīng)滲碳熱處理后，滲碳鋼經(jīng)滲碳熱處理后，齒表面可獲得高硬度（齒表面可獲得高硬度（ HRCHRC）、）、高耐高耐磨性。由于該鋼淬透性好，齒心部可獲得強(qiáng)韌結(jié)磨性。由于該鋼淬透性好，齒心部可獲得強(qiáng)韌結(jié)合的組織，具有較高的沖擊韌度，故可滿足使用合的組織，具有較高的沖擊韌度，故可滿足使用要求。因此該載重汽車變速箱齒輪選用要求。因此該載重汽車變速箱齒輪選用 鋼制造。鋼制造。 13.2 機(jī)械零件的選材機(jī)械零件的選材 機(jī)機(jī) 械械 工工 程程 材材 料料2.2.解答解答 制造該齒輪的適宜鋼種為制造該齒輪的適宜鋼種為2020CrMnTi CrMnTi ，其加工工其加工工藝路線為：藝路線為：下料下料鍛造鍛造正火（正火（950950970970空空冷）冷）機(jī)加工機(jī)加工滲碳（滲碳（920920950950滲碳滲碳6 68 8小時(shí)）小時(shí)）預(yù)冷淬火（預(yù)冷至預(yù)冷淬火（預(yù)冷至油冷）油冷）低溫回火低溫回火噴丸噴丸磨齒。磨齒。 其中每一步熱處理的目的及相應(yīng)組織為：其中每一步熱處理的目的及相應(yīng)組織為： 正