工程材料第十一章 零件選材

1、 在設計零件并進行選材時，應根據(jù)零件工作條件，找出零件材料在設計零件并進行選材時，應根據(jù)零件工作條件，找出零件材料所應具備的主要力學性能指標，這是保證零件經(jīng)久耐用的先決條件。所應具備的主要力學性能指標，這是保證零件經(jīng)久耐用的先決條件。一一 選用材料選用材料 的一般原則的一般原則1、材料的、材料的使用性能使用性能：使用性能指零件在工作時應具備的力學性能、使用性能指零件在工作時應具備的力學性能、 物理性能和化學性能。物理性能和化學性能。 第十一章第十一章 材料的選用材料的選用(1) 零件受力情況零件受力情況 ： 載荷形式：拉、壓、彎曲、扭轉等。載荷形式：拉、壓、彎曲、扭轉等。 載荷性質：動、靜、交

2、變、摩擦等。載荷性質：動、靜、交變、摩擦等。 (2) 環(huán)境狀況：環(huán)境狀況： 工作溫度、工作介質（潤滑、劑腐蝕等）工作溫度、工作介質（潤滑、劑腐蝕等） (3) 特殊要求：特殊要求： 導電性、導熱性、導磁性等。導電性、導熱性、導磁性等。三要素：使用性能三要素：使用性能 工藝性能工藝性能 經(jīng)濟性能經(jīng)濟性能工作條件工作條件 找出零件材料所應具備的主要機械性能指標后，再結合零件的找出零件材料所應具備的主要機械性能指標后，再結合零件的 形狀、尺寸、承受的載荷，計算零件中的應力，量化成具體數(shù)形狀、尺寸、承受的載荷，計算零件中的應力，量化成具體數(shù) 值值 查手冊確定材料。查手冊確定材料。 例如：例如： 內燃機上

3、的連桿螺栓，整個截面上承受均勻的拉應力，內燃機上的連桿螺栓，整個截面上承受均勻的拉應力， 而且是周期性變動的。主要失效形式是：而且是周期性變動的。主要失效形式是： 塑性變形失效和疲勞斷裂失效。塑性變形失效和疲勞斷裂失效。 對材料性能要求對材料性能要求：b、s、-1 由于整個截面上受力均勻，淬透性要好。由于整個截面上受力均勻，淬透性要好。 材料的強度對金屬的組織很敏感，材料的成分確定后，其性能材料的強度對金屬的組織很敏感，材料的成分確定后，其性能還決定于組織，還必須明確材料的組織，即確定熱處理工藝。還決定于組織，還必須明確材料的組織，即確定熱處理工藝。 材料的工藝性能：材料的工藝性能： 從滿足使

4、用性能要求的材料中按工藝性能進一步選取。從滿足使用性能要求的材料中按工藝性能進一步選取。 鑄件：共晶合金、近共晶合金。鑄件：共晶合金、近共晶合金。 鍛件：固溶體合金。鍛件：固溶體合金。 焊接件：不能選鑄鐵。焊接件：不能選鑄鐵。 最適宜的材料是：低碳鋼、低合金鋼。最適宜的材料是：低碳鋼、低合金鋼。 銅合金、鋁合金焊接性能不好。銅合金、鋁合金焊接性能不好。 切削加工性的好壞對產(chǎn)品質量、生產(chǎn)率、成本有重要意義。切削加工性的好壞對產(chǎn)品質量、生產(chǎn)率、成本有重要意義。 為于切削加工，鋼鐵材料的硬度應在為于切削加工，鋼鐵材料的硬度應在140250HBS。 材料的化學成分確定后，可以通過熱處理改善組織和機械性

5、能，材料的化學成分確定后，可以通過熱處理改善組織和機械性能， 達到改善切削加工性能的目的。達到改善切削加工性能的目的。 3 經(jīng)濟性：經(jīng)濟性： 在滿足零件性能要求的前提下，選材應使總成本盡可能低在滿足零件性能要求的前提下，選材應使總成本盡可能低 （包括材料和加工費）。（包括材料和加工費）。（1）選材應考慮我國資源，盡可能選那些以）選材應考慮我國資源，盡可能選那些以Mn、Si、Mo、稀土等、稀土等 元素完全或部分代替元素完全或部分代替Ni、Cr等稀缺元素的合金。等稀缺元素的合金。（2）應考慮國內生產(chǎn)和供應情況，品種不易過多。）應考慮國內生產(chǎn)和供應情況，品種不易過多。（3）考慮選用節(jié)省材料和加工成本

6、的工藝方法，如精鑄和精鍛等。）考慮選用節(jié)省材料和加工成本的工藝方法，如精鑄和精鍛等。 按以上思路選得材料是否合理應通過實踐檢驗，如進行臺架試驗按以上思路選得材料是否合理應通過實踐檢驗，如進行臺架試驗，裝機試驗等，找出零件失效形式并分析原因，為選材提供依據(jù)。裝機試驗等，找出零件失效形式并分析原因，為選材提供依據(jù)。零件失效：零件失效：零件完全破壞或嚴重損傷，或不能繼續(xù)安全工作或不零件完全破壞或嚴重損傷，或不能繼續(xù)安全工作或不 再能滿足預定的作用。再能滿足預定的作用。 失效形式：失效形式：1 變形失效：變形失效： 彈性變形失效：過量彈性變形，如鏜刀桿，加工中產(chǎn)生過量彈彈性變形失效：過量彈性變形，如鏜

7、刀桿，加工中產(chǎn)生過量彈 性變形，會使加工零件的尺寸精度達不到要求。性變形，會使加工零件的尺寸精度達不到要求。 塑性變形失效：產(chǎn)生過量塑性變形。壓力容器的緊固螺栓，如塑性變形失效：產(chǎn)生過量塑性變形。壓力容器的緊固螺栓，如 果擰得過緊或因過載，會使螺桿塑性伸長，致使果擰得過緊或因過載，會使螺桿塑性伸長，致使 配合松動、介質泄露、導致事故。配合松動、介質泄露、導致事故。2 斷裂失效：斷裂失效： 塑性斷裂失效：斷裂前有明顯的塑性變形，塑性斷裂失效：斷裂前有明顯的塑性變形，b低而低而、k 好好 的金屬表現(xiàn)為塑性斷裂失效。如試棒拉伸時縮的金屬表現(xiàn)為塑性斷裂失效。如試棒拉伸時縮 頸發(fā)生后斷裂。頸發(fā)生后斷裂。

8、 低應力脆斷失效：斷裂前，基本上不產(chǎn)生塑性變形，一般突然斷低應力脆斷失效：斷裂前，基本上不產(chǎn)生塑性變形，一般突然斷 裂，危害很大。如美國的自由輪、勝利輪。裂，危害很大。如美國的自由輪、勝利輪。 疲勞斷裂失效：在交變應力作用下發(fā)生的斷裂，是機器零件常見疲勞斷裂失效：在交變應力作用下發(fā)生的斷裂，是機器零件常見 的失效形式。斷口有明顯的特征，分三個區(qū)：發(fā)的失效形式。斷口有明顯的特征，分三個區(qū)：發(fā) 源區(qū)、擴展區(qū)、終斷區(qū)。源區(qū)、擴展區(qū)、終斷區(qū)。 蠕變失效：在高溫緊固件中經(jīng)常發(fā)生。即隨時間的延長，變形不斷蠕變失效：在高溫緊固件中經(jīng)常發(fā)生。即隨時間的延長，變形不斷 增加，最后由于變形過大或斷裂而導致失效。增

9、加，最后由于變形過大或斷裂而導致失效。3 表面損傷失效：表面損傷失效： 磨損失效：機件在接觸狀態(tài)下相互運動，會產(chǎn)生摩擦，引起磨損，磨損失效：機件在接觸狀態(tài)下相互運動，會產(chǎn)生摩擦，引起磨損， 導致零件尺寸變小而失效。如汽缸套和活塞環(huán)之間導致零件尺寸變小而失效。如汽缸套和活塞環(huán)之間， 因磨損失效使馬力不足，油耗增加，噪音因磨損失效使馬力不足，油耗增加，噪音、震動增強。震動增強。 表面疲勞失效：表面疲勞失效： 相互接觸的兩個運動表面（特別是滾動接觸）在相互接觸的兩個運動表面（特別是滾動接觸）在 工作過程中承受交變接觸應力（齒輪）的作用，工作過程中承受交變接觸應力（齒輪）的作用， 使表層材料發(fā)生疲勞破

10、壞而脫落，造成失效。使表層材料發(fā)生疲勞破壞而脫落，造成失效。腐蝕失效：由于化學或電化學腐蝕的作用。腐蝕失效：由于化學或電化學腐蝕的作用。 根據(jù)零件工作條件、失效形式，提出對材料主要使用性能的根據(jù)零件工作條件、失效形式，提出對材料主要使用性能的 要求，要求，選出相應材料。選出相應材料。例如：例如： 內燃機上的連桿螺栓，整個截面上承受均勻的拉應力，而且是周內燃機上的連桿螺栓，整個截面上承受均勻的拉應力，而且是周 期性變期性變 動的。主要失效形式是：塑性變形失效和疲勞斷裂失效。要動的。主要失效形式是：塑性變形失效和疲勞斷裂失效。要 求材料有高求材料有高b、s、-1。由于整個截面上受力均勻，淬透性要好

11、。由于整個截面上受力均勻，淬透性要好。 軸和齒輪工作條件、失效形式，主要機械性能指標的要求軸和齒輪工作條件、失效形式，主要機械性能指標的要求P205。二二 典型零件的選材與熱處理典型零件的選材與熱處理齒輪：齒輪：機床齒輪可選機床齒輪可選45鋼，載荷大可選鋼，載荷大可選40Cr。正火或調質。正火或調質。齒輪表面齒輪表面HB要求高：高頻淬火低溫回火要求高：高頻淬火低溫回火汽車變速箱齒輪可選汽車變速箱齒輪可選20CrMnTi。滲碳、淬火、低溫回火。滲碳、淬火、低溫回火。低速、低沖擊、低應力可用低速、低沖擊、低應力可用HT250。去應力退火。去應力退火。軸：軸：機床主軸大多用機床主軸大多用45鋼，載荷

12、較大用鋼，載荷較大用40Cr，調質處理。調質處理。內燃機曲軸可用內燃機曲軸可用40Cr或或QT600-2，調質處理。，調質處理。箱體：箱體：可選用可選用HT150、HT200，去應力退火。，去應力退火。工程材料工程材料復習要點復習要點一一 材料的力學性能（材料的力學性能（第一章第一章）二二 金屬學基礎知識（金屬學基礎知識（第二、三、四、五章）第二、三、四、五章）三三 鋼的熱處理（鋼的熱處理（第六章）第六章）四四 常用金屬材料介紹（常用金屬材料介紹（第七、八、九章第七、八、九章）第一章第一章 材料的力學性能材料的力學性能了解金屬材料力學性能的概念，掌握常用力學性能的指標：強度指標： 彈性極限e

13、屈服極限s 0.2 強度極限b塑性指標： 伸長率、斷面收縮率硬度指標：布氏硬度HB、洛氏硬度HRC沖擊韌性：ak第二章第二章 金屬的晶體結構金屬的晶體結構常見金屬晶格： 體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的確定：實際金屬結構的晶格缺陷： 點缺陷、線缺陷和面缺陷。合金的結構： 固溶體、金屬化合物、機械混合物。F、AFe3Cp第三章第三章 金屬的結晶和二元合金相圖金屬的結晶和二元合金相圖金屬的結晶過程： 生核、長大。結晶溫度： 平衡結晶溫度、實際結晶溫度、過冷度、冷卻速度。結晶對金屬組織和性能的影響：計算合金組織的杠桿定律。第四章第四章 金屬的塑性變形與再結晶金屬的塑性變

14、形與再結晶塑性變形的變形方式： 滑移和孿生。塑性變形對金屬組織和性能的影響：再結晶退火和再結晶溫度： T再=0.4T熔（K）第五章第五章 鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖純鐵的同素異晶轉變：熟練掌握鐵碳合金相圖：用組織組成物填充相圖中鋼部分的各區(qū)域；能夠準確地默畫出鐵碳合金相圖；了解碳對鋼組織和性能的影響；分析鋼結晶時的組織轉變情況；第六章第六章 鋼的熱處理鋼的熱處理普通熱處理工藝及應用：共析鋼C曲線的應用 。所得組織的性能。727650600550350230AA1PSTB上B下M +A殘12341-退火，組織：P2-正火，組織：S3-等溫淬火，組織：B下4-淬火，組織：M+A殘回火： 低溫回火中溫回火 高溫回火減小內應力，保持較高的硬度。彈性極限較高。綜合性能好。鋼鋼碳素鋼合金鋼普通碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素工具鋼高級優(yōu)質工具鋼結構鋼工具鋼特殊性能鋼低合金結構鋼合金滲碳鋼合金調質鋼合金彈簧鋼滾動軸承鋼合金工具鋼合金模具鋼 合金量具鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼Q235 小軸 螺栓45 齒輪 車床主軸T8 （木工工具） T12（絲錐鋼銼） T12A (鋼銼絲錐)16Mn（壓力容器）20CrMnTi（汽車變速器齒輪）40Cr（機床主軸）60Si2Mn（大型彈簧）GCr15W18Cr4V（鉆頭）1Cr18Ni9Ti（醫(yī)療器械）1Cr13ZGMn13（球磨機襯板）正確選擇熱處理方法正確選