第11章典型零件的選材實例

第11章

典型零件的選材實例選材的動機

首次開發(fā)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品、新零件或新裝置；現(xiàn)有產(chǎn)品的改進和更新?lián)Q代；零件過早失效甚至災難性事故發(fā)生后，需改變用材。選材的原則4條原則。（使用性、工藝性、經(jīng)濟性、環(huán)境與資源）11.1材料選用方法11.2齒輪類零件選材及工藝分析11.3軸類零件選材及工藝分析11.4其它零件選材及工藝分析11.1材料選用方法一選材的一般程序1．對具體零件的工作條件和失效形式進行分析，對同類零件現(xiàn)有狀況(材料、壽命、失效形式以及供應情況)進行調研，結合力學計算或試驗確定零件應具有的力學性能指標和理化性能指標。

2．對若干備選材料的性能指標和制造工藝進行綜合分析和篩選，初步選定材料的牌號、規(guī)格及制造工藝。

3．進行實驗室試驗以檢驗選用材料是否達到各項性能要求，并進行小批試生產(chǎn)以檢驗材料制造過程中工藝性是否滿足要求。小批試驗產(chǎn)品質量合格后，選材方案即可確定下來。二選材的定量方法簡介(一)．固定效果選材法──單位性質成本法

在選擇材料最簡單的情況下，一種材料性能被突出地作為最關鍵的工作要求。在這種情況下，可以估算不同的材料達到這種要求（固定效果）所需的成本。[實例]:單軸拉伸的實心圓柱零件選材分析等強度判據(jù)分析等剛度判據(jù)分析截面尺寸D

相對成本RC

，

了解已知：備選材料：

(1)、Q235（σS1=235MN∕m2，相對成本p1=1）

(2)、低合金結構鋼16Mn（σS2=350MN∕m2，相對成本p2=1.25），E1≈E2≈200000MN∕m2。在等剛度判據(jù)下，根據(jù)

RCE=P2/P1，應選擇成本較低的Q235。這是因為構件的剛度主要取決與它的承載面積及材料的彈性模量，盲目選擇高強度的低合金鋼只會使成本增加。若用等強度判據(jù)，由于16Mn的屈服強度高于Q235，則構件的承載面積可減少，從而節(jié)約鋼材用量，但是否經(jīng)濟，要取決于計算結果，應選擇16Mn。了解(二)．加權性質法

加權性質法可用于評價各種材料和各種性能的復雜組合。材料性能的數(shù)值乘加權因子(a)得到加權后的性質值，然后把每種材料單個的加權性質值相加，得出對比材料的性能指數(shù)(g)，g值最高的材料被認為是最好的材料。[例]：下列表格列出了可用作飛機機翼的幾種材料。材料[σS∕ρ]MPa/(t﹒m-3)

[KIC2∕σS2]mm[E1∕3∕ρ]GPa1∕3/(t﹒m-3)

相對成本q鋁合金I13016.51.501.18鋁合金II2042.11.501.40鈦合金1964.61.068.00不銹鋼11512.30.751.001、幾種飛機機翼材料的性能了解2、幾種機翼備選材料性能的定標值及性能指數(shù)材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4相對成本g

a1,2,3,4=1A1,2,3=10，a4=1鋁合金I64100100853492725鋁合金II10013100822952217鈦合金96277101941940不銹鋼567550872681897注：b4=(1―qi/qmax）×100了解情況（1）：如認為各性能都是同等重要的，a1，2，3，4=1，則選擇傾向于鋁合金I，鋁合金II次之，鈦合金排在最后。

分析：

材料的實際應用狀況也正是這樣，目前鋁合金一直占據(jù)著制造民用飛機機翼的最主要材料的地位。情況（2）：事實上即使是民用客機，其安全性也是極其重要的，并直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的商業(yè)利益，因此應適當降低成本的加權系數(shù)，a1，2，3=10，a4=1，選材仍傾向于鋁合金I，鈦合金先于低價材料不銹鋼。

由于機翼在飛行時必須承受整個飛機的重量，因此機翼承受的應力最高，應力變化也最復雜，其要求的最主要性能為：σS∕ρ、E1∕3∕ρ、KIC。了解

對于高速軍用飛機而言，成本往往并不是最重要的因素。鈦合金適用于高速高載荷的情況。

故引入工作溫度極限并適當?shù)卣{整加權系數(shù)進行選材，a1=10，a2，3，4=5，a5=1。

顯然，重新分析的結果傾向于選擇鈦合金，鋁合金I次之。

事實上鈦合金確曾用作旋風、美洲豹、鷂式及美YF12戰(zhàn)斗機的框架和蒙皮材料。然而材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4溫度極限b

5相對成本g

a1=10a2,3,4=5,a5=1

鋁合金I6410010038851915鋁合金II1001310038821837鈦合金96277110001950不銹鋼567550100871772了解11.2齒輪類零件選材及工藝分析

(1)由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應力；

(2)換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷；

(3)齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應力及摩擦力的作用。一

齒輪的工作條件輪齒沖擊斷裂齒面剝落齒面磨損疲勞斷裂二齒輪的失效形式失效形式失效的原因疲勞斷裂從齒根部發(fā)生，由過大的交變彎曲應力所致，是齒輪最嚴重的失效形式齒面接觸疲勞破壞在交變接觸應力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，裂紋發(fā)展引起點狀剝落（或稱麻點）齒面磨損由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小過載斷裂主要是沖擊載荷過大造成的斷齒工作條件失效形式性能要求齒根交變彎曲應力疲勞斷裂高彎曲疲勞強度齒面接觸壓應力、滑動摩擦表面損傷高接觸疲勞強度和耐磨性輪齒沖擊過載斷裂較高強度及沖擊韌性三齒輪材料的性能要求此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。特點1：經(jīng)表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。特點2：這類鋼的工藝性能好，經(jīng)濟上也較合理。四齒輪類零件的選材性能要求高彎曲疲勞強度高接觸疲勞強度和耐磨性較高強度及沖擊韌性齒輪材料要求的性能主要是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。表面硬度越高，疲勞強度也越高。齒心應有足夠的沖擊韌性，防止輪齒受沖擊過載斷裂?？紤]選用低、中碳鋼或其合金鋼。（1）鋼：可應用于多種工作條件，是齒輪最主要的用材。速度、載荷、沖擊大

鋼種類別熱處理工藝中碳鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調質鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火選材

（2）高分子材料：重量輕，摩擦系數(shù)小，減振性強、噪音小，不需潤滑。但強度低不能承受較大載荷。名稱特性應用MC尼龍強度高，拉伸強度可達90Mpa以上，減摩耐磨性優(yōu)于其它尼龍。大型鑄件，如大型齒輪聚碳酸酯突出的抗蠕變性和沖擊韌性，脆化溫度為-100℃，成型精度高，透明，耐熱性高于有機玻璃儀表中的小模數(shù)齒輪。選材五典型齒輪選材舉例機床齒輪機床變速箱齒輪機床變速箱齒輪擔負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務。工作條件較好，轉速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊。

一般可選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。工藝路線為：下料--鍛造--正火--粗加工--調質--精加工--高頻淬火及低溫回火--精磨。機床齒輪

沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。有的機床齒輪還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪,工作時傳動平穩(wěn),噪聲減少,長期使用磨損很小。汽車后橋齒輪汽車齒輪

汽車齒輪受力較大，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等均要求比機床齒輪高。

汽車齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。

下料--鍛造--正火--切削加工--滲碳、淬火及低溫回火--噴丸--磨削加工。一般用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi制造。

滲碳齒輪的工藝路線為：汽車齒輪解放牌載重汽車變速箱齒輪選材：滲碳鋼—20CrMnTi（淬透性：油淬30---40mm；滲碳淬火后σb>1100MN/m2，ak>60J/cm2）熱處理工藝：900--950℃滲碳，820-850℃油淬，180--200℃低溫回火11.3軸類零件選材及工藝分析一

軸類零件的工作條件

(1)工作時主要受交變彎曲和扭轉應力的復合作用；

(2)軸與軸上零件有相對運動,相互間存在摩擦和磨損；

(3)軸在高速運轉過程中會產(chǎn)生振動,使軸承受沖擊載荷；

(4)多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。

(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂(包括扭轉疲勞和彎曲疲勞斷裂)；(2)大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂；

(3)與其它零件相對運動時產(chǎn)生的表面過度磨損。直升飛機螺旋槳驅動齒輪軸扭斷軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損二

軸類零件的失效形式轉軸彎曲疲勞斷口形貌工作條件（傳動）失效形式性能要求交變扭轉、旋轉彎曲應力疲勞斷裂較高強度與較好韌、塑性配合軸頸摩擦磨損較高疲勞抗力沖擊過載或沖擊斷裂軸頸耐磨性三

軸類零件的性能要求四

軸類零件的選材性能要求較高強度與較好韌、塑性配合較高疲勞抗力軸頸耐磨性良好切削加工性能,價格便宜。良好的綜合機械性能，足夠強度、塑性和一定韌性,以防過載斷裂、沖擊斷裂；高疲勞強度,對應力集中敏感性低,以防疲勞斷裂；足夠淬透性,熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨損失效；

經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強度和韌性，同時考慮疲勞抗力）考慮根據(jù)載荷大小、類型等決定。主要受扭轉、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種；受軸向載荷軸，因心部受力較大，應具有較高淬透性。速度載荷沖擊磨損

大

鋼種類別熱處理工藝中碳鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調質鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火主要使用鋼類材料。選材

一般軸類零件：用碳鋼（便宜，有一定綜合機械性能、對應力集中敏感性較小），如35、40、45、50鋼，經(jīng)正火、調質或表面淬火熱處理改善性能；

較高要求零件：載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時，用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；

其它：采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作曲軸的材料。受交變彎曲和扭轉復合應力作用，載荷和轉速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。C620車床主軸簡圖五典型軸的選材舉例機床主軸(1)用45鋼制造。（硬度HB220—250，軸頸HRC52）(2)載荷較大的主軸用40Cr鋼制造。(3)承受較大沖擊載荷和疲勞載荷的主軸用合金滲碳鋼（20Cr或20CrMnTi）制造。

(820-840℃)水淬

(500-550℃)高溫回火軸頸高頻淬火(水冷)(180-200℃)低溫回火熱處理工藝：選材：車床主軸用45鋼制造，整體硬度要求為HB

220--250；軸頸和錐孔硬度要求為HRc

52。請設計工藝路線。下料--鍛造--正火--粗加工--調質--精加工--高頻淬火及低溫回火--精磨。機床齒輪的工藝路線：參考其它機床主軸選材了解了解

175A型柴油機曲軸簡圖

曲軸受彎曲、扭轉、剪切、拉壓、沖擊等交變應力，可造成曲軸的扭轉和彎曲振動，產(chǎn)生附加應力；應力分布不均勻；曲軸頸與軸承有滑動摩擦。汽車主軸主要失效形式：疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損，材料要有高強度、一定的沖擊韌性、足夠彎曲、扭轉疲勞強度和剛度，軸頸表面有高硬度和耐磨性。

鍛鋼曲軸：優(yōu)質中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo鋼等；【工藝路線參前】

鑄造曲軸：鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。工藝路線：鑄造－高溫正火－高溫回火－切削加工－軸頸氣體滲氮。汽車主軸是一種重要的機械零件。彈簧分類如下。11.4其它零件選材及工藝分析壓縮螺旋彈簧拉伸螺旋彈簧扭轉螺旋彈簧板彈簧片彈簧一彈簧彈簧的用途：

(1)緩沖或減振

如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位

如機床及其夾具中利用彈簧將定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復原

外力去除后自動恢復到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量

如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力

如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。彈簧的工作條件:

(1)彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉時，材料將承受彎曲應力或扭轉應力。

(2)緩沖、減振或復原用的彈簧承受交變應力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質和高溫的作用。彈簧的失效形式:(1)塑性變形

在外載荷作用下，材料內部產(chǎn)生的彎曲應力或扭轉應力超過材料本身的屈服應力后，彈簧發(fā)生塑性變形。外載荷去掉后，彈簧不能恢復到原始尺寸和形狀。(2)疲勞斷裂

在交變應力作用下，彈簧表面缺陷(裂紋、折迭、刻痕)處產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴展后造成斷裂失效。(3)快速脆性斷裂

某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)、加工缺陷(如折迭、劃痕)、熱處理缺陷(淬火溫度過高導致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠)等，當受到過大的沖擊載荷時，發(fā)生突然脆性斷裂。(4)腐蝕斷裂及永久變形

在腐蝕性介質中使用的彈簧易產(chǎn)生應力腐蝕斷裂失效。高溫使彈簧材料的彈性模量和承載能力下降，高溫下使用的彈簧易出現(xiàn)蠕變和應力松弛，產(chǎn)生永久變形。彈簧的性能要求：

(1)高的彈性極限σe和高的屈強比σs/σb

彈簧工作時不允許有永久變形，工作應力不超過其彈性極限。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。對于承受重載荷的彈簧，如汽車用板簧、火車用螺旋彈簧等，其材料需要高的彈性極限。(2)高的疲勞強度

彎曲疲勞強度σ-1和扭轉疲勞強度τ-1越大，則彈簧的抗疲勞性能越好。

(3)好的材質和表面質量

夾雜物含量少，晶粒細小，表面質量好，缺陷少，對于提高彈簧的疲勞壽命和抗脆性斷裂十分重要。

(4)某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性

保證在腐蝕性介質和高溫條件下的使用性能。彈簧的選材：

(一)、彈簧鋼

分為兩大類：

（1）熱軋彈簧用材

通過熱軋方法加工成園鋼、方鋼、盤條、扁鋼，制造尺寸較大，承載較重的螺旋彈簧或板簧。彈簧熱成型后要進行淬火及回火處理。

（2）冷軋(拔)彈簧用材

以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應，用來制作小型冷成型螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧等。

【主要彈簧鋼的特點及用途見下表。】(二)、不銹鋼

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti通過冷軋(拔)加工成帶或絲材,制造在腐蝕性介質中使用的彈簧。(三)、黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅

具有良好的導電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性，用于制造電器、儀表彈簧及在腐蝕性介質中工作的彈性元件。主要彈簧鋼的特點及用途了解典型彈簧選材實例

汽車板簧汽車板簧材料

輕型汽車選用65Mn、60Si2Mn鋼制造；中型或重型汽車,板簧用50CrMn,55SiMnVB鋼；重型載重汽車大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb鋼制造。

熱軋鋼帶(板)沖裁下料—壓力成型—淬火—中溫回火—噴丸強化

淬火

溫度為850oC～860oC(60Si2Mn鋼為870oC),采用油冷,淬火后組織為馬氏體。

回火

溫度為420oC～500oC,組織為回火屈氏體。屈服強度s0.2不低于1100MPa,硬度為42HRC～47HRC,沖擊韌性ak為250KJ/m2～300KJ/m2。

工藝路線是一種壓縮螺旋彈簧。其用途是在凸輪、搖臂或挺桿的聯(lián)合作用下，使氣門打開和關閉，承受應力不是很大，可采用淬透性比較好、晶粒細小、有一定耐熱性的50CrVA鋼制造。內燃機氣門彈簧材料工藝路線冷卷成型—淬火—中溫回火—噴丸強化—兩端磨平繼電器簧片材料繼電器簧片黃銅導電性好，抗疲勞性能較高，彈性一般，價格較低。錫青銅導電性稍低，但抗疲勞性能高，彈性好，價格稍高。白銅導電性好，抗蝕性高，抗疲勞性能較高，彈性好，價格較貴。黃銅(H70)、錫青銅(QSn6.5-0.1)、白銅(B19)

是一種片簧，其作用是使兩電觸點接觸時,產(chǎn)生一定大小的壓力，以保證觸頭緊密接觸良好導電?；善牧弦泻玫膹椥?、導電性和耐蝕性。簧片所受彎曲應力很小。

切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統(tǒng)稱為刃具。

(1)刃具切削材料時，受到被切削材料的強烈擠壓，刃部受到很大的彎曲應力。某些刃具(如鉆頭、鉸刀)還會受到較大的扭轉應力作用。

(2)刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500oC～600oC。

(3)機用刃具往往承受較大的沖擊與震動。二刃具刃具的工作條件切削加工

(1)磨損

由于摩擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低切削零件表面質量，也由于刃部形狀變化，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

(2)斷裂

刃具在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)刃部軟化

由于刃部溫度升高，若刃具材料的紅硬性低或高溫性能不足，使刃部硬度顯著下降，喪失切削加工能力。刃具的失效形式

(1)高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62HRC；

(2)高的紅硬性；

(3)強韌性好；

(4)高淬透性。可采用較低的冷速淬火，以防止刃具變形和開裂。刃具材料的性能要求

制造刃具的材料有碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質合金和陶瓷等，根據(jù)刃具的使用條件和性能要求不同進行選用。

一、簡單的手用刃具

手鋸鋸條、銼刀、木工用刨刀、鑿子等簡單、低速的手用刃具紅硬性和強韌性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具鋼制造。如T8、T10、T12鋼等。碳素工具鋼價格較低,但淬透性差。

二、低速切削、形狀較復雜的刃具

絲錐、板牙、拉刀等可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造。因鋼中加入了Cr、W、Mn等元素,使鋼的淬透性和耐磨性大大提高,耐熱性和韌性也有所改善,可在<300oC的溫度下使用。

刃具的選材三、高速切削用的刃具

(1)用高速鋼(W18Cr4V、W