機械工程材料與熱處理 第2版 課件 第9章 機械零件材料的選材

機械零件材料選擇機械零件的失效失效產(chǎn)品在使用過程中失去原設(shè)計所規(guī)定的功能稱為失效失效常見特征零件完全破壞已不能正常工作；(主軸斷裂）零件工作不能達到設(shè)計的功效。（輪齒磨損不能正常嚙合）零件已嚴(yán)重?fù)p傷繼續(xù)工作不安全；機械零件的失效失效類型（同一零件可能有幾種失效形式）斷裂失效零件最嚴(yán)重的失效形式，因零件承載過大或因疲勞損傷等發(fā)生破斷斷裂方式有塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂（斷口分析）客車壓縮機皮帶輪斷裂及在交變載荷下工作的軸、齒輪、彈簧等的斷裂宏觀特征：宏觀變形方式為頸縮，典型斷口為杯錐狀斷口，底部成纖維狀剪切斷口，其平面和拉伸軸大致成45

角

微觀特征：蛇形滑移和延伸，間距不等、短而且平行、不連續(xù)的條紋韌窩在斷裂前沒有可以觀察到的塑性變形，斷口一般與正應(yīng)力垂直，斷口表面平齊，斷口邊緣沒有剪切“唇口”(或很小)。

脆性斷裂的微觀判據(jù)是解理花樣和沿晶斷口形態(tài)材料在長時間的恒溫恒應(yīng)力作用下緩慢產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。零件由于這種變形而引起的斷裂稱為蠕變斷裂。

汽輪機氣缸緊固螺栓在高溫恒力作用下于螺桿處發(fā)生斷裂就是蠕變斷裂。板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊。折疊造成了表面裂紋。疲勞源在折疊造成的表面裂紋處形成。根據(jù)板簧的安裝條件和工作狀況分析，板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。裂紋在應(yīng)力作用下擴展，最后造成板簧疲勞斷裂。

失效類型過量變形失效機械零件的失效零件變形量超過允許范圍而造成的失效主要有過量彈性變形失效和過量塑性變形失效高溫下工作時，螺栓發(fā)生松脫失效類型表面損傷失效機械零件的失效零件表面及附近的材料發(fā)生尺寸變化和表面破壞的失效現(xiàn)象主要有表面磨損失效、表面腐蝕失效、表面疲勞失效粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。磨料磨損

配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象稱為磨損影響因素：摩擦副材質(zhì)、工況參數(shù)（接觸應(yīng)力、滑動距離和滑動速度）改善措施：表面強化處理均勻腐蝕均勻腐蝕是在整個金屬的表面均勻地發(fā)生點腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，進而向深度擴成孔穴甚至穿透(孔蝕)。晶間腐蝕

腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損腐蝕磨損是金屬在摩擦過程中，同時與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象

彈簧材料為碳素彈簧鋼，長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。當(dāng)作用力去除后，閥芯在重力和氣罐內(nèi)氣壓的作用下，閥芯與閥座間尚能起到一定的密封作用。但如果車輛受到強烈震動，閥芯會跳離閥座，破斷的彈簧絲會卡入閥芯、閥座的密封面處，使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈。

失效類型裂紋失效機械零件的失效零件內(nèi)外的微裂紋在外力作用下擴展，造成零件斷裂的現(xiàn)象材料選取不當(dāng)、工藝制定不合理而造成鍛件中的裂紋，往往因為鋼中含硫量較高、混入銅等低熔點金屬及夾雜物含量過多，造成晶界強度被削弱；或鍛后冷卻過快，未及時進行退火處理，多容易產(chǎn)生表面裂紋。失效原因設(shè)計不合理結(jié)構(gòu)形狀、尺寸設(shè)計不合理結(jié)構(gòu)上存在尖角、尖銳缺口或圓角過渡過小，產(chǎn)生應(yīng)力集中引起失效；安全系數(shù)小，達不到實際要求的承載力失效原因選材不合理所選用的材料性能達不到使用要求，或材質(zhì)較差加工工藝不當(dāng)工藝方法、工藝參數(shù)不正確熱加工中產(chǎn)生的過熱、過燒和帶狀組織等；冷加工不良時粗糙度太低，產(chǎn)生過深的刀痕、磨削裂紋等；熱處理中產(chǎn)生的脫碳、變形及開裂等失效原因安裝使用不正確安裝時配合過松、過緊，對中不準(zhǔn)使用中不按工藝規(guī)程操作和維修，保養(yǎng)不善或過載使用等選材一般原則使用性能機械零件在正常工作條件下應(yīng)具備的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能步驟分析零件的服役條件、形狀尺寸及應(yīng)力狀態(tài)調(diào)查出現(xiàn)的主要失效形式找出失效抗力指標(biāo)進行力學(xué)計算，確定性能指標(biāo)結(jié)合其它因素對比選擇最優(yōu)材料工藝性能工藝性能鑄造性材料在鑄造生產(chǎn)工藝過程中所表現(xiàn)出的工藝性能主要包括流動性、收縮性，還有吸氣、氧化、偏析鑄鐵、合金、鑄鋼工藝性能鍛造性鍛造該材料的難易程度影響因素主要是材料的化學(xué)成分、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)以及變形條件低碳鋼、高碳鋼、合金鋼

工藝性能焊接性一定的焊接工藝條件下材料獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼工藝性能切削加工性材料切削加工的難易程度一般用切削抗力大小、刀具磨損程度、切屑排除的難易及加工出的零件表面質(zhì)量來綜合衡量易切削鋼、中碳鋼、一般有色金屬的切削加工性好，而高強度鋼、耐熱鋼、不銹鋼的切削加工性較差工藝性能熱處理性能材料對熱處理加工的適應(yīng)性能淬透性、淬硬性、氧化和脫碳傾向、變形開裂傾向、過熱過燒傾向、回火脆性傾向工藝性能粘接固化性材料在成型過程中各組分之間的粘結(jié)固化傾向多用于高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料及粉末冶金材料考慮經(jīng)濟性盡可能選用貨源充足、價格低廉、加工容易的材料應(yīng)盡量減少所選材料的品種、規(guī)格，以簡化供應(yīng)、保管等工作盡量提高該產(chǎn)品的性價比選材實例軸類零件（主軸）主軸工作條件承受彎曲、扭轉(zhuǎn)，沖擊等多種載荷的作用某些部位承受著不同程度的摩擦主要失效形式：疲勞斷裂、過量變形、表面過渡磨損性能要求較高的綜合力學(xué)性能：防止過載斷裂、沖擊斷裂較高的硬度和耐磨性：防止磨損失效高疲勞強度：防疲勞斷裂軸類零件（主軸）選材原則一般使用碳素鋼（35、45、50），正火或調(diào)質(zhì)處理合金鋼多用于有特殊要求的軸（載荷大、限制尺寸、有很高耐磨要求）如：40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi表面要求耐磨的部位，應(yīng)調(diào)質(zhì)后再進行表面淬火主軸承受重載荷、高轉(zhuǎn)速且沖擊與變動載荷很大時，應(yīng)選用合金滲碳鋼在高溫、高速和重載條件下工作的主軸常采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等合金結(jié)構(gòu)鋼工作條件分析該主軸承受交變彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，但載荷不大，轉(zhuǎn)速較低，受沖擊較小，故材料具有一般綜合力學(xué)性能即可滿足要求。主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，經(jīng)常與卡盤、頂尖有相對磨擦，花鍵部位與齒輪有相對滑動，因此這些部位硬度及耐磨性有較高要求。該主軸在滾動軸承中運轉(zhuǎn)，為保證主軸運轉(zhuǎn)精度及使用壽命，軸頸處硬度為220~250HBS。選材

45鋼調(diào)質(zhì)內(nèi)錐孔與外錐體淬火后低溫回火，硬度為45~50HRC

花鍵部位采用高頻感應(yīng)表面淬火以減少變形并達到表面淬硬的目的錐部淬火應(yīng)與花鍵部位淬火分開進行，以減少淬火變形粗磨糾正淬火變形花鍵精磨消除變形內(nèi)燃機曲軸選材（175A型農(nóng)用柴油機曲軸選材）1）性能要求

農(nóng)用柴油機曲軸功率和承受載荷不大；但滑動軸承中工作軸頸部要有較高硬度及耐磨。要求σb≥750MPa,整體硬度240HBS～260HBS,軸頸表面硬度≥625HV,δ≥2%,ak≥150kJ/m2。（2）曲軸材料

QT700-2（3）工藝路線

鑄造－高溫正火－高溫回火－切削加工－軸頸氣體滲氮。

齒輪類零件工作條件齒輪根部受交變彎曲應(yīng)力在換擋、啟動或嚙合不均勻時，齒輪常受到?jīng)_擊齒面承受滾動、滑動造成的強烈摩擦磨損和交變的接觸應(yīng)力失效形式：齒面磨損和齒根疲勞斷裂、齒面剝落、斷齒齒輪類零件性能要求高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度高的硬度和耐磨性足夠的強度和沖擊韌性高的抗齒面疲勞剝落性能常用材料中碳鋼或中碳合金鋼用來制作中、低速和承載不大的中、小型傳動齒輪低碳鋼和低碳合金鋼適合于高速、能耐猛烈沖擊的重載齒輪直徑較大（大于600mm）形狀復(fù)雜的齒輪毛坯，采用鑄鋼制作輕載、低速、不受沖擊、精度要求不高的齒輪，用鑄鐵制造接觸腐蝕介質(zhì)中工作的輕載荷齒輪，常用耐腐蝕、耐磨的有色金屬材料來制造無潤滑條件下工作的小型齒輪，采用塑料制造實例該齒輪工作中受一定的沖擊，負(fù)載較重，輪齒表面要求耐磨。其熱處理技術(shù)條件是：輪齒表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC＝0.80%～1.05%，齒面硬度為58～63HRC，齒心部硬度為33～45HRC，要求心部強度≥1000MPa，沖擊韌度≥95J·cm-2。試從如下提供的材料中選擇制造該齒輪的合適鋼種，并制訂其加工工藝路線此載貨汽車變速箱齒輪在工作時承受載荷較重，輪齒承受周期變化的彎曲應(yīng)力較大，齒面承受著強烈的摩擦和交變接觸應(yīng)力，為防止磨損，要求具有高硬度、高的疲勞強度和良好的耐磨性（58～63HRC）。在換擋剎車時齒輪還受較大的沖擊力，齒面承受較大的壓力，還要求輪齒的心部具有一定的強度、硬度（33～45HRC）以及適當(dāng)?shù)捻g性，以防止輪齒折斷。根據(jù)以上分析，可知該汽車齒輪的工作條件很苛刻，因此在耐磨性、疲勞強度、心部強度和沖擊韌度等方面的要求均比機床齒輪要高選調(diào)質(zhì)鋼45鋼，40Cr鋼淬火，均不能滿足使用要求（表面硬度只能達50～56HRC）；38CrMoAl為氮化鋼，氮化層較薄，適合應(yīng)用于轉(zhuǎn)速高，壓力小，不受沖擊的使用條件，故也不適合做此汽車齒輪；合金滲碳鋼20Cr鋼經(jīng)滲碳淬火雖然表面能達到力學(xué)性能要求，材料來源也比較充足，成本也較低，但是淬透性低，容易過熱，淬火的變形開裂傾向較大，綜合評價仍不能滿足使用要求；合金滲碳鋼20CrMnTi，經(jīng)滲碳熱處理后，齒面可獲得高硬度（58～63HRC），高耐磨性，并且由于該鋼含有Cr、Mn元素，具有較高的淬透性，油淬后可保證輪齒心部獲得強韌結(jié)合的組織，具有較高的沖擊韌度，同時含有Ti，不容易過熱，滲碳后仍保持細(xì)晶粒，可直接淬火，變形較小，另外，20CrMnTi鋼的滲碳速度較快，表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適中，過渡層平緩，滲碳熱處理后，具有較高的疲勞強度，故可滿足使用要求。因此該載貨汽車變速箱齒輪選用20CrMnTi鋼制造比較適宜機床變速箱齒輪擔(dān)負(fù)傳遞動力，改變運動速度和方向的任務(wù)。工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊。因此，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(diào)質(zhì)--精加工--高頻淬火及低溫回火--精磨。

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。機床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，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。正火的目的是均勻和細(xì)化組織，消除鍛造應(yīng)力，獲得良好切削加工性能；滲碳淬火及低溫回火的目的是提高齒面硬度和耐磨性，并使心部獲得低碳馬氏體組織，從而具有足夠強韌性；噴丸處理可使零件滲碳層表面壓應(yīng)力進一步增大，以提高疲勞強度箱體類零件工作條件主要承受各零件的重量以及零件運動時的相互作用力對內(nèi)部各零件運動產(chǎn)生的振動有緩沖作用性能要求足夠的抗壓性能較高的剛度，防止變形良好的吸振性良好的成型工藝其他特殊性能，如比重輕選材由于箱體形狀比較復(fù)雜、壁厚較薄、體積較大，一般選用鑄造毛坯成型，根據(jù)力學(xué)性能要求常用灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼等。工作平穩(wěn)的箱體可用HT150、HT200、HT250等；受力較小，要求導(dǎo)熱良好、重量輕的箱體可用鑄造鋁合金；受力較大的箱體可考慮鑄鋼；單件生產(chǎn)時可用低碳鋼焊接而成。箱體加工前一般要進行時效處理，目的是消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力汽車用材汽車主要結(jié)構(gòu)可分為四部分：

(1)發(fā)動機

提供動力，由缸體、缸蓋、活塞、連桿、曲軸及配氣、燃料供給、潤滑、冷卻等系統(tǒng)組成。

(2)底盤

包括傳動系(離合器、變速箱、后橋等)、行駛系(車架、車輪等)、轉(zhuǎn)向系(方向盤、轉(zhuǎn)向蝸桿等)和制動系(油泵或氣泵、剎車片等)。

(3)車身

駕駛室、貨箱等。

(4)電氣設(shè)備

電源、起動、點火、照明、信號、控制等。

缸體和缸蓋缸體材料應(yīng)滿足下列要求：有足夠的強度和剛度；良好的鑄造性和切削性；價格低廉。缸體常用的材料有灰口鑄鐵和鋁合金兩種。

缸蓋應(yīng)選用導(dǎo)熱性好、高溫機械強度高、能承受反復(fù)熱應(yīng)力、鑄造性能良好的材料來制造。目前使用的缸蓋材料有兩種：一是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。

缸套

氣缸工作面用耐磨材料，制成缸套鑲?cè)霘飧?。常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸套的耐磨性，可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其它耐磨合金等辦法對缸套進行表面處理。

活塞、活塞銷和活塞環(huán)

活塞銷材料一般用20低碳鋼或20Cr、18CrMnTi等低碳合金鋼。活塞銷外表面應(yīng)進行滲碳或氰化處理，以滿足外表面硬而耐磨，材料內(nèi)部韌而耐沖擊的要求?；钊h(huán)用合金鑄鐵或球墨鑄鐵，經(jīng)表面處理。鍍多孔性鉻后可使環(huán)的工作壽命提高2～3倍。其它表面處理的方法有噴鉬、磷化、氧化、涂合成樹脂等連桿連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的剛性和韌性。連桿材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼。氣門氣門工作時，需要承受較高的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷，排氣門工作溫度高達650℃～850℃。氣門頭部還承受氣壓力及落座時因慣性力而產(chǎn)生的相當(dāng)大的沖擊。氣門經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：氣門座扭曲、氣門頭部變形、氣門座面積碳時引起燃燒廢氣對氣門座面強烈地?zé)g。氣門材料應(yīng)選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進氣門一般可用40Cr、35CrMo、