工程材料選用

第11章工程材料的選用

11.1零件的失效11.2選材的原則和一般方法11.3零件的選材及其熱成型工藝

11.1機(jī)械零件的失效11.1.1失效的概念與類型

失效是指由于某種原因?qū)е铝慵某叽?、形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象。根據(jù)喪失功能的程度，出現(xiàn)下列三種情況之一時(shí)，即認(rèn)為零件已經(jīng)失效：零件完全破斷，喪失工作能力：例如齒輪輪齒折斷、傳動(dòng)軸或連桿斷裂、槍炮膛炸裂等都將使機(jī)器(械)不能再繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)(工作)。零件已嚴(yán)重?fù)p傷，不能再安全工作：如航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件、電站的關(guān)鍵部件（轉(zhuǎn)子軸）出現(xiàn)裂紋后再繼續(xù)工作可能很不安全，這些零件一旦失效將造成重大事故。零件雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)期作用：例如高精度機(jī)床、精密儀表中的齒輪、軸、軸承、導(dǎo)軌等零件受到磨損后，雖仍能安全運(yùn)轉(zhuǎn)，但傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率達(dá)不到預(yù)定要求。型類：

彈性變形失效畸變失效塑性變形失效翹曲變形失效

韌性斷裂斷裂失效疲勞斷裂脆性斷裂蠕變斷裂

磨損失效表面損傷失效表面疲勞腐蝕失效11.2選材的原則和一般方法機(jī)械設(shè)計(jì)包括零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和成型加工工藝的制訂。零件設(shè)計(jì)所要求的三原則：使用性能原則、工藝性能原則和經(jīng)濟(jì)性原則。11.2.1選材原則⑴使用性能原則使用性能是指零件在使用狀態(tài)下應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能①根據(jù)零件工作條件，確定其使用性能要求工作條件：受力狀態(tài)、工作環(huán)境和特殊性能受力狀態(tài)：拉、壓、彎、扭等應(yīng)力；載荷：靜載荷、動(dòng)載荷工作溫度：低溫、室溫、高溫、交變溫度等環(huán)境介質(zhì)：潤(rùn)滑劑、酸、堿、鹽、海水、粉塵等特殊物理性能：密度、電導(dǎo)性、磁導(dǎo)性、熱導(dǎo)性、熱膨脹性、輻射等零件的失效方式：過(guò)量變形、斷裂和表面損傷②根據(jù)零件使用性能要求，確定零件使用性能指標(biāo)

零件使用性能的具體要求量化為零件的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。如表11?1。大多數(shù)情形下，常把零件的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)直接看作材料的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。對(duì)一些重要和特殊的零件，零件的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)與材料的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)并不一致，通常要經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)或數(shù)值模擬計(jì)算，將零件的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為材料的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。零件名稱

工作條件

失效形式

機(jī)械性能指標(biāo)螺栓交變拉應(yīng)力、切應(yīng)力過(guò)量塑性變形或由疲勞造成的斷裂強(qiáng)度、塑性齒輪交變彎曲應(yīng)力、脈動(dòng)接觸壓應(yīng)力、齒表面滑動(dòng)摩擦、沖擊等齒折斷、齒面過(guò)度磨損、疲勞麻點(diǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度、表面耐磨性、心部強(qiáng)韌性曲軸等軸類零件交變彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、沖擊、頸部摩擦疲勞破斷、過(guò)量變形、磨損彎扭疲勞強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、耐磨性、韌性彈簧交變應(yīng)力、振動(dòng)與沖擊過(guò)量變形、疲勞破斷彈性極限、屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度滾動(dòng)軸承交變壓應(yīng)力、點(diǎn)線接觸壓應(yīng)力、腐蝕、沖擊過(guò)量變形、過(guò)度磨損、疲勞接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性11.2選材的原則和一般方法⑵工藝性能原則

高分子材料：成形工藝比較簡(jiǎn)單，切削加工性尚好，但它的導(dǎo)熱性較差，在切削過(guò)程中不易散熱，易使工件溫度急劇升高，可能使熱固性塑料變焦，使熱塑性塑料變軟。

陶瓷材料：壓制、燒結(jié)成形后，硬度極高，除了可用碳化硅或金剛石砂輪磨削外，幾乎不能進(jìn)行任何其他加工。

金屬材料：鑄造成形的合金，選用共晶或接近共晶成分鍛造成形的合金，最好選用呈固溶體的合金焊接成形的合金，用低碳鋼或低碳合金鋼切削成形的鋼鐵材料，硬度控制在170～230HBS之間熱處理的碳鋼：淬透性差，加熱時(shí)晶粒容易長(zhǎng)大，淬火易產(chǎn)生變形甚至開裂。所以制造高強(qiáng)度、大截面、形狀復(fù)雜的零件，都需要選用合金鋼。⑶經(jīng)濟(jì)性原則選材的經(jīng)濟(jì)性：材料本身的價(jià)格，材料在加工成零件時(shí)的生產(chǎn)中的一切費(fèi)用①材料的價(jià)格金屬材料中，鑄鐵和碳鋼的價(jià)格比較低，高合金鋼、有色金屬、工程塑料的價(jià)格就比較高。非金屬材料有獨(dú)特的、金屬材料不能與之相比的性能優(yōu)勢(shì)，用來(lái)代替金屬材料制造一般結(jié)構(gòu)件、摩擦傳動(dòng)件、耐蝕件、耐高溫件等。一些齒輪、凸輪、軸承、導(dǎo)軌、密封環(huán)、葉片、泵葉輪、高溫爐管、切削刀具等零件都可用非金屬材料制作。這既節(jié)約了大量金屬材料；又提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，減輕質(zhì)量，降低成本。在滿足使用性能要求的前提下，選擇零件毛坯的形式時(shí)要考慮零件的外形特點(diǎn)、工藝性及生產(chǎn)批量等。形狀復(fù)雜的零件，如箱體等，常用鑄件毛坯；外形相對(duì)簡(jiǎn)單的零件則制成鍛件；焊接件常用于要求尺寸大、質(zhì)量小、剛性大的零件。單件或小批量時(shí)用自由鍛件毛坯；大批量時(shí)用模鍛件或精密鑄件毛坯以減少機(jī)械加工工時(shí)，提高生產(chǎn)效率。②零件的總成本（生產(chǎn)成本與使用成本）生產(chǎn)成本包括材料價(jià)格、加工費(fèi)用等使用成本包括使用壽命、產(chǎn)品維護(hù)、修理、更換零件及停機(jī)損失等③國(guó)家的資源我國(guó)的鎳、鉻等資源缺少，應(yīng)盡量不選或少選含這類元素的鋼或合金。11.2選材的原則和一般方法10.2.2零件選材的一般方法機(jī)械零件選材的一般步驟為：⑴弄清楚零件的工作條件，諸如所承載荷性質(zhì)、大小，工作環(huán)境溫度，介質(zhì)性質(zhì)，用戶要求等；并分析估計(jì)零件失效的方式和原因，提出零件的性能要求。⑵將零件的性能要求量化為材料的性能指標(biāo)。⑶根據(jù)材料的性能指標(biāo)，提出備選材料。備選材料可通過(guò)查閱有關(guān)手冊(cè)，參考相類似零件提出。⑷從使用性能、工藝性能及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，并進(jìn)行計(jì)算、校核，從備選材料中確定理想的材料。⑸通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)檢測(cè)、臺(tái)架試驗(yàn)和批量考核，最終確定選材方案。11.2選材的原則和一般方法11.3.1齒輪類零件選材與熱成型工藝⑴齒輪的工作條件及性能要求①工作條件齒輪是機(jī)床、汽車、拖拉機(jī)等機(jī)器設(shè)備中的重要零件，用于傳遞扭矩、改變運(yùn)動(dòng)方向和調(diào)節(jié)速度工作時(shí)的受力情況如下：齒根承受較大的交變彎曲應(yīng)力；齒面相互滑動(dòng)和滾動(dòng)，承受較大的接觸應(yīng)力，并發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦；由于換檔、啟動(dòng)或嚙合不良，齒部承受一定的沖擊。②失效形式發(fā)生在齒根的疲勞斷裂，通常一齒斷裂引起數(shù)齒、甚至更多的齒斷裂，它是齒輪最嚴(yán)重的失效形式；齒面接觸區(qū)摩擦使齒面磨損，導(dǎo)致齒厚變小，齒隙增大；在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋并逐漸發(fā)展，最終齒面接觸疲勞破壞，出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落；有時(shí)出現(xiàn)過(guò)載斷裂，主要是沖擊載荷過(guò)大造成齒斷。③性能要求高的彎曲疲勞強(qiáng)度；高的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性；輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。對(duì)金屬材料，應(yīng)有較好的熱處理工藝性，如淬透性高，過(guò)熱敏感性小，變形小等。

11.3零件的選材及其熱成型工藝

⑵齒輪零件的選材由于陶瓷脆性大，不能承受沖擊，不宜用來(lái)制造齒輪。一些受力不大或無(wú)潤(rùn)滑條件下工作的齒輪，可選用塑料(如尼龍、聚碳酸酯)來(lái)制造11.3零件的選材及其熱成型工藝

序號(hào)齒輪工作條件鋼種熱處理工藝硬度要求1在低載荷下工作，要求耐磨性好的齒輪15(20)900～950℃滲碳，直接淬火或預(yù)冷到780～800℃淬火(水冷)；180～200℃回火58～63HRC2速度<0.1m／s，低載荷下工作的不重要的變速箱齒輪和掛輪架齒輪45840～860℃正火156～217HB3速度為2m／s，中等載荷下工作的高速機(jī)床走刀箱、變速箱齒輪40Cr42SiMn調(diào)質(zhì)后高頻加熱，乳化液冷卻，180～200℃回水45～50HRC4高速、重載荷、沖擊，模數(shù)>6的齒輪(如立車上的重要齒輪)20SiMnVB20CrMnTi900～950℃滲碳，預(yù)冷820～850℃淬火，180～200℃回火58～63HRC5高速、重載荷、形狀復(fù)雜要求熱處理變形小的齒輪38CrMoAlA正火或調(diào)質(zhì)后500～550℃滲氮850HV以上①機(jī)床齒輪工作條件：工作平穩(wěn)，負(fù)荷較小，轉(zhuǎn)速中等性能要求：齒面：高硬度，52～58HRC

齒心部：強(qiáng)韌性要求不高，220～250HBS

選材：非變速齒輪、速度不太高的變速齒輪、齒斷面較小的齒輪：選用中碳鋼（40，45）或低合金鋼制造中速、斷面較大的變速齒輪：40Cr、42SiMn

加工工藝路線：

下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火+低溫回火→精磨→成品

高速、中載荷、受沖擊的齒輪：合金滲碳鋼

正火：作為預(yù)備熱處理工藝可以消除毛坯的鍛造應(yīng)力、細(xì)化組織、改善切削、加工性能。調(diào)質(zhì)處理：賦予齒輪較高的綜合力學(xué)性能，保證齒的心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性以承受較大的交變彎曲應(yīng)力和沖擊載荷，同時(shí)還可以減少淬火后的變形。高頻表面淬火+低溫回火處理：使齒面的硬度超過(guò)50HRC，提高齒輪的耐磨性和接觸疲勞抗力。11.3零件的選材及其熱成型工藝

②汽車、拖拉機(jī)齒輪工作條件：比機(jī)床齒輪惡劣。受力較大，受沖擊較頻繁。失效形式：為齒端磨損、崩角等，因此要求材料應(yīng)有高的表面接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。性能要求：彎曲與接觸應(yīng)力都很大，要滲碳、淬火處理，以提高耐磨性和疲勞抗力。材料的淬透性要求較高，心部硬度應(yīng)在35～45HRC之間。良好的切削工藝性能。選材：低合金滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi、20MnVB等，并進(jìn)行滲碳或碳氮共滲處理；部分齒輪則采用中碳鋼和中碳合金鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。滲碳齒輪的工藝路線為: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。正火：改善切削加工性（F+P）

滲碳：提高齒面含碳量（0.8～1.05%C）

淬火：提高齒面硬度接觸疲勞強(qiáng)度低溫回火：消除淬火應(yīng)力，防止磨削裂紋表層：高碳M回+K心部：低碳M回或(M回+F＋T)

11.3零件的選材及其熱成型工藝

圓柱齒輪C336－1六角車床走刀機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力齒輪常溫，開式無(wú)潤(rùn)滑傳動(dòng)，轉(zhuǎn)速625～24r／min，切削功率可達(dá)4.5KW，連續(xù)使用45鋼聚碳酸酯聚甲醛鑄型尼龍?jiān)胍魷p小、傳動(dòng)平穩(wěn)、長(zhǎng)期使用無(wú)損壞及磨損現(xiàn)象傘齒輪B8810刨模機(jī)傘齒輪轉(zhuǎn)速300～400r／min，受力不大，無(wú)潤(rùn)滑，常溫使用45鋼尼龍1010減重62％，經(jīng)2年使用無(wú)損壞現(xiàn)象蝸輪3M4730鋼球研磨機(jī)傳動(dòng)蝸輪使用溫度55℃，20號(hào)機(jī)袖潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速8r／mm，單齒受力17.8MPa6-6-3銅合金鑄型尼龍減重80％，噪首低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，使用3年無(wú)磨損齒條Z3025搖臂鉆床移動(dòng)主軸箱用齒條無(wú)潤(rùn)滑，常溫使用，低速(手動(dòng))，有一定載荷，要求剛性好，變形小黃銅聚碳酸酯減重90％，使用情況良好冷拔35鋼30％玻纖增強(qiáng)聚碳酸酯變形小，長(zhǎng)期使用無(wú)磨損，與其嚙合的鋼齒輪有磨損塑料在齒輪、齒條上的應(yīng)用實(shí)例

11.3零件的選材及其熱成型工藝

11.3.2軸類零件的選材與熱成型工藝⑴工作條件及性能要求①工作條件軸類零件在機(jī)器設(shè)備中用量很大，其質(zhì)量好壞，直接影響機(jī)器的精度與壽命。其作用是支承傳動(dòng)零件和傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。機(jī)床主軸、絲杠、內(nèi)燃機(jī)曲軸、膛桿、汽車半軸等都屬于軸類零件。軸承受交變扭轉(zhuǎn)載荷，同時(shí)還要承受一定的交變彎矩或拉壓載荷;而軸頸處，在用滑動(dòng)軸承時(shí)，受著摩擦磨損(在用滾動(dòng)軸承且軸頸不作內(nèi)圈時(shí)，則沒(méi)有摩擦磨損)。同時(shí)，大多數(shù)尤其是汽車、拖拉機(jī)一類軸，都會(huì)受到一定過(guò)載和沖擊載荷的作用。②失效形式受扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞交變載荷長(zhǎng)期作用，造成軸疲勞斷裂；大載荷或沖擊載荷作用，軸發(fā)生折斷或扭斷；軸頸或花鍵處過(guò)度磨損。③性能要求良好的綜合力學(xué)性能，即強(qiáng)度、塑性、韌性有良好的配合，以防止沖擊或過(guò)載斷裂；高的疲勞強(qiáng)度，以防疲勞斷裂；良好的耐磨性，防止軸頸磨損。此外，還應(yīng)考慮剛度、切削加工性、熱處理工藝性和成本。11.3零件的選材及其熱成型工藝

⑵軸類零件的選材

不傳遞動(dòng)力只承受彎矩起支撐作用：主要考慮剛度和耐磨性，如主要考慮剛度，可以用碳鋼或球墨鑄鐵來(lái)制造；對(duì)于軸頸有較高耐磨性要求的軸，則須選用中碳鋼并進(jìn)行表面淬火，將硬度提高到52HRC以上。

主要受彎曲、扭轉(zhuǎn)的軸：如變速箱傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、機(jī)床主軸等。這類軸在整個(gè)截面上所受的應(yīng)力分布不均勻，表面應(yīng)力較大，心部應(yīng)力較小。這類軸無(wú)需選用淬透性很高的鋼種，通常選用中碳鋼，如45鋼、40Cr、40MnB等；若要求高精度、高的尺寸穩(wěn)定性及高耐磨性的軸，如鏜床主軸，則常選用38CrMoAlA鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)及氮化處理。

承受彎曲(或扭轉(zhuǎn))及拉、壓載荷的軸：船用推進(jìn)器軸、鍛錘錘桿等。這類軸的整個(gè)截面上應(yīng)力分布均勻，心部受力也較大，應(yīng)選用淬透性較高的鋼種。一般選用45、40Cr、40MnB、30CrMnSi、35CrMo和40CrNiMo等中碳鋼和中碳合金鋼，以滿足優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。對(duì)那些要求抗沖擊和耐磨的高載重要軸，也可選20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA經(jīng)滲碳、淬火、回火處理。

11.3零件的選材及其熱成型工藝

選用45鋼或40Cr鋼制造，加工工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→局部表面淬火+低溫回火→磨削加工→零件。整體的調(diào)質(zhì)處理可使軸得到較高的綜合力學(xué)性能與疲勞強(qiáng)度，硬度可達(dá)220～250HBS，調(diào)質(zhì)后組織為回火索氏體。在軸頸和錐孔處進(jìn)行表面淬火與低溫回火處理后，硬度為52HRC，可以滿足局部高硬度與高耐磨性的要求。鍛鋼曲軸的工藝路線為：下料→鍛造→正火→矯直→粗加工→去應(yīng)力退火→調(diào)質(zhì)→半精加工→局部表面淬火+低溫回火→矯直→精磨→零件。鍛鋼曲軸所選材料主要是優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo等，一般在調(diào)質(zhì)或正火后采用中頻感應(yīng)淬火對(duì)軸頸進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。鑄造曲軸的工藝路線為：鑄造→高溫正火→高溫回火→矯直→切削加工→去應(yīng)力退火→軸頸氣體滲氮(或氮碳共滲)→矯直→精加工→零件。球墨鑄鐵也是曲軸常用的材料，在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用很廣泛。曲軸用球墨鑄鐵有QT600?2、QT700?2、QT900?2等。11.3.3炮管類零件⑴炮身管的工作條件炮身管的工作條件：炮身管是發(fā)射彈丸的主要部件，本質(zhì)上，身管為一個(gè)管狀壓力容器，它的尾端封閉(無(wú)后座力炮例外)而炮口敞開。在發(fā)射時(shí)，彈丸自身的密封結(jié)構(gòu)──彈帶與炮身管的緊密閉合形成一個(gè)密閉空腔，火藥在空腔內(nèi)爆炸產(chǎn)生很大的壓力而推動(dòng)彈丸高速飛出。失效形式：身管在工作時(shí)受著火藥氣體壓力和彈丸機(jī)械力的作用、熱的作用和化學(xué)作用，因而受到燒蝕。此外，還有金屬的塑性流動(dòng)或變形以及產(chǎn)生裂紋和斷裂。⑵性能要求身管的工作條件十分嚴(yán)酷。所以，身管材料必須具備優(yōu)良的性能。應(yīng)有好的耐熱性，即使膛面溫度高達(dá)1093℃左右也能抵抗火藥氣體的燒蝕作用，耐急冷急熱能力高，膨脹系數(shù)小，這樣不致內(nèi)膛表面鍍層(涂層)脫落。應(yīng)具有好的化學(xué)穩(wěn)定性，高溫下與火藥氣體接觸時(shí)保持化學(xué)穩(wěn)定性，或者當(dāng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，能形成一層粘著的防護(hù)薄膜。良好的成形加工和熱處理工藝性能。但是，現(xiàn)有材料并不能完全滿足這些要求。實(shí)踐證明，采用襯管并進(jìn)行內(nèi)膛電鍍對(duì)提高身管的性能有明顯的效果。⑶身管用材身管材料用得較多的是合金鋼，它具有高強(qiáng)度、好的耐燒蝕性。為了提高身管壽命，可用耐燒蝕的材料做成襯管或采用表面鍍層工藝。11.3零件的選材及其熱成型工藝

對(duì)強(qiáng)度級(jí)別為P－75～P－80、壁厚小于80mm的身管，選用PCrNi1Mo。壁厚為80～120mm的身管，則選用PCrNi3Mo。壁厚≥120～160mm時(shí)，選