工程材料第十一章 零件选材

1、 在设计零件并进行选材时，应根据零件工作条件，找出零件材料在设计零件并进行选材时，应根据零件工作条件，找出零件材料所应具备的主要力学性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。所应具备的主要力学性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。一一 选用材料选用材料 的一般原则的一般原则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时应具备的力学性能、使用性能指零件在工作时应具备的力学性能、 物理性能和化学性能。物理性能和化学性能。 第十一章第十一章 材料的选用材料的选用(1) 零件受力情况零件受力情况 ： 载荷形式：拉、压、弯曲、扭转等。载荷形式：拉、压、弯曲、扭转等。 载荷性质：动、静、交

2、变、摩擦等。载荷性质：动、静、交变、摩擦等。 (2) 环境状况：环境状况： 工作温度、工作介质（润滑、剂腐蚀等）工作温度、工作介质（润滑、剂腐蚀等） (3) 特殊要求：特殊要求： 导电性、导热性、导磁性等。导电性、导热性、导磁性等。三要素：使用性能三要素：使用性能 工艺性能工艺性能 经济性能经济性能工作条件工作条件 找出零件材料所应具备的主要机械性能指标后，再结合零件的找出零件材料所应具备的主要机械性能指标后，再结合零件的 形状、尺寸、承受的载荷，计算零件中的应力，量化成具体数形状、尺寸、承受的载荷，计算零件中的应力，量化成具体数 值值 查手册确定材料。查手册确定材料。 例如：例如： 内燃机上

3、的连杆螺栓，整个截面上承受均匀的拉应力，内燃机上的连杆螺栓，整个截面上承受均匀的拉应力， 而且是周期性变动的。主要失效形式是：而且是周期性变动的。主要失效形式是： 塑性变形失效和疲劳断裂失效。塑性变形失效和疲劳断裂失效。 对材料性能要求对材料性能要求：b、s、-1 由于整个截面上受力均匀，淬透性要好。由于整个截面上受力均匀，淬透性要好。 材料的强度对金属的组织很敏感，材料的成分确定后，其性能材料的强度对金属的组织很敏感，材料的成分确定后，其性能还决定于组织，还必须明确材料的组织，即确定热处理工艺。还决定于组织，还必须明确材料的组织，即确定热处理工艺。 材料的工艺性能：材料的工艺性能： 从满足使

4、用性能要求的材料中按工艺性能进一步选取。从满足使用性能要求的材料中按工艺性能进一步选取。 铸件：共晶合金、近共晶合金。铸件：共晶合金、近共晶合金。 锻件：固溶体合金。锻件：固溶体合金。 焊接件：不能选铸铁。焊接件：不能选铸铁。 最适宜的材料是：低碳钢、低合金钢。最适宜的材料是：低碳钢、低合金钢。 铜合金、铝合金焊接性能不好。铜合金、铝合金焊接性能不好。 切削加工性的好坏对产品质量、生产率、成本有重要意义。切削加工性的好坏对产品质量、生产率、成本有重要意义。 为于切削加工，钢铁材料的硬度应在为于切削加工，钢铁材料的硬度应在140250HBS。 材料的化学成分确定后，可以通过热处理改善组织和机械性

5、能，材料的化学成分确定后，可以通过热处理改善组织和机械性能， 达到改善切削加工性能的目的。达到改善切削加工性能的目的。 3 经济性：经济性： 在满足零件性能要求的前提下，选材应使总成本尽可能低在满足零件性能要求的前提下，选材应使总成本尽可能低 （包括材料和加工费）。（包括材料和加工费）。（1）选材应考虑我国资源，尽可能选那些以）选材应考虑我国资源，尽可能选那些以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）应考虑国内生产和供应情况，品种不易过多。）应考虑国内生产和供应情况，品种不易过多。（3）考虑选用节省材料和加工成本

6、的工艺方法，如精铸和精锻等。）考虑选用节省材料和加工成本的工艺方法，如精铸和精锻等。 按以上思路选得材料是否合理应通过实践检验，如进行台架试验按以上思路选得材料是否合理应通过实践检验，如进行台架试验，装机试验等，找出零件失效形式并分析原因，为选材提供依据。装机试验等，找出零件失效形式并分析原因，为选材提供依据。零件失效：零件失效：零件完全破坏或严重损伤，或不能继续安全工作或不零件完全破坏或严重损伤，或不能继续安全工作或不 再能满足预定的作用。再能满足预定的作用。 失效形式：失效形式：1 变形失效：变形失效： 弹性变形失效：过量弹性变形，如镗刀杆，加工中产生过量弹弹性变形失效：过量弹性变形，如镗

7、刀杆，加工中产生过量弹 性变形，会使加工零件的尺寸精度达不到要求。性变形，会使加工零件的尺寸精度达不到要求。 塑性变形失效：产生过量塑性变形。压力容器的紧固螺栓，如塑性变形失效：产生过量塑性变形。压力容器的紧固螺栓，如 果拧得过紧或因过载，会使螺杆塑性伸长，致使果拧得过紧或因过载，会使螺杆塑性伸长，致使 配合松动、介质泄露、导致事故。配合松动、介质泄露、导致事故。2 断裂失效：断裂失效： 塑性断裂失效：断裂前有明显的塑性变形，塑性断裂失效：断裂前有明显的塑性变形，b低而低而、k 好好 的金属表现为塑性断裂失效。如试棒拉伸时缩的金属表现为塑性断裂失效。如试棒拉伸时缩 颈发生后断裂。颈发生后断裂。

8、 低应力脆断失效：断裂前，基本上不产生塑性变形，一般突然断低应力脆断失效：断裂前，基本上不产生塑性变形，一般突然断 裂，危害很大。如美国的自由轮、胜利轮。裂，危害很大。如美国的自由轮、胜利轮。 疲劳断裂失效：在交变应力作用下发生的断裂，是机器零件常见疲劳断裂失效：在交变应力作用下发生的断裂，是机器零件常见 的失效形式。断口有明显的特征，分三个区：发的失效形式。断口有明显的特征，分三个区：发 源区、扩展区、终断区。源区、扩展区、终断区。 蠕变失效：在高温紧固件中经常发生。即随时间的延长，变形不断蠕变失效：在高温紧固件中经常发生。即随时间的延长，变形不断 增加，最后由于变形过大或断裂而导致失效。增

9、加，最后由于变形过大或断裂而导致失效。3 表面损伤失效：表面损伤失效： 磨损失效：机件在接触状态下相互运动，会产生摩擦，引起磨损，磨损失效：机件在接触状态下相互运动，会产生摩擦，引起磨损， 导致零件尺寸变小而失效。如汽缸套和活塞环之间导致零件尺寸变小而失效。如汽缸套和活塞环之间， 因磨损失效使马力不足，油耗增加，噪音因磨损失效使马力不足，油耗增加，噪音、震动增强。震动增强。 表面疲劳失效：表面疲劳失效： 相互接触的两个运动表面（特别是滚动接触）在相互接触的两个运动表面（特别是滚动接触）在 工作过程中承受交变接触应力（齿轮）的作用，工作过程中承受交变接触应力（齿轮）的作用， 使表层材料发生疲劳破

10、坏而脱落，造成失效。使表层材料发生疲劳破坏而脱落，造成失效。腐蚀失效：由于化学或电化学腐蚀的作用。腐蚀失效：由于化学或电化学腐蚀的作用。 根据零件工作条件、失效形式，提出对材料主要使用性能的根据零件工作条件、失效形式，提出对材料主要使用性能的 要求，要求，选出相应材料。选出相应材料。例如：例如： 内燃机上的连杆螺栓，整个截面上承受均匀的拉应力，而且是周内燃机上的连杆螺栓，整个截面上承受均匀的拉应力，而且是周 期性变期性变 动的。主要失效形式是：塑性变形失效和疲劳断裂失效。要动的。主要失效形式是：塑性变形失效和疲劳断裂失效。要 求材料有高求材料有高b、s、-1。由于整个截面上受力均匀，淬透性要好

11、。由于整个截面上受力均匀，淬透性要好。 轴和齿轮工作条件、失效形式，主要机械性能指标的要求轴和齿轮工作条件、失效形式，主要机械性能指标的要求P205。二二 典型零件的选材与热处理典型零件的选材与热处理齿轮：齿轮：机床齿轮可选机床齿轮可选45钢，载荷大可选钢，载荷大可选40Cr。正火或调质。正火或调质。齿轮表面齿轮表面HB要求高：高频淬火低温回火要求高：高频淬火低温回火汽车变速箱齿轮可选汽车变速箱齿轮可选20CrMnTi。渗碳、淬火、低温回火。渗碳、淬火、低温回火。低速、低冲击、低应力可用低速、低冲击、低应力可用HT250。去应力退火。去应力退火。轴：轴：机床主轴大多用机床主轴大多用45钢，载荷

12、较大用钢，载荷较大用40Cr，调质处理。调质处理。内燃机曲轴可用内燃机曲轴可用40Cr或或QT600-2，调质处理。，调质处理。箱体：箱体：可选用可选用HT150、HT200，去应力退火。，去应力退火。工程材料工程材料复习要点复习要点一一 材料的力学性能（材料的力学性能（第一章第一章）二二 金属学基础知识（金属学基础知识（第二、三、四、五章）第二、三、四、五章）三三 钢的热处理（钢的热处理（第六章）第六章）四四 常用金属材料介绍（常用金属材料介绍（第七、八、九章第七、八、九章）第一章第一章 材料的力学性能材料的力学性能了解金属材料力学性能的概念，掌握常用力学性能的指标：强度指标： 弹性极限e

13、屈服极限s 0.2 强度极限b塑性指标： 伸长率、断面收缩率硬度指标：布氏硬度HB、洛氏硬度HRC冲击韧性：ak第二章第二章 金属的晶体结构金属的晶体结构常见金属晶格： 体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。晶面指数和晶向指数的确定：实际金属结构的晶格缺陷： 点缺陷、线缺陷和面缺陷。合金的结构： 固溶体、金属化合物、机械混合物。F、AFe3Cp第三章第三章 金属的结晶和二元合金相图金属的结晶和二元合金相图金属的结晶过程： 生核、长大。结晶温度： 平衡结晶温度、实际结晶温度、过冷度、冷却速度。结晶对金属组织和性能的影响：计算合金组织的杠杆定律。第四章第四章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变

14、形与再结晶塑性变形的变形方式： 滑移和孪生。塑性变形对金属组织和性能的影响：再结晶退火和再结晶温度： T再=0.4T熔（K）第五章第五章 铁碳合金相图铁碳合金相图纯铁的同素异晶转变：熟练掌握铁碳合金相图：用组织组成物填充相图中钢部分的各区域；能够准确地默画出铁碳合金相图；了解碳对钢组织和性能的影响；分析钢结晶时的组织转变情况；第六章第六章 钢的热处理钢的热处理普通热处理工艺及应用：共析钢C曲线的应用 。所得组织的性能。727650600550350230AA1PSTB上B下M +A残12341-退火，组织：P2-正火，组织：S3-等温淬火，组织：B下4-淬火，组织：M+A残回火： 低温回火中温回火 高温回火减小内应力，保持较高的硬度。弹性极限较高。综合性能好。钢钢碳素钢合金钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素工具钢高级优质工具钢结构钢工具钢特殊性能钢低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢合金工具钢合金模具钢 合金量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢Q235 小轴 螺栓45 齿轮 车床主轴T8 （木工工具） T12（丝锥钢锉） T12A (钢锉丝锥)16Mn（压力容器）20CrMnTi（汽车变速器齿轮）40Cr（机床主轴）60Si2Mn（大型弹簧）GCr15W18Cr4V（钻头）1Cr18Ni9Ti（医疗器械）1Cr13ZGMn13（球磨机衬板）正确选择热处理方法正确选