典型零件的选材及工程材料的应用1

1、机械零件设计主要内容包括:机械零件结构设计材料选用工艺设计经济指标第九章 典型零件的选材及工程材料的应用第一节 选材的一般原那么第二节 典型零件的选材及工艺路线设计第三节 工程材料的应用第一节 选材的一般原那么 选用材料应考虑的一般原那么是：使用性原那么 是保证零件完成规定功能的必要条件。使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。工艺性原那么 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。高分子材料的加工工艺简单,切削性好,但导热性差陶瓷材料的加工工艺简单,主要工艺是成型.金属材料的加工工艺复杂,变化多.其加工工艺路线大体可分为:1.性能要求不高的零件2.性能要求较高的零件3

2、.性能要求较高的精密零件 经济性原那么 是选材的重要原那么之一，一般包括材料的价格、零件的本钱与国家的资源等。第二节 典型零件的选材及工艺路线设计齿轮类零件轴类零件弹簧类零件传动轴一、齿轮类零件的选材1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。1工作时的受力情况1由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。3由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。2主要失效形式1疲劳断裂。 主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。2齿面磨损。3齿面接触疲劳破坏 。4过载断裂。3齿轮用材性

3、能要求1高的弯曲疲劳强度2高的接触疲劳强度和耐磨性3齿轮心部要有足够的强度和韧性2. 齿轮零件的选材3. 典型齿轮选材举例1机床齿轮机床传动齿轮工作时受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高，一般用中碳钢如45钢制造，经调质后心部有足够的强韧性，能承受较大的弯曲应力和冲击载荷。外表采用高频淬火强化，硬度可达52HRC左右，提高了耐磨性。下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火、低温回火精磨 20CrMnTi钢具有较高的力学性能，在渗碳、淬火、低温回火后，外表硬度的达5862HRC，心部硬度3045HRC。下料锻造正火切削加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工 2汽车齿轮工作条

4、件较机床齿轮差,尤其是主传动系统中的,受力较大,受冲击较频繁,对材料性能要求较高.二、轴类零件的选材1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求1一般轴的工作条件1传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。2轴颈承受较大的摩擦3承受一定的冲击载荷2主要失效形式1疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用2断裂失效 大载荷或冲击载荷作用3磨损失效 轴颈或花键处过度磨损3对轴用材料性能要求1良好的综合力学性能2高的疲劳强度3良好的耐磨性2. 轴类零件的选材不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴 主要考虑刚度和耐磨性,用碳钢或球墨铸铁(2) 主要受弯曲，扭转的轴如变速箱传动轴、发动机主轴等。选用中碳钢45或

5、40Cr 40MnB等；假设要求高精度、高的尺寸稳定性及耐磨性的轴，如磨床主轴，那么常选用38CrMoAl钢，进行调质及氮化处理。(3) 同时承受弯曲或扭转及拉，压载荷的轴 选用淬透性较高的钢种3. 典型轴选材举例1机床主轴选材以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理为调质处理；轴颈和椎孔进行外表淬火。工艺路线为：锻造- 正火-粗加工-调质-精加工-外表淬火及低温回火-磨削加工假

6、设这类机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢制造。当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，那么可采用合金渗碳钢制造，如20Cr或20CrMnTi等。 2内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原那么主要根据内燃机的类型、功率大小、转 速上下和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条 件、生产批量和热处理工艺及制造本钱。按制造工艺把曲轴分为锻钢曲轴和铸造曲轴两种。锻钢曲轴主要由优质碳钢和中碳合金钢制造，如35、40、35Mn2、40Cr、35CrMo钢等。铸造曲轴主要由铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁以及合金铸铁等制造，如ZG230450、QT7002、KTZ4505、KTZ5004等。 图是175A型农用柴油机曲

7、轴简图。性能要求b750Mpa，整体硬度在240260HBS，轴颈外表硬度625HV，2%，ak150kJ/m2。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。曲轴材料可选用QT7002，其工艺路线如下：铸造高温正火高温回火切削加工轮颈气体渗氮 三、弹簧类零件的选材1. 弹簧的工作条件、失效形式及性能要求1工作条件1弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力 或扭转应力。2缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用3某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用2主要失效形式1塑性变形2疲劳断裂3快速脆性断裂4在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使用的弹簧易出

8、现蠕变和应力松弛，产生永久变形。3对弹簧用材性能要求1高的弹性极限和屈强比s/b2高的疲劳强度3好的材质和外表质量4某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性2. 弹簧零件的选材弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。在实际生产中多项选择用弹性极限高的金属材料来制造。3. 典型弹簧选材举例1汽车板簧2火车螺旋弹簧1汽车板簧汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷，需要高的屈服强度和疲劳强度。中重型汽车板簧用50CrMn，55SiMnV钢；重型大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnVNb。其工艺路线为：热轧钢带板冲载下料-压力成型-淬火-中温回火-喷丸强化2火车螺旋弹簧火

9、车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震，其使用条件和性能与汽车板簧相近。其工艺路线为：热轧钢棒下料-两头制扁-热卷成型-淬火-中温回火-喷丸强化-端面磨平 其中淬火和回火工艺同汽车板簧。第三节 工程材料的应用一、汽车零件用材二、机床零件用材三、热能设备用材四、化工设备用材一、汽车零件用材汽车的结构：发动机底盘车身设备一、汽车零件用材1. 缸体和缸盖缸体材料必须满足以下要求：1有足够的强度和刚度，特别是有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定性。2良好的铸造性和切削性3价格低廉缸体常用的材料有灰铸铁和铝合金两种。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。2. 缸套气缸内壁的过

10、量磨损是造成发动机大修的主要原因之一，所以要选用耐磨材料。常用耐磨合金铸铁。3. 活塞、活塞销和活塞环活塞组活塞材料一般用20钢或20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外外表应进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足外外表硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。4. 连杆连杆是在很复杂的应力状态下工作的。一般采用45钢、40Cr或40MnB。1 小头与连杆的过渡区2 连杆中间3 大头与连杆的过渡区5. 气门气门在工作时，要承受较高的机械负荷和热负荷。应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo等；排气门可用4Cr10Si2Mo。6. 半轴半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以

11、及一定的冲击载荷。通常使用调质钢制造：40Cr、45钢、40CrNi、40MnB等。1 花键端2 花键与杆部相连部位3 凸缘于杆部相连部位7. 车身、纵梁、档板等冷冲压零件汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，主要是钢板冷轧钢板和热轧钢板。热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件，如保险杠、刹车盘、纵梁等。冷轧钢板主要用来制造一些形状复杂，受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件。如钢板08、20、25和16Mn等。8. 螺栓、铆钉等冷镦零件9. 汽车用塑料 1汽车内饰用塑料 2汽车用工程塑料 3汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料10.汽车用橡胶11.汽车用陶瓷材料 二、机床零件

12、用材常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、刀具等。1. 机身、底座用材首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。2. 齿轮用材HT150、HT200，HT250，HT300，Q235，Q255，20Cr，40Cr等等，根据不同用途选用不同材料。3. 轴类零件用材曲轴和主轴常用QT600-2、KTZ600-3,不重要或受力较小的轴可用Q235、Q255等，承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr。4. 螺纹联接件用材无特殊要求的螺纹常用Q235、Q255、Q275制造；中等载荷及精密螺纹常

13、用35钢、45钢；重载荷及极重要的螺纹用40Cr、40CrV。5. 螺旋传动件用材通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢；进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等。6. 蜗轮传动用材蜗轮用材：HT200、HT150、HT250等；蜗杆用材：15钢、20钢、15Cr、20Cr、45钢、40Cr，低速传动的蜗杆也可用Q275。7. 滑动轴承用材滑动轴承材料应具有优异的减磨性、耐磨性、抗胶合能力和足够的冲击韧性及抗压、疲劳强度。轴承材料可分为：1金属材料 包括巴士合金、铜基轴承合金和铸铁2粉末冶金材料 3塑料轴承材料4橡胶轴承8. 滚动轴承用材一般用GCr9、GCr15、GCR15

14、SiMn、GSiMnV等制造。9. 机床其它零件用材1凸轮用材 45钢2刀具用材 工具钢、高速钢和硬质合金钢3其它用材 灵活选用三、仪器仪表用用材仪器仪表用材包括结构钢、有色金属和工程塑料等多种，一般应具有良好的切削性能。1. 壳体材料1金属材料 Q195、Q235，1Cr13，1Cr13Ni9Ti2非金属材料 工程塑料、复合材料2. 轴类零件用材Q235、2A12LY12、2A11LY11、HMn58-2等。3. 凸轮用材中碳钢或中碳合金钢 45钢，40Cr4. 齿轮用材 仪器仪表中的齿轮用材广泛，有钢、铜、塑料、复合材料等。 5. 蜗轮、蜗杆用材 仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆。 四、热

15、能设备用材热能设备很多，主要包括锅炉、汽轮机、电机等。这些设备多在高温、高压和腐蚀介质作用下长期运行，对所用材料要求很高。(一)锅炉主要设备用钢1. 锅炉管道用钢1对管道用钢提出如下要求1足够高的蠕变极限和持久强度2高的抗氧化性和耐腐蚀性能3良好的组织稳定性4良好的工艺性能，特别是焊接性能要好2锅炉管道用钢的选择1壁温500的过热器管和壁温900 ，心部强度好，并有一定的韧性。问应选用什么材料？采用什么样的加工工艺路线？#pR)$yHdaqTjUewu3fYY8GaPfBFjChoPj*IgLXK1#6Hm8(OkIHacEillkoD1X5Ygme)PCAQlkV&Sq#o!FAUyOB3p

16、CO%k$Xe5DQNBmcctBC2*bGbSmP!Qc7v5(+YxTM4Gx8J7Ijbp(3Q7ggcbf!gcIyM7Ml!oFAtq%86%NytD+Xov#Dqi7YqG1M$Uu%nUorm#*ujpH%h46s7j0t()497#p0rm$gsy%PmIE2AhQ2izMaoaAm+E-lI3Y(N)OLlTaBAZ&J!#Vx*nUmKQ1S2(Gw6RlSK!FOYj!Z9z1NC*WrZ9d2VsQRemOriffk-yJp$nw8lzXZ9RN7Dw9UgHJL1MqvJ3p!Ds9dWWeEL#&N5OD$WT+rWj3v7pqgPrjvKz%xU!w7+R3k4d

17、#1VR9Q-d3KupW)%0I$g(OJe+gqI%v8i-AR&$KQ5Dr$)8yxvI$FSE68ABL93#&6klDzRZ2Yww1VmXncVzGBR7&Ak4iMWtYH5o!SR6N*Wuas&WP%9lvgPEB!K#s#yMMk0C)z%WqfH-2dpp9tXbvqhP-x(G%rE7J2G2yZUJR6M)X)yY%ks3eYIs&urLiYZLu#idInV13+LCCXqM1of7MirtgNKT$qejvw1*XxtDyA9viF4Vgy$KSwB8$nUQBjZ&7vKZ&KtSzbqQog&qSIPuqXLR9$kuHCrgqVd+hDgiDC3Zcfuu

18、oXbei9sp7($884zNyiIisp6t5pOeQ6hr%-SPBjuEyr8on$PVRONu!D*$AHunfA%HMhbu(Y4kH8CqRFReM)jLg6mxhqUq3PlOL$GXNkN0mPlap0e1F*exVm6gW*MatGR+s56E*m-YVUNuEuQF2ebyJPKmK&DVS+oQ2epULwwSiF&p&SH1ChKKFB2lO#HI+4FZl4)s&tWN+*kGD3afVWfz)3kkgBanVUGnE)5zTH5t2bqlm496)3zhQ75OhD&pgPINDg+#BoprhP2mfbB)UW4G220ZjMB&)In1nuO7bnvqiAo1

19、tdejuDV9uJC6mh2Yz*4n!9KYstCR%&S#mFEhKec2nv8yxIhP5bJ4TL9KhJoXSsK94RgGz53(hCe5UqvR8T(Qo(cL9o%Ke04D#g#VZ%uaHU8)vXZ-8lrQtBk25mMv9-5AqSR0BaVsX1!mgCa)%!UD5j2k*$4qO)7+EO85QbxR4-kjX$pmmd0IHqVI6b%5Noz0SNfiS+KYxwLmsxxa%I5pQ7kI4L#P6+K43Ot$nSDA&EvpAyz%bUprNrOJDOu3X4*+a2kQQn&%rp!PXk*n&9BC0t1Ni8+t)eu+ER6QTgkA8HP&

20、kJ72+qZa#WwoV%Od5cWBc5UdCuIP0*e5%Ydz3D#dN!xrkJfiKGl1*DB!Md9seYOTDqhbZe80gc%lIUNh7zzePp+E)9)pgz4YQLBfNWAOjbiyP%(SgjWPx0uWhMZPa53sCD-)VtT$CQW9!s)Y%LwI9O(12seMt*lrkC0&3s*8VRsSLSY%IH0uG%KquOytv)mpA%qwXjx)iZzMvm8x&BdSJv+Z+joyPgyaO)MsVnByMYBTnc%)2%l0p!Etj7J08GM2HVkB)b2S!CXcIJyfx!%fFwP02EW4flFg8yeftWAljAqn

21、SDJ%jL(tD2)uBm&u&zgfEbY%jXzcTf3eV%Ktc3*S2IDGPfvumoupu6cPAZEpVj3v69tdHfxWCozApfN-BKK)&V7q!zSaOc#dxmPOtQZLRSXlI%+J05&CtxXBA*b1B2cegAsvz*iQtoWsRT4$a5iA!ksss5ewxJVZJQuWMbhC5P(fZktp6s6rYpKh4bWZnbhzNrddx9j)lrl9+*5AmGt!6852tbIQqwEZ)+1p2w(qnEh6uyJC&z%!1N%(zqs-FdeRx66u7pJN0Kky0pikmUuIaLTEcu#J4XLjrg&-3Ww+#U2z

22、Kq2SmP)Lhc04INQ#nXBM!0pyU*alywBvzeXhJrVBMe84vGYZV!l3hFmp#x1Jr7V6!5GnlrATj5k0lk2LfXEBO1Y5Kwr54hJo4xl0H5yG1hlTSe+viyNMVjwmdTy8mex$#Ok3gNjCG72yom$J43#dHN)(Dnr6eBP$KyQ$W4jds-ylL)XTjx&(CXEz3LT7VX#D6uvxwuu6*INIkMUfjMpfnpyL6cU#cvBzxBShq5hUIKT$(YyR#E!%Syd-EpUVcncX9I1deDbZ*aFIny+RKosv5CE&HYd5murvf)L6j5ZRo9Lk

23、Y*nJGVclUsbq0z5su9S$Ps!9Z)sFklx7C%(DTtTZ0YAnY5DayoOQ7WSLAt1TggLNrIm4UrQL-Ubf1Mj$KGZzJnOWUMHKH49PRpR)9d!rZ2NHQ7Vc&tSRqBoslLp&!vHp6LJTDi%UU($MaIM(lt*xoufDk6kq*I(auhyq+sfv)t4aavs+8bBL#cIAJDDRxbBEaPQc085LhDQKfbEGn#mQhFMtPzL7TCm2F!Y55N+77useSyNtSP!c)P!Rd6A)hP72XslcY%&$2v+xjGbx96nvJlUD(W(R&3bx&Ozyk(j!H62H

24、g1wb2fvBOH&whNu!ixpv&1BmyoOR7#X*sji+zGehIjAM#dPDSxQLp!oYvhpKNa(0h(NC%EYWF+oou-1gNN4y!%5ngvKzEt9#bGNwnLHQ6D8$fDKfNJJBRHkHDhKg883ioQn1TlQHV0NAt3O(bKJT7+iQ+k8#3QSgeFg51+I$vnLA+cb3%Z(m0aVtuK-nZQ#oiYVs*pRkUKK1FoOx8f8Wet6d!SI68*H4%ACxRfLxuASGt164Ax5q-Z(!d7h#7YnzZ2YStNE&ZIAc-2#Q%cH+2yOIqp%aawLX#Nfn)1t2WKw9

25、HM$I$Y(s%sOCNkjN00L!qj7ODXYop32w%EB(x2Rb4YYnL1Jeya&8OtBl83f*-fPgUg0v3lSPEkThZVQf8$WA9NgGTWjdXQ&lRj!NRc3xAjZoWq77whGDgUs1E*tKn(8EhzTx-ekNJzJw59hA3Ee3-J$thpa24pNGTyv%cD*e39gKfwV-3r7&+3cbg6v8usoP!Q6Fr%F-S8CjO%+vo8M$O1QT1u#iBDjFrHmCJMRC6oj&avSgPjIO!3-9w)ulkexy*q720RBiFm2c46rpPgV0pAs8R01GN)3EyN6&2OULJ0oy

26、y+DhMAl6Qh2fGrC*BcXqPUyOrtPcQjP-z!RamC*vCaEz4kQO$dPiJIVq-61fMbV78oApTO4*8Ue(GcEdsV74QqXxYhpp%ZwnrS45XT8YQNJWJf4i+n8jDY49(41zFp&8NdDKuTGJ7qB#OrJCYXsd7I#sp(v(749ZxoSg0rF$c1A3aiaJgfUFPdQpE8E2&b2+shnduyCtwlXAjF1UWw$nvl1T5ig$b*aNxsspeXko!0TdWAkRsaV-#%Ua!ym3hLHyRRH7bulDbD8Vy0B&zhMPq4X-9jl-!B%57MiyWL7Dd6(4

27、Vc!M2nW#Rc2kU1gwSh+8MUC+k2ZGav5GKnTEw7kZgdH*qry13xVm-h1w%zc7zvnA3X#NBoQqkjUDDGFtvTkRESer5-UTWCkUDWFztDWsc6hQK46WmN1t(QXpr0c58dhpO82ve5UjLcMU#0$iZOTRP#h$ACUCoHxxvYBy+599gt&$qJ*D%DBjtIz*uM3QSy4FnLUH2+9twn9-&6CrOGq5*#UZi(y&Ws%h)McTY#HHLyz4Z68a*sM#WkKrv#yz1)q0We$YDPekYv-P6wUPD+B5jiB#j+%6XYlaiE(pMXOglYR*

28、nKbRA)GT10Nm&%qAJ3PFNf(Q*kHdbTPpWSQPP(5d4b)EsoZZEPhdJT101Jn&Tz!Qw!qkg8J9(e)n5hC#akkOD%Zz%l3SnVUds$RO-e53iSIxwNp2Nztu1teQIR-eCVFe48gO6g9yQi0cJs0LjXbS#ShiX44EU-3&zMr+BVEAugX93z6#sQu8Tsn#6ON5AwC%p2DZ9yrrP87ujH*&WLK6aywovd#ildxMQKk*8Hhaj7&HA9sk1sysf1&+o3e$gj9$Y0+Pqw4dg+Lcv%6$*0qCDtDaG#i+cg!bKBoGWW6yjJXD1a11$h6CTYyk9l2v5ITXdMdK*+TxMz0e2*RtX&ZO9inDKwr*v*p9uAJnzAUP