大工材料课件第章

8.1零件的失效分析

8.2选材的原则、方法和步骤

8.3典型零件的选材

第8章工程材料的选用

第1页，共30页。8.1零件的失效分析8.1.1失效的概念机械零件丧失正常的工作能力称为失效，具体表现为：①完全破坏不能工作②虽然能工作但达不到预定的功能或不能保证工作精度③损坏不严重但继续工作不安全。上述情况中任何一种发生，都认为零件已失效。例如，齿轮在工作过程中磨损而不能正常啮合及传递动力、主轴在工作过程中变形而失去精度等均属于失效。8.1.2零件的失效形式1.过量变形失效过量变形失效是指零件变形量超过允许范围而造成的失效。过量变形失效主要有过量弹性变形、过量塑性变形、蠕变变形而造成的失效。

2.断裂失效断裂失效是指零件完全断裂而无法工作的失效。断裂形式主要有塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等。3.表面损伤失效是指零件在工作中，因机械或化学作用，使其表面损伤而造成的失效。表面损伤失效主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效（疲劳点）。实际上零件的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化，失效形式可从一种形式转变为另一种形式，或者是几种失效形式同时存在。如齿轮的失效，往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等。第2页，共30页。8.1.3零件失效的原因1.设计因素零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。零件的局部结构、形状和尺寸设计不合理，存在尖角、尖锐缺口和过小的过渡圆角等缺陷，往往是产生应力集中的重要原因。另外，对零件的实际工作条件（零件工作时所处的温度及介质等环境的变化等）估计不足，使得零件在工作中安全系数较低，抗过载能力过低。

2.材料因素材料的成分与设计要求不符，选用的材料质量差，内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良组织等各种冶金缺陷，使得零件达不到应有的性能指标；生产中管理不严，造成混料或错料，也是造成产品失效的重要原因。

3.加工工艺因素零件或毛坯在冷加工或热加工过程中，由于工艺方法、工艺参数不正确等，使零件产生各种各样的缺陷，最终导致零件的失效。如零件在机械加工过程中，表面粗糙度值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较高的残余应力或裂纹；铸件中有气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造温度过高产生的过热、过烧，温度过低因材料塑性下降而产生的开裂；钢中含硫量过多，出现的热脆；锻造流线分布不合理等都会造成零件的失效。第3页，共30页。

4.安装使用因素机器在装配和安装过程中，由于装配过紧、过松，或者机器安装时固定不紧、润滑不良等都可造成失效；在使用过程中，操作、维护、保养不当或违规使用，均有可能使零件失效。8.1.4失效分析的一般方法

正确的失效分析，是找出零件失效原因，解决零件失效问题的基础环节。机械零件的失效分析是一项综合性的技术工作，大致有如下几种方法。1尽量仔细地收集失效零件的残骸，拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。2详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。3对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。4对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷等等，全面收集各种必要的数据。5必要时进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。6综合各方面分析资料，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。

第4页，共30页。8.2选材的原则、方法和步骤在零件的设计过程中，设计人员不仅要根据零件的工作条件和性能要求，设计零件的形状和结构，还要分析零件可能的失效形式，选择合适的材料。在选择零件的材料时，除了要满足零件的使用性能要求外，还应统筹兼顾材料的加工工艺、制造成本等。8.2.1选材的原则

1.充分考虑材料的使用性在进行零件选材时，应根据零件的工作条件和失效形式确定材料应具有的主要性能指标，这是保证零件安全可靠、经久耐用的先决条件。零件的工作条件主要指：（1）受力情况包括受力形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转等）、载荷性质（静载、循环变载、冲击、载荷分布等）、受摩擦情况等；（2）工作环境如工作温度、环境介质的性质，是否有腐蚀性等；（3）特殊性能要求如导电、导热，以及密度、外观、色泽等。若材料性能不能满足零件工作条件时，零件就不能正常工作或早期失效。一般零件的使用性能主要是指材料的力学性能。零件工作条件不同、失效形式不同，其力学性能指标要求也不同。在工程设计中，材料的力学性能数据一般是以该材料制成的试样进行力学性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与零件实际工作条件有差异，因而严格说来，材料力学性能数据仍不能确切地反映机械零件第5页，共30页。承受载荷的实际能力，因此，在应用性能指标时，必须结合零件的实际条件加以修正，必要时可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。在生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检查硬度。但应明确指出，这种方法也有很大的局限性。所以，设计中在给出硬度值的同时，还必须对热处理工艺做出明确的规定。对高分子材料，还应考虑在使用时，温度、光、氧、水、油等周围环境对其性能的影响。

2.必须兼顾材料的工艺性工艺性是指材料能否保证顺利地加工制造成零件。例如，某些材料仅从零件的使用要求来考虑是合适的，但无法加工制造，或加工困难，制造成本高，这些均属于选材不合理。应该注意，当材料的工艺性能和力学性能相矛盾时，有时正是从工艺性能的考虑使得某些力学性能合格的材料不得不放弃，这一点对大批量生产的零件尤为重要。3.注重材料的经济性经济性是指所选用的材料加工成零件后能否做到价格便宜，成本低廉。在满足前面两条原则的前提下，应尽量降低零件的总成本，以提高经济效益。零件总成本包括材料本身价格、加工费、管理费、运输费和安装费等。第6页，共30页。

碳钢、铸铁价格较低，加工方便，在满足使用性能前提下，应尽量选用。低合金高强度结构钢价格低于合金钢，有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高，应尽量少用。生产中，应尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削加工等措施，以降低加工费用。对于某些重要、精密、加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，选材时不能单纯考虑材料本身价格，而应注意制件质量和使用寿命。此时，采用价格较高的合金钢或硬质合金代替碳钢，从长远观点看，因其使用寿命长、维修保养费用少，总成本反而会降低。8.2.2选材的方法和步骤

1.选材的方法大多数零件是在多种应力作用下工作的，而每个零件的受力情况又因其工作条件的不同而不同。因此，应根据零件的工作条件，找出最主要的性能要求，作为选材的主要依据。（1）以综合力学性能为主时的选材承受冲击力和循环载荷的零件，如连杆、锤杆、锻模等，其性能要求主要是综合力学性能要好（、、AK、HBS较高），根据零件的受力和尺寸大小，常选用中碳钢或中碳合金钢，并进行调质或正火处理。第7页，共30页。(2)以疲劳强度为主时的选材疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是由疲劳破坏引起的。这类零件的选材，应主要考虑疲劳强度。（3）以磨损为主时的选材磨损较大，受力较小的零件和各种量具，如钻套、顶尖等，可选用高碳钢或高碳合金钢进行淬火和低温回火；受磨损和交变应力的零件，应选用能进行表面淬火或渗碳、渗氮等的钢材。例如机床中重要的齿轮和主轴，应选用中碳钢或中碳合金钢，经正火或调质后再进行表面淬火，获得较好的综合力学性能；对于承受大冲击力和要求耐磨性高的汽车、拖拉机变速齿轮，应选用低碳钢经渗碳后淬火、低温回火；要求硬度、耐磨性更高以及热处理变形小的精密零件，如高精度磨床主轴及镗床主轴等，常选用氮化用钢进行渗氮处理。2.选材的步骤（1）分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求（使用性能和工艺性能）。一般，主要考虑力学性能，特殊情况应考虑物理、化学性能；（2）对同类零件的用材情况进行调查研究，从使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考；（3）从确定的零件性能要求中，找出最关键的性能要求，然后通过力学计算或试验等方法，确定零件应具有的力学性能指标或理化性能指标；第8页，共30页。(4)合理选择材料。所选材料除应满足零件的使用性能和工艺性能要求外，还要能适应高效加工和组织现代化生产；（5）确定热处理方法或其他强化方法；（6）审核所选材料的经济性（包括材料费、加工费、使用寿命等）；（7）关键零件投产前应对所选材料进行试验，以验证所选材料与热处理方法能否达到各项性能指标要求，冷热加工有无困难等。当试验结果基本满意后，可小批投产。对于不重要零件或某些单件、小批生产的非标准设备以及维修中所用的材料，若对材料选用和热处理都有成熟资料和经验时，可不进行试验和试制。8.3典型零件的选材金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料是目前最主要的机械工程材料。它们性能各异，应用范围也不同。陶瓷材料是重要的工具材料和耐高温材料，有较好的绝缘性能，目前在航空工业、国防尖端产品中占有重要的地位，但陶瓷材料几乎没有塑性，脆性极大，目前不适合制作重要的受力构件。高分子材料由于存在强度和刚度较低，易老化等缺点，只能制造一些轻载齿轮、壳体、密封圈等零件，在工程上还不能制作承载较大的结构零件。复合材料虽然具有很好的性能，但价格昂贵，在一般工业中应用有限。金属材料具有优良的综合力学性能和某些物理、化学性能，且可以通过不同的工艺来调整其性能，所以金属材料特别是钢铁材料，目前仍然是机械工业中最主要的结构材料。第9页，共30页。8.3.1齿轮类零件1.齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求（1）齿轮的工作条件齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，它主要用于传递动力和运动，改变速度和方向。由于传递扭矩，齿轮的根部受交变弯曲应力；齿面相互接触产生相对滚动与滑动，承受大的接触应力并产生强烈的摩擦；在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷；加工、安装不当或齿轮轴变形等引起齿面接触不良；外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入使工作条件恶化。因此，齿轮的工作条件和受力情况是较复杂的。（2）齿轮的主要失效形式齿轮主要失效形式是断齿、齿面剥落、磨损及过量塑性变形等。（3）齿轮对材料性能的要求根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备：良好的切削加工性能和热处理性能；高的接触疲劳强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；高的齿面硬度和耐磨性；适当的心部强度和足够的韧性；淬火变形小及组织内部缺陷在允许的范围内等。2.齿轮类零件常用材料及选用齿轮的选材主要依据工作条件（如圆周速度、载荷性质与大小以及精度要求等）来确定。（1）低、中碳钢或低、中碳合金钢根据齿轮的性能要求，齿轮常用材料可选用低、中碳钢或低、中碳合金钢，并对轮齿表面进行强化处理，使轮第10页，共30页。齿表面有较高强度和硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较便宜。（2）非铁金属及非金属材料承受载荷较轻，速度较小的齿轮，还常选用非铁金属材料，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等；随着高分子材料性能的不断完善，工程塑料制造的齿轮也在越来越多的场合得到应用。

（3）铸铁材料对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿轮，常采用灰铸铁并适当热处理。近年来球墨铸铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。3.应用举例实例1：如图8-1所示为一载重为8吨的载重汽车变速箱齿轮，通过它来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比。（1）工作条件及性能要求使用中齿轮受一定冲击，负载较重，轮齿表面要求耐磨。为防止在冲击力的作用下轮齿折断，要求齿轮心部有高的强度和韧性。其热处理技术条件是：轮齿表层碳的质量分数wC＝0.80%～1.05%，齿面硬度为58～63HRC，齿心部硬度为33～45HRC，心部强度≥1000MPa，≥440MPa，aK≥95J·cm－2

。（2）材料选择若选调质钢45，40Cr淬火，均不能满足使用要求（表面硬度只能达50～56HRC）；38CrMoAl为氮化钢，氮化层较薄，适合应用于转速高，压力小，不受冲击的使用条件，不适合做此汽车齿轮；合金渗碳钢20Cr第11页，共30页。图8-1汽车变速箱齿轮第12页，共30页。经渗碳淬火虽然表面能达到力学性能要求，材料来源也比较充足，成本也较低，但是淬透性低，易过热，淬火变形开裂倾向较大，仍不能满足使用要求；合金渗碳钢20CrMnTi经渗碳热处理后，齿面可获得高硬度（58～63HRC），高耐磨性，并且该钢含有Cr、Mn元素，具有较高的淬透性，油淬后可保证轮齿心部获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，同时含有Ti，不易过热，渗碳后仍保持细晶粒，可直接淬火，变形较小，另外，20CrMnTi钢的渗碳速度较快，表面碳的质量分数适中，过渡层平缓，渗碳处理后，具有较高的疲劳强度，故可满足使用要求。因此该载货汽车变速箱齿轮选用20CrMnTi钢制造比较适宜。（3）加工工艺路线加工工艺路线为：下料→齿坯锻造→正火（950～970℃空冷）→机加工→渗碳（920～950℃渗碳6～8h）→预冷淬火（预冷至870～880℃油冷）→低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。（4）热处理工序的作用①正火均匀组织、细化晶粒、为以后的热处理作组织准备；消除锻造应力，调整硬度，改善切削加工性。②渗碳提高轮齿表层碳的质量分数，保证渗碳层的深度。③淬火、低温回火淬火是使齿面达到所要求的高硬度和高耐磨性，而心部具有较高的强度和足够的韧性；低温回火是为了消除淬火应力及减少脆性。此外，喷丸可增大渗层表面的压应力，提高疲劳强度，消除氧化皮。第13页，共30页。实例2：普通车床中的变速箱齿轮（1）工作条件及性能要求普通车床中的变速箱齿轮，是主传动系统中传递动力的齿轮，工作中转速较高，齿表面要求有较高的硬度51～56HRC，以保证耐磨性，同时还要求有一定的强度和心部硬度及韧性。（2）材料选择同汽车、拖拉机变速齿轮相比，一般机床齿轮工作时相对比较平稳，承受冲击负荷很小，传递的动力也不很大。齿表面硬度要求51～56HRC，不需要采用化学热处理（如渗碳），整体的强度、韧性由调质可以达到。因此，选用淬透性适当的调质钢经调质处理后，再经高频表面淬火和低温回火即可达到要求。所以选用45钢制造，较为合适。（3）加工工艺路线下料→锻造→正火（840℃～860℃空冷）→机加工→调质（840℃～860℃水淬，500℃～550℃回火）→精加工→高频表面淬火（880℃～900℃水冷）→低温回火（200℃回火）→精磨。（4）热处理工序的作用正火消除锻造过程中产生的应力，均匀组织、调整硬度，改善齿轮表面的加工质量，细化晶粒，为高频淬火做组织准备。调质提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮具有较高的综合力学性能，以提高齿轮抗弯曲载荷和交变载荷的能力。高频淬火和低温回火高频淬火可以提高齿轮表面的硬度（52HRC以上）和耐磨性，使齿轮的表面产生残余压应力，提高齿面的抗疲劳破坏的能力。低温回火，可以消除淬火应力。第14页，共30页。实例3：差速传动器的塑料齿轮（1）塑料齿轮的工作条件和性能要求用于升降装置、戏剧舞台等的塑料齿轮，如起到主动力的安全阻断、控制动力的作用变速齿轮中的齿轮。它主要起到传递扭矩、改变运动形式和变速的作用，这种齿轮要求材料具有较高的尺寸稳定性、高的耐疲劳和耐化学性能的温度可达到90C，并且质量轻、传动精度高。（2）材料选择和加工工艺根据该齿轮的工作条件和性能要求，选择乙缩醛比较合适。采用二次注射成型法，通过在轮轴和轮齿之间设计一个弹性体的方法，使齿轮运行起来更安静，在齿轮突然停止运转时，能够较好的吸收振动，避免轮齿损坏。塑料制造的齿轮不需要二次加工，所以相对于冲压件和机造件金属齿轮，在成本上保证了50%到90%水平的降低。塑料齿轮比金属齿轮轻、惰性好，可用在金属齿轮易腐蚀、退化的环境中。如果要想进一步提高乙缩醛的性能还可以加入填充物。如填充25%的短玻纤（2mm或更小）的填料后，它的拉伸强度在高温下增大2倍，硬度升3倍。使用长玻纤（10mm或者更小）填料可提高强度、抗蠕变能力、尺寸稳定性、韧性、硬度、磨损性能等以及其它的更多性能。因为可获得需要的硬度、良好的可控热膨胀性能，在大尺寸齿轮和结构应用领域，长玻纤增强材料正成为一种具有吸引力的备选材料。第15页，共30页。8.3.2轴类零件1.轴类零件工作条件、失效形式及性能要求（1）工作条件轴是机械中重要的零件之一，主要用于支承传动零件（如齿轮、凸轮等）、传递运动和动力。工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用，有时也承受拉压应力；轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷；多数轴在工作过程中，常常要承受一定的过载载荷。（2）失效方式长期交变载荷作用易导致疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；承受大载荷或冲击载荷会引起过量变形、断裂；长期承受较大的摩擦，轴颈及花键表面易出现过量磨损。（3）性能要求良好的综合力学性能，以防过载断裂、冲击断裂；高疲劳强度，降低应力集中敏感性，以防疲劳断裂；足够的刚度，以防工作过程中，轴发生过量弹性变形而降低加工精度；表面高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；特殊性能要求——如高温中工作的轴，抗蠕变性能要好；在腐蚀性介质中工作的轴，耐蚀性好等。2.轴类零件常用材料及选用轴类零件选材的主要依据是载荷的性质、大小及转速高低，精度和粗糙度要求，轴的尺寸大小以及有无冲击、轴承种类等。第16页，共30页。（1）主要承受弯曲、扭转的轴，如机床主轴、曲轴、汽轮机主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等。这类轴在载荷作用下，应力在轴的截面上分布是不均匀的，表面部位的应力值最大，愈往中心应力愈小，至心部达到最小。故不需要选用淬透性很高的材料，一般只需淬透轴半径的1/2～1/3即可。故常选45钢、40Cr钢、40MnB钢和45Mn2钢等，先经调质处理，后在轴颈处进行高、中频感应加热淬火及低温回火。（2）同时承受弯曲、扭转及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，整个截面上应力分布基本均匀，应选用淬透性较高的材料，常选用30CrMnSi钢、40MnB钢、40CrNiMo钢等。一般也是先调质处理，然后再高频感应加热淬火、低温回火。（3）主要要求刚性好的轴，可选用优质碳素结构钢等材料，如20钢、35钢、45钢经正火后使用。若还有一定耐磨性要求时，则选用45钢，正火后在轴颈处进行高频感应加热淬火、低温回火。对于受载较小或不太重要的轴，也常用Q235或Q275等碳素结构钢。（4）要求轴颈耐磨的轴，常选中碳钢高频感应加热淬火，将硬度提高到52HRC以上。（5）承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴，如汽车、拖拉机的变速轴等，可选低碳合金钢（18Cr2NiWA、20Cr、20CrMnTi等），经渗碳、淬火、低温回火处理。

第17页，共30页。（6）要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，且在热处理时变形量小，长期使用过程中尺寸稳定，如高精度磨床主轴，应选用渗氮钢38CrMoAlA，进行氮化处理，使表面硬度达到1100～1200HV（相当于69～72HRC），心部硬度230～280HBS。近年来在国内外，用球墨铸铁替代钢作内燃机曲轴的愈来愈多，第二代解放牌汽车Ｊ130汽车、东风及东风４型内燃机车的曲轴均用球墨铸铁（或合金球墨铸铁）制造，虽然球墨铸铁的塑、韧性远低于锻钢，但在一般发动机中对塑韧性要求并不太高；球墨铸铁的缺口敏感性小，实际球墨铸铁的疲劳强度并不明显低于锻钢，而且可通过表面强化（如滚压、喷丸、渗氮等）处理大大提高疲劳强度，效果优于锻钢，因而在性能上完全可替代非合金调质钢。我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧度好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点。3.应用举例实例1：如图8-2所示为一卧式车床主轴，其作用是支撑传动零件、传递运动和动力。

（1）工作条件及性能要求该轴在工作中主要承受扭转力和弯曲力的作用，且整个截面上受力不均，表面应力大、心部应力小，冲击力较小，运转较平稳；主轴大端内锥孔、外圆锥面工作时需经常与顶尖、卡盘有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动或碰撞。该主轴在滚动轴承中运转。所以整体要求具有良好的综合力学性能，硬度为220HBS~250HBS；锥孔与外圆锥面要求硬度为45HRC~50HRC；花键表面硬度为48HRC~53HRC。第18页，共30页。图8-2车床主轴第19页，共30页。（2）材料选择车床主轴属于中速、中等载荷的轴类零件，可选45经正火、调质处理，使其整体达到良好的综合力学性能和硬度的要求；锥孔与外圆锥面采用局部盐浴加热、水冷并低温回火；花键部分采用高频加热淬火、低温回火，均可达到硬度要求。（3）确定加工工艺下料→锻造→正火（850～870℃空冷）→粗加工→调质（840～860℃盐淬至150℃左右再空冷，550～570℃回火）→半精加工（花键除外）→局部淬火、回火（锥孔、外锥面830～850℃盐淬，220～250℃回火）→粗磨（外圆、外锥面、锥孔）→铣花键→花键高频感应淬火、回火（890～900℃高频感应加热，喷水冷却，180～200℃回火）→精磨（外圆、外锥面、锥孔）（4）热处理工序的作用①正火均匀组织、细化晶粒、为以后的热处理作组织准备；消除锻造应力，调整硬度，改善切削加工性。②调质处理获得回火索氏体组织，使主轴整体具有较好的综合力学性能，为表面淬火做好组织准备。③内锥孔、外锥体局部淬火、回火以及花键部分高频感应加热表面淬火、以得到高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，再经低温回火消除应力，防止磨削时产生裂纹，并保持高硬度和高耐磨性。

第20页，共30页。实例2：175A型农用内燃机曲轴选材如图8-3所示为175A型农用内燃机曲轴图8-3175A型柴油机曲轴简图第21页，共30页。（1）工作条件及性能要求内燃机曲轴由于受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力的作用，会造成曲轴的扭转、弯曲和振动，产生附加应力；同时曲轴颈部与轴承有滑动摩擦，会造成曲轴的疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此要求曲轴的材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。。

（2）曲轴材料曲轴的加工方法不同，所用的材料也不相同，锻造曲轴常用优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo钢等；铸造曲轴常用铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。

根据175A型农用内燃机曲轴的工作条件和性能要求应选QT700-2。（3）工艺路线铸造→高温正火（950℃~960℃风冷）→高温回火（500℃~550℃）→切削加工→轴颈气体渗氮（500℃~520℃炉冷等温渗氮或550℃~560℃炉冷二段渗氮）→精磨。（4）热处理工序的作用①高温正火：获得细的珠光体、少量的破碎的铁素体和弥散分布的游离碳化物，可以获得较高的强度和韧性。②高温回火：消除正火过程中产生的内应力，调整硬度，改善切削加工性。③渗氮：保证不改变组织及加工精度的前提下，使曲轴的轴颈表面得到高硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度和良好的耐腐蚀性。也可以采用对轴颈进行表面淬火和喷丸处理来提高其耐磨性和疲劳强度。

第22页，共30页。实例3日本五十铃公司中型载重汽车半轴（1）工作条件及性能要求半轴是汽车传动系统的一个重要组成部分，半轴是用来将差速器半轴齿轮输出的动力传给驱动轮或轮边减速器，是汽车的轴类零件中承受扭矩最大的零件，汽车半轴在工作时还承受反复弯曲以及一定的冲击载荷。要求半轴材料具有高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。（2）汽车半轴材料的选择汽车半轴通常选用调质钢制造。小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr,而、中重型汽车可采用40MnB、40CrNi、42CrMo或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。根据日本五十铃公司中型载重汽车半轴的工作条件和性能要求，选择42CrMo比较合适。（3）工艺路线

棒料切断→法兰、花键部分热轧成型（感应加热、镦锻机）→正火（870℃~890℃）→切削加工（整体）→调质（650℃~670℃预热，850℃~870℃油冷至200℃~250℃，然后460℃~480℃回火）→喷砂→打中心孔→校直→法兰和花键部分切削加工→感应加热淬火、回火（880℃~900℃感应加热150℃~180℃回火）→校直→磁力探伤→法兰部分加工。正火消除应力，均匀组织、调整硬度，细化晶粒，改善切削加工性。调质是为了提高半轴的强度和韧性，使半轴具有较高的综合力学性能。高频淬火和低温回火后轴类零件感应淬火后，表面层存在残余压应力，次表层和淬火区域边缘存在残余拉应力。第23页，共30页。8.3.3箱座类零件箱座类零件是机器的基础零件（机身、底座等），结构复杂、工作条件也相差较大，其作用是保证箱体内各零部件的正确相对位置，使运动零件能协调运转。当机器工作时，主要承受压应力、弯曲应力以及振动和冲击等。因此要求箱座类零件应具有足够的刚度和抗压强度以及良好的减振性。由于箱座类零件的工作条件不同，力学性能要求也不相同，因此所选的材料也不相同：1.受力很小，要求自重轻，工作条件好的箱座类零件，可选用工程塑料；如ABS用于制造仪表外壳2.受力不大，要求自重轻或导热性好的的箱座类零件，可选用铸造铝合金，并根据所选种类不同进行退火或固溶处理、时效；如ZL102用于制造水泵的壳体3.承受中等载荷、工作平稳的箱座类零件，可用灰铸铁HT150、HT200等；如HT200用于制造车床的床身，并在导轨处表面淬火以提高耐磨性4.承受载荷及冲击较大、形状简单、且单件、小批量生产的箱座类零件，可采用焊接结构，如选用焊接性能好的Q235、20、Q345等钢焊接而成；

5.要求强度、韧性较高的，或者是在高温、高压下工作的，应采用铸钢铸造而成。如变速箱的箱体用ZG200-400无论是铸造毛坯还是焊接毛坯，铸造或焊接后内部往往存在较大的内应力。为了避免在使用过程中发生变形失效，机械加工前通常要进行去应力人工时效或自然时效。

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8.3.4弹簧的选材弹簧按形状分主要有螺旋弹簧（压缩、拉伸、扭转弹簧）、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。1.弹簧的工作条件、失效形式及性能要求弹簧在工作的过程中承受压缩、拉伸、扭转等应力的作用，起缓冲、减振或复原用的弹簧还要承受交变应力和冲击载荷的作用。因此弹簧常见的失效形式有塑性变形、疲劳断裂和腐蚀断裂等。（弹簧材料的性能要求如教材P92所述）。2.弹簧的选材（1）弹簧钢根据生产特点的不同，分为两大类：①冷轧（拔）弹簧用材以盘条、钢丝或薄钢带(片)供应，用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧等。②热轧弹簧用材通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。（2）不锈钢0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti通过冷轧(拔)加工成带或丝材,制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。（3）黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜

具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件。第25页，共30页。

4.典型弹簧选材（1）汽车板簧①用途及性能要求用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强度。②材料轻型汽车选用65Mn、60Si2Mn钢制造；中型或重型汽车,板簧用50CrMn,55SiMnVB钢；重型汽车大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb钢制造。③工艺路线热轧钢带(板)冲裁下料→压力成型→淬火（850ºC～860ºC、60Si2Mn钢为870ºC)→中温回火（420ºC～500ºC）→喷丸强化

淬火加热、保温后采用油冷,淬火后组织为马氏体。

回火采用中温回火，组织为回火托氏体。屈服强度不低于1100MPa,硬度为42HRC～47HRC,冲击韧性为250KJ/m2～300KJ/m2，，并且具有较高的弹性和疲劳强度。（2）火车螺旋弹簧①用途及性能要求机车和车箱的缓冲和吸振,其使用条件和性能要求与汽车板簧相近。②材料50CrMn、55SiMnMoV③工艺路线热轧钢棒下料→两头制扁→热卷成形→淬火→中温