工程材料 第十四章 工程材料的选择与应用

第十四章工程材料的选用与开展§14.1失效分析§14.2选材原那么§14.3典型零件选材与工艺分析§14.4热处理零件的技术要求§14.1失效分析一、失效零件在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象。二、失效形式粘着磨损磨痕粘着磨损示意图§14.1失效分析磨粒磨损磨痕磨粒磨损示意图§14.1失效分析三、失效原因§14.1失效分析四、失效分析的根本步骤与方法〔一〕调查取证〔二〕整理分析〔三〕断口分析〔四〕成分组织性能的分析与测试〔五〕综合分析得出结论§14.1失效分析§14.2选材原那么一、使用性能选材原那么二、工艺性能选材原那么三、经济性能选材原那么四、材料的技术经济评价指标一、使用性能选材原那么〔一〕使用性能原那么§14.2选材原那么一、使用性能选材原那么§14.2选材原那么〔二〕按使用性能选材的具体方法与步骤1.分析零件的工作条件，确定其使用性能；2.进行失效分析，确定主要使用性能；3.将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体要求数值的要求。表14-4几种典型零件的工作条件、失效形式和主要力学性能§14.2选材原那么一、使用性能选材原那么一、使用性能选材原那么〔三〕按力学性能指标选材需注意的问题材料性能与零件的关系①材料的尺寸效应；②零件的结构形状对性能的影响；③零件的加工工艺对性能的影响。2.力学性能指标在选材中的应用意义3.材料强度与塑性、韧性的合理配合4.注意提高零件的结构效率§14.2选材原那么§14.2选材原那么一、使用性能选材原那么二、工艺性能选材原那么〔一〕金属材料的工艺性能1.铸造性能2.压力加工性能3.焊接性能4.热处理工艺性能5.机械加工性能〔二〕高分子材料的工艺性能〔三〕陶瓷材料的工艺性能§14.2选材原那么三、经济性能选材原那么〔一〕产品的价值分析〔二〕产品的总本钱分析〔三〕材料本钱分析§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标§14.2选材原那么四、材料的技术经济评价指标由表可知：对飞机机身而言，聚氨酯发泡塑料芯材的本钱虽低，但却无法满足机身夹层结构的功能要求(主要是力学性能)，此时应选本钱虽高、而功能更好的铝蜂窝芯材；冰箱壳体的价值选材结果与之正好相反。高速列车、城市轨道客车的车门夹层结构，其芯材选铝蜂窝和硬质聚氨酯发泡塑料均可，而后者更佳。§14.3典型零件选材与工艺分析一、工程材料的应用概况与评价二、齿轮类零件选材三、轴类零件选材四、刀具选材五、冷作模具选材二、齿轮类零件选材〔一〕齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求1.工作条件齿根部承受圈套的交变弯曲应力；齿面啮合并发生相对滑动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；因启动、抵挡或啮合不良，齿轮要承受一定的冲击力；有时还有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性能要求。§14.3典型零件选材与工艺分析2.

主要失效形式

断裂、齿面损伤、齿面腐蚀等。3.主要性能要求〔1〕齿轮材料应有高的弯曲极限，以防止轮齿的疲劳断裂。〔2〕齿轮材料应有足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防止齿面损伤。〔3〕齿轮材料应在足够的强韧性，以防冲出过载断裂。二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析齿轮轮齿的脆性断裂〔二〕常用齿轮材料二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析

1.金属材料

2.非金属材料〔二〕常用齿轮材料二、齿轮类零件选材1.金属材料〔1〕锻钢①低碳钢及低碳合金钢如20、20Cr2、0CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，其热处理工艺一般为：退火或正火渗碳后淬火+低温回火，可使齿轮具有外表高硬度、高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性，适合制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材②中碳钢及中碳合金钢如Q235、40、45、40Cr、40MnB等，其热处理工艺一般为正火或调质外表淬火+低温回火，可保证齿轮外表的硬度、疲劳极限和耐磨性，但齿面硬度不很高，心部韧性也不够高，其综合力学性能不如低碳渗碳钢，适合制造中低速、无猛烈冲击的齿轮。③中碳渗氮钢如40Cr、35CrMo、38CrMoAlA钢，经调质处理后进行渗氮，其力学性能优良、变形小，主要用于高精度、高速齿轮。§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材〔2〕铸钢如ZG270-500、ZG310-570、ZG40Cr等，由于力学性能比锻钢差，使用较少，适用于制造对性能要求不高、低速、尺寸较大、形状复杂的齿轮。〔3〕铸铁灰铸铁具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且本钱低，但强韧性欠佳，多用于制造一些低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮，如HT200、HT250、HT350等；球墨铸铁强韧性较好，可采用QT600-3、QT500–7代替局部铸钢齿轮。§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材〔4〕有色金属材料在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，在有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如H62、铝青铜，如QSn、硅青铜，如QSi3-1等。〔5〕粉末冶金材料§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材〔三〕典型齿轮选材实例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〕，也可选用中碳合金钢〔如40Cr、40MnB、40MnVB〕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。外表采用外表淬火+低温回火，硬度可达52HRC左右，提高了耐磨性。§14.3典型零件选材与工艺分析机床齿轮的简明加工工艺路线：下料─锻造─正火─粗加工─调质─精加工─高频淬火+低温回火─精磨二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析机床变速箱齿轮二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析2.汽车、拖拉机齿轮

此类动力车辆的齿轮工作条件比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮更是如此，它们受力较大，易过载，起动、制动及变速时受到频繁的强烈冲击，因此要求这类齿轮材料的耐磨性、疲劳性能、心部强度和韧性等性能要求都比机床齿轮高。通常选用合金渗碳钢〔20Cr、20CrMnB、20CrMnTi、20CrMnMo〕，经渗碳淬火+低温回火后使用。二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析我国多采用20CrMnTi制造汽车齿轮，其简明加工工艺路线：下料─锻造─正火─切削加工─渗碳、淬火+低温回火─喷丸─磨削加工汽车后桥齿轮

二、齿轮类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析三、轴类零件选材〔一〕轴的工作条件主要失效形式与性能要求1.工作条件受交变的弯曲载荷、扭转载荷或拉—压载荷；轴与轴相对运动外表发生摩擦；因机器开—停、过载等，轴还要承受一定的冲击载荷。2.主要失效形式断裂、磨损、过量变形3.主要性能要求高的疲劳极限；优良的综合力学性能；局部承受摩擦的局部应具有较高的硬度和耐磨性。§14.3典型零件选材与工艺分析〔二〕常用轴类零件的材料三、轴类零件选材1.锻钢锻造成形的优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体。35、40、45、50等碳钢具有较高的综合力学性能且价廉，应用广泛Q235、Q255、Q275等普通碳钢用于受力不大或不重要的轴，可进一步降低本钱40Cr、40MnVB等合金调质钢具有良好的综合力学性能，适用于制造受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴。§14.3典型零件选材与工艺分析三、轴类零件选材〔1〕对精度要求极高的轴要采用专用氮化钢〔如38CrMoAlA〕制造中碳钢热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能〔强韧性〕，然后对易磨损的相对运动部位进行外表强化处理〔外表淬火、渗氮或外表滚压、形变强化等〕。〔2〕当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢〔如20Cr、20CrMnTi〕渗碳制造。〔3〕当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，宜用高碳钢〔如GCr15、9Mn2V〕制造。§14.3典型零件选材与工艺分析〔二〕常用轴类零件的材料三、轴类零件选材2.铸钢对形状极复杂、尺寸较大的轴可采用铸钢来制造，如ZG230–450。3.铸铁因大多数轴很很少以冲击过载而断裂失效，故近几十年来越来越多地采用球墨铸铁〔如QT700-2〕和高强度灰铸铁〔如HT350、KTZ550–06〕来代替钢作轴的材料。§14.3典型零件选材与工艺分析〔三〕典型轴选材实例三、轴类零件选材直结式高速主轴§14.3典型零件选材与工艺分析三、轴类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析C620车床主轴简图三、轴类零件选材轴类零件选材，应注意以下几点：〔1〕以刚度为主要要求的、轻载的非重要轴，为降低本钱，可选用碳钢、铸铁、甚至普通质量碳钢。〔2〕以耐磨性为主要要求的轴，可选碳含量较高的钢〔如65Mn、9Mn2V〕或低碳钢渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，那么应选38CrMoAlA渗氮制造。〔3〕主要受弯曲或扭转载荷的轴，其应力分布具有外表较大、心部较小的特点，故无需选淬透性大的钢种，一般为45、40Cr钢即可；而对受拉—压载荷的轴，特别是当其尺寸较大、形状较复杂时，那么应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。〔4〕主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。§14.3典型零件选材与工艺分析三、轴类零件选材以机床主轴选材为例：〔1〕车床主轴可选用45钢或40Cr钢，其简明加工工艺路线为：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。

〔2〕假设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、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性时那么可选用38CrMoAlA钢经渗氮处理制造。§14.3典型零件选材与工艺分析三、轴类零件选材§14.3典型零件选材与工艺分析四、刀具选材§14.3典型零件选材与工艺分析四、刀具选材§14.3典型零件选材与工艺分析

板锉是用于锉削其他金属的工具。其外表刃部要求有高的硬度〔64～67HRC〕,柄部要求硬度<35HRC。

四、刀具选材§14.3典型零件选材与工艺分析T12钢：热轧钢板〔带〕下料—锻〔轧〕柄部—球化退火—机加工〔刨、磨和剁齿,使锉刀成形〕—淬火—低温回火。淬火时用融盐加热或在保护气氛炉中加热,防止外表脱碳和氧化；水冷。锉刀柄部硬度要求较低,在淬火时先将齿部放在水中冷却,待柄部颜色变成暗红色时才全部浸入水中。当锉刀冷却到150～200℃时,提出水面。假设锉刀有弯曲变形,用木锤校直。

五、石油化工设备选材§14.3典型零件选材与工艺分析一、热处理技术条件及其标注§14.4热处理零件的技术要求零件热处理技术条件包括经热处理后应得到的组织、使用性能、加工工艺性能以及精度等要求，应标注在零件图样上。标注内容一般有：材料、热处理的名称及热处理后的硬度要求。〔1〕对要求高的重要零件，如曲轴、连杆和齿轮等，还需注明热处理后的强度、硬度、塑性和韧性等指标，有时还应定出对金相组织的要求；〔2〕对气缸套、活塞环等零件，还应注明化学成分、硬度、金相组织等级；〔3〕外表淬火零件应标明淬硬层的硬度、深度和淬火部位，有时还要提出对金相显微组织和变形的要求；〔4〕渗碳零件应标明渗碳淬火及回火后的表层和心部的硬度、渗碳的部位〔全部和局部〕以及渗碳层深度等，对重要的渗碳件还应提出对金相组织的要求。一、热处理技术条件及其标注§14.4热处理零件的技术要求

标定的硬度值应允许有一个波动范围。一般布氏硬度范围在30～40单位，如调质220～250HBW；洛氏硬度范围在5单位左右，如淬火回火50～55HRC。

在图样上标注热处理技术条件时，可用文字对热处理技术条件加以扼要的说明，也可按国标(GB/T12603—1990)规定的热处理工艺代号标注。一、热处理技术条件及其标注§14.4热处理零件的技术要求对于整体热处理，技术条件一般标注在图纸标题栏上方〔也可标注在下方〕。对于局部热处理，需热处理的部位一般用细实线限定，并且把热处理技术条件标注在由热处理部位引出的细实线上，或在技术要求中注明热处理技术条件。零件的热处理技术条件除根据整个机械结构的要求和零件性能要求来提出外，还应考虑材料的性能、热处理的工艺性和实际的生产条件等，以确保到达设计的技术要求。一、热处理技术条件及其标注§14.4热处理零件的技术要求二、热处理工艺位置的安排§14.4热处理零件的技术要求零件在加工过程中所经历的各种冷、热加工工序的先后次序称为工艺路线。工程上一般按以下原那么确定热处理工艺位置。1.预备热处理的工序位置如前所述，根据热处理工序在加工过程中的作用不同，可分为预备热处理和最终热处理两大类，除零件图纸上无技术要求的不重要的铸、锻、焊件可以不进行预备处理外，较重要的中碳结构钢锻件和合金钢锻件均须进行预备热处理。二、热处理工艺位置的安排§14.4热处理零件的技术要求〔1〕退火和正火的工序位置退火和正火通常作为预备热处理而安排在毛坯生产之后，切削加工之前。退火、正火件的工艺路线一般为：毛坯生产(铸、锻、焊、冲压等)→退火或正火→切削加工……精密零件，为了消除切削加工引起的剩余内应力，应在切削加工工序之间安排去应力退火；对于过共析钢，假设金相组织中有比较完整的网状二次渗碳体，那么在球化退火前，必须进行正火，以消除网状渗碳体。加工余量很大的铸锻件，有条件者可在粗加工后进行预备热处理。二、热处理工艺位置的安排§14.4热处理零件的技术要求〔2〕调质的工序位置为了提高零件的综合力学性能，或为以后的外表淬火和易变形的精密零件的整体淬火作好组织准备时，可以调质作为预备热处理。为防止外表的调质层在粗加工中大量被切除掉，调质工艺一般安排在粗加工之后，精加工或半精加工之前，与作为最终热处理的调质工序的安排根本相同。零件硬度小于300HBW、钢的淬