机械工程材料的合理选用

7机械工程材料的合理选用

RationalSelectionandApplication

ofMaterials7.3基本概念失效与失效分析；使用性能、工艺性能与经济性原则。图7T贯穿《机械工程材料》课程的纲本章讨论的重点之一就在于如虚线框内所示一一如何通过对机器零件进行工作条件分析，结合实际零件常见的失效形式以确定机器零件最关键的性能要求，作为正确选材、确定零件的成分等的依据。机械零件丧失其规定功能的现象称为失效。机械零件失效的主要形式可归纳为三大类，如图7-2所示。图7-2 机械零件失效的主要形式机械零件失效的原因大体可分为设计、原材料、各种加工工艺以及装配使用等四个方面，这正如图7-3所示。

图7-3图7-3导致机械零件失效的主要原因失效分析是一门边沿的、交叉的、综合性的新兴学科，它包括逻辑推理和实验研究两个方面。在实际应用中，应把它们结合起来，以确定机械零件失效的原因，并制定相应的补救和预防措施，以防同类事故的再次发生。这里主要谈及实验研究方面。失效的原因主要在设计、材料、工艺、安装使用等四个方面，所以失效分析中的实验研究也应该主要集中在这些方面。要充分利用各种宏观测试和微观观察手段，有系统、有步骤地分析失效零件中的变化，以便从蛛丝马迹中找到机械零件失效的真正根源。这正如图7-4所示的失效分析的基本环节示意图所示。ekA土专］ ekA土专］ | ■或］*口分折金萼折SSS图7-4 失效分析的基本环节示意图因此应足够重视零件失效及有关失效分析在材料选用中的重要地位，以养成在分析机械零件实际工作条件时结合零件常见失效形式，找出最主要的失效形式，从而为正确地确定零件最关键的性能要求奠定正确的思路。表7—几种零件（工具）工作条件、失效形式及要求的力学性能工作条件膊求的主H!力学性都ttfrrr*«官n过■史培、■帝♦，也显力拍环，冲近tt#4tIVm•切1四诳蜜职•,荤虻麝鼠.唉a -_尊金士学例It氏.■争力屋携摩tK・金茅靴为.心那JM•由建-翎惟*V*彳理MW骨麻.申击wnsN-用营比、技我胃度用作*耳播耶，冲的euntvar康*帜爵世度一中拉-金■着■幢降•蚩Et-Klft协—方、I4rtif整覆断鹭.略挨・麻摧tut皆株方、峻度、岬牲性DM胃部成力望一唆悚.矗很破劳瓦度，■灰、和击缺弥虬火、尊皆力十号理表7—1所示为某些典型机械零件的工作条件，常见失效形式及所要求的力学性能，供分析工作条件时参考。7.4.2结合所学知识，深入剖析典型零件的选材应结合铁碳合金相图、钢的热处理、常用金属材料（工业用钢、铸铁与有色金属合金）、常用非金属材料与复合材料等基本知识，重点、深入地剖析齿轮、轴等典型零件的选材。通过分析，应找出其一般规律，又要看到其特殊点.为了有利于学生学习，现将有关图表，汇集如下，供学习参考。表7—2所示是美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料.由表中统计结果可看出，疲劳断裂占失效齿轮总数的1/3以上，居首位；其次是表面损伤。总的讲来，断裂是齿轮失效的主要形式。表7-3、表7-4分别给出了机床齿轮、汽车拖拉机齿轮的用材及热处理情况，通过分析、对比可以看出：

机床类齿轮由于工作条件较好（无强烈冲击，工作平稳），大多可选调质钢（45、40Cr等）制造，经调质（或正火）处理十高频淬火、低温回火，这是一般规律.特例：当高速且承受冲击载荷较大时（如立式车床上的重要齿轮）宜选20CrMnTi（20Cr）等渗碳钢制造，经渗碳十淬火十低温回火处理。而对于汽车、拖拉机的变速齿轮，由于承载较重，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧度等，均要求比机床齿轮高，故一般均采用渗碳钢制造，经渗碳+淬火+低温回火处理，表层碳含量大大提高，保证淬火后高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳抗力，由于合金元素提高淬透性，所以经淬、回火后可使工件心部获得较高的强度和足够的冲击韧度。但其中对于如汽车、拖拉机的油泵齿轮等承载轻、受冲击小的场合，亦可选调质钢经调质处理使用（这是特例）。表7-2美国931个齿轮失效方式及原因的统计结果失效方式统计结果/%失效原因统计结果/%断裂，总计61.2使用不当，总计74.7疲劳断裂，轮齿32.8润滑不良11.0轮4.0安装不良21.2过载断裂，轮齿23.8过载38.9轮0.6其它3.6表面疲劳，总计20.3设计，总计6.9麻点7.2设计不合理2.8剥落6.8选材不当1.6麻点-剥落混合6.8热处理条件规定不当2.5磨损，总计13.2热处理，总计16.2磨粒磨损10.3淬火不良5.9粘着磨损2.9硬化层浅4.8心部硬度低2.0塑性变形，总计5.3硬化层太深1.8其它，总计1.4表7-3 工程塑料齿轮的选材与应用塑料品种性能特点适用范围

塑料品种性能特点适用范围尼龙6，尼龙66有较高的疲劳强度与耐振性，但吸湿性大在中等或较低载荷、中等温度（80C以下）和少无润滑条件下工作尼龙610，尼龙1010强度与耐热性略差但吸湿性较小，尺寸稳定性较好同上条件，可在湿度波动较大的情况下工作MC尼龙强度、刚度均较前两种高，耐磨性也较好适用于铸造大型齿轮及蜗轮等玻璃纤维增强尼龙强度、刚度、耐热性均优于未增强者，尺寸稳定性也显著提高在高载荷、高温下使用，传动效果好，速度较高时应用油润滑聚甲醛耐疲劳、刚度高于尼龙，吸湿性很小，耐磨性好，但成型收缩率大在中等轻载荷，中等温度（100C以下）无润滑条件下工作聚碳酸酯成型收缩率特小，精度高，但耐热疲劳强度较差，并有应力开裂倾向可大量生产，一次加工。当速度高时，应用油润滑玻璃纤维增强聚碳酸酯强度、刚度、耐热性可与增强尼龙媲美，尺寸稳定性超过增强尼龙，但耐磨性较差在较高载荷、较高温度下使用的精密齿轮。速度较高时用油润滑聚苯撑氧（PPO）较上述不增强者均优，成型精度高，耐蒸汽，但有应力开裂倾向适用于在高温水或蒸汽中工作的精密齿轮聚酰亚胺强度、耐热性高，成本也高在260C以下长期工作的齿轮表7-4 机床齿轮的用材及热处理序号 齿轮 钢种 工作条件 1 在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 15低速（V0.1m/s）低载荷下工作的不重 45要变速箱齿轮和挂轮架齿轮 低速（V1m/s）低载荷下工作的齿轮（如 45车床溜板上的齿轮） 4 中速、中载荷或大载荷下工作的齿轮 45（如车床变速箱中的次要齿轮）序号 齿轮 钢种 工作条件 1 在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 15低速（V0.1m/s）低载荷下工作的不重 45要变速箱齿轮和挂轮架齿轮 低速（V1m/s）低载荷下工作的齿轮（如 45车床溜板上的齿轮） 4 中速、中载荷或大载荷下工作的齿轮 45（如车床变速箱中的次要齿轮）5 速度较大或中等载荷下工作的齿轮，齿45部硬度较高（如钻床变速箱中次要齿轮）6高速、中等载荷，断面较大齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）45速度不大，中等载荷，断面较大的齿轮40Cr，45MnB，（如铣床工作面变速箱齿轮、立车齿 42SiMn，轮） 中等速度（2〜4m/s）、中等载荷下工 40Cr，作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮42SiMn9高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮40Cr，42SiMn热处理工艺渗碳直接淬火法或一次淬火法（780°C水淬、180°C回火）840C〜860C正火调质（820C〜840C水淬+500C〜550C回火）高频加热、水淬，300C〜340C回火高频加热、水淬，240C〜280C回火高频加热、水淬，180C〜200C回火硬度要求58〜63HRC156〜217HBS200〜250HBS45〜50HRC50〜55HRC54〜60HRC调质（840C〜860C油淬、200〜600C〜650C回火） 230HBS调质后高频加热、乳化液50〜55淬火，260C〜300C回火HRC调质后高频加热、乳化液54〜60淬火，180C〜200C回火HRC高速、中载荷、受冲击、模数V5齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床电动机齿轮）~高速、重载、受冲击、模数〉6齿轮（如立车上的重要齿轮）20Cr,20Mn2B20CrMnTi,高速、中载荷、受冲击、模数V5齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床电动机齿轮）~高速、重载、受冲击、模数〉6齿轮（如立车上的重要齿轮）20Cr,20Mn2B20CrMnTi,20SiMnVB渗碳、直接淬火，或一次58〜63淬火（810°C油淬、180°CHRC回火）高速、重载、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮在不高载荷下工作的大型齿轮38CrMoAlA,

38CrAl渗碳、直接淬火法（预冷至840C油淬、180C回火）正火或调质后510C〜550C氮化58〜63HRC850HV以上14 传动精度高、要求具有一定耐磨性的大齿轮50Mn2,65Mn35CrMo820C〜840C空冷 V241HBS860C空冷，600C〜650C255〜回火（热处理后精切齿形）302HBS表7-5、表7-6所示为轴类零件（机床主轴、曲轴等）的工作条件、用材及热处理情况。从中可以看出，为了兼顾轴类零件的强度和韧性，同时考虑其疲劳抗力，一般选用调质钢制造，采用调质十局部表面淬火、低温回火处理。特例：当承受重载，高速、且承受冲击载荷较大时可选用渗碳钢（如20CrMnTi等）经渗碳+淬火+低温回火处理；近年来在国内、外使用球墨铸铁代钢作汽车、拖拉机与农用柴油机曲轴的愈来愈多，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使用球墨铸铁（或合金球墨铸铁）制造，虽然球墨铸铁的塑、韧性远低于锻钢，但在一般发动机中当对塑韧性要求并不太高，而且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、喷丸等）处理大大提高其疲劳强度，其效果优于锻钢，因而在性能上完全可代替调质碳钢。表7-5汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理方法序号齿轮类型常用钢种热处理主要工序技术条件1汽车变速箱和分动箱齿轮20CrMnTi，20CrMo等渗碳齿面硬度：58〜64HRC心部硬度：29〜45HRC40Cr（浅层）碳氮共渗层深〉0.2mm齿面硬度：51〜61HRC2汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮20CrMnTi，20CrMo20CrMnTi，20CrMnMo渗碳渗碳层深按图纸要求，硬度同序号1中渗碳。齿面硬度及心部硬度同序号1中渗碳。

3汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮20CrMnTi，20CrMo，20CrMnMo渗碳同序号1中渗碳。4汽车起动机齿轮15Cr，20Cr，20CrMo，15CrMnMo，20CrMnTi，渗碳层深0.7〜1.1mm；表面硬度58〜63HRC，心部为33〜43HRC5拖拉机传动齿轮，动力传动装置中的圆柱齿轮，圆锥齿轮及轴齿轮20Cr，20CrMo，20CrMnMo，20CrMnTi，30CrMnTi渗碳硬度要求同序号1中渗碳。40Cr，45Cr（浅层）碳氮共渗同序号1中碳氮共渗。表7-6 机床主轴工作条件、用材及热处理序号工作条件热处理使用实例与滚动轴承配合轻、中载荷、转速低45正火200〜250HBS序号工作条件热处理使用实例与滚动轴承配合轻、中载荷、转速低45正火200〜250HBS热处理后有一定机械强度；精度要求不高一般简式精度要求不高机床精度要求不高机床4.记1.稍有冲击，疲劳忽略不调质与滚动轴承配合轻、中载荷，转速略高45整体淬火或局4.记1.稍有冲击，疲劳忽略不调质与滚动轴承配合轻、中载荷，转速略高45整体淬火或局部淬火40〜45有足够强度；轴颈及配件装拆处有一定硬度；不能承受冲击载荷龙门铣床、摇臂钻床、组合机床等精度要求不太高HRC精度要求不太高HRC冲击和疲劳可忽略不计与滑动轴承配合有冲击载荷与滚动轴承配合受中等载荷，转速较高精度要求较高冲击和疲劳较小与滑动轴承配合受中等载荷，转速较高较高的疲劳和冲击载荷45轴颈表面淬火52〜58整体淬火或局部淬火HRC42或52HRC40Cr轴颈及配件装冲击和疲劳可忽略不计与滑动轴承配合有冲击载荷与滚动轴承配合受中等载荷，转速较高精度要求较高冲击和疲劳较小与滑动轴承配合受中等载荷，转速较高较高的疲劳和冲击载荷45轴颈表面淬火52〜58整体淬火或局部淬火HRC42或52HRC40Cr轴颈及配件装拆处表面淬火N52N50HRC经正火有一定机械强度；轴颈高硬度有足够强度，轴颈和配件装拆处有一定硬度；冲击小，硬度取高值坯料经预先热处理后有一定机械强度；轴颈高耐磨性；配件装拆处有一定硬度C620车床主轴摇臂钻床、组合机床等车床主轴、磨床砂轮主轴精度要求较高6与滑动轴承配合中等载荷，转速很高精度要求很高38CrMoAlA调质+氮化250〜280HBS心部具很高强度；表面具高硬度与疲劳强度；氮化变形小高精度磨床及精密镗床主轴7与滑动轴承配合中等载荷，心部强度不高，转速高精度要求不高有一定冲击和疲劳20Cr渗碳+淬火+低温回火56〜62HRC心部强度不高，但有较高韧度；表面硬度高齿轮铣床主轴8与滑动轴承配合重载荷，转速高较大冲击和疲劳载荷20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火56〜62HRC较高的心部强度和冲击韧度；表面硬度高载荷较大的组合机床表7-7 几种曲轴用料与热处理工艺对比机型解放牌汽车东方红拖拉机东方红型内燃机车国外高速柴油机东风型内燃机车东风型内燃机车曲轴材料45钢45钢42CrMo钢38CMAA钢球墨铸铁合金球铁心部热处理正火调质调质调质调质喷雾正火、回火硬度/HBS163〜机型解放牌汽车东方红拖拉机东方红型内燃机车国外高速柴油机东风型内燃机车东风型内燃机车曲轴材料45钢45钢42CrMo钢38CMAA钢球墨铸铁合金球铁心部热处理正火调质调质调质调质喷雾正火、回火硬度/HBS163〜197207〜241255〜302285〜315轴颈热处理高频淬火高频淬火中频淬火氮化镀钛氮化硬度/HRC52〜6252〜6258〜6350〜55表7-8 切削刀具的合理选材对比刀具名称主要使用性能选用材料主要优缺点手工刃具（简单、低速）如锉刀、高硬度、高耐磨性，对红碳素工具钢价格便宜但淬透性差，手锯条、木工用刨刀、凿子等工具硬性和强韧性要求不高T7〜T12(A)等使用温度低。机用刃具（低速、形状较复杂）如同上，其淬透性、耐磨性低合金刃具钢淬透性较好、变形开裂丝锥、板牙、拉刀等提高，使用温度＜300C如9SiCr、CrWMn小，但红硬性较差高速切削刃具（使用温度600°C左高硬度高耐磨性及高红高速钢W18Cr4V硬度62〜68HRC、使用右）如铣刀、车刀和精密刀具等硬性，强韧性、淬透性好W6Mo5Cr4V2等温度60C，价格较贵硬质合金刀具（使用温度达1000C）高硬、高耐磨、高红硬性，冲击韧度、抗弯强度较差硬质合金YT6、YG6、YT15等高速强力与难加工材料的切削，价格贵陶瓷刀具(其使用温度可达1400°C〜1500°C陶瓷刀具(其使用温度可达1400°C〜1500°C，硬度可高达5000〜9000HV)硬度(5000〜9000HV)、红硬性(1400C〜1500C)极高，耐磨性好氧化铝、热压氮化硅、立方氮化硼等用于淬火钢、冷硬铸铁等精加工和半精加工，抗冲击力低、易崩刃表7-9 车刀的工作条件与选材推荐材料碳工钢和低合金工具钢T10(A)、C2、W

通用高速钢推荐材料碳工钢和低合金工具钢T10(A)、C2、W

通用高速钢W6Mo5Cr4V2

超硬高速钢W6Mo5Cr4V2Al极高速切削(100〜300m/min)，切削一般材料(铸铁、 硬质合金有色金属、非金属材料)YW2、YG6、YG8工作条件低速切削(8〜10m/min)，易切削材料(灰铸铁、软有色金属、一般硬度结构钢)较高速切削(25〜55m/min)，切削一般材料，形状较复杂、受冲击较大的刀具高速切削(30〜100m/min)，难切削材料(如钛合金、高温合金)，形状较复杂、一定冲击的刀具硬度62HRC64〜66HRC66〜69HRC88〜91HRA极高切削速度(100〜300m/min)，难切削材料(如淬火 硬质合金 90〜93HRA钢等)YW1、YT5、YT14表7-10汽车发动机零件选用材料概况典型零件材料类别牌号使用性能失效形式热处理及其它缸体缸盖、飞轮、正时齿轮灰铸铁HT200刚度、强度、尺寸稳定产生裂纹、孔臂磨损、翘曲变形不处理或去应力退火。也可ZL104淬火时效做缸体、盖缸套、排气门座合金铸铁耐磨、耐热过量磨损铸造状态曲轴等球墨铸铁QT600-2刚度强度、耐磨、疲劳抗力过量磨损、断裂表面淬火，圆角滚压、氮化，亦可用锻钢件火塞销等渗碳钢20、20Cr、20CrMnTi、12Cr2Ni4强度、冲击、耐磨磨损、变形、断裂渗碳、淬火、回火连杆、连杆螺栓、曲轴等调质钢45、40Cr、40MnB强度、疲劳抗力、冲击韧度过量变形、断裂调质、探伤各种轴承、轴瓦轴承钢和轴承合金耐磨、疲劳抗力磨损、剥落、烧蚀破裂不热处理(外购)排气门耐热气阀钢4Cr3Si2、6Mn2Al5MoVNb耐热、耐磨起槽、变宽、氧化烧蚀淬火、回火气门弹簧弹簧钢65Mn、50CrVA疲劳抗力变形、断裂淬火、中温回火火塞有色金属合金ZL110、ZL108耐热强度烧蚀、变形、断裂淬火及时效

支架、盖、罩、挡板、油底壳等钢板Q235、08、20、16Mn（Q345）刚度、强度变形不热处理表7-11 锅炉和气轮机主要零件的选用材料概况零件名称

水冷壁管或省煤器管

过热器管失效方式爆管（蠕变或持久断裂或过度塑性变形）、热腐蚀疲劳零件名称

水冷壁管或省煤器管

过热器管失效方式爆管（蠕变或持久断裂或过度塑性变形）、热腐蚀疲劳蒸汽导管工作温度用材情况<450°C低碳钢管如20A<550°C>580C珠光体耐热钢如15CrMo同上，12Cr1MoV<510C同上，15CrMo>540C同上12Cr1MoV汽包<380C20G或16MnG等普低钢吹灰器短时达800C〜1000C1Cr13，1Cr18Ni9Ti固定、支撑零件（吊架、长时达700C〜1000CCr6SiMo或定位板等）Cr20Ni14Si2、Cr25Ni12气轮机叶片<480C的后级叶片1Cr13、2Cr13气轮机叶片疲劳断裂、应力腐蚀开裂<540CCr11MoV<580C前级叶片Cr12WMoV断裂<480C34CrMo疲劳或应力腐蚀开裂<520C17CrMo1V（焊接转子）转子27Cr2MoV（整体转子）叶轮变形<400C34CrNi3M（大型整体转子），33Cr3MoWV（同上）紧固零件螺栓断裂<400C45（螺栓、螺母等）应力松弛<430C35SiMn<480C35CrMo<510C25Cr2MoV蠕变变形<650C1Cr17Ni13W、1Cr14Ni18W2NbBRe等蠕变断裂Cr14Ni40MoWTiAl（铁基）叶片蠕变疲劳或热疲劳断裂750C镍基合金如Nimonic90850C同上，如Nimonic100900C同上，如Nimonic115950CIn100，Mar-M246等<540C珠光体耐热钢20Cr3MoWV转子及蜗轮轴<650C铁基合金Cr14Ni26MoTi<630C同上Cr14Ni35MoWTiAl<800°C铁基合金，Cr20Ni27MoW火焰筒及喷嘴<900°C镍基合金Inconel718等<980°C同上HastelloyX等7.5思考题剖析【例题7-1】C618机床变速箱齿轮（该齿轮尺寸不大，其厚度为15mm）工作时转速较高，性能要求如下：齿的表面硬度50〜56HRC,齿心部硬度22~25HRC，整体强度bb=760〜800MPa,整体韧性a「40〜60J/cm2。请从下列材料中进行合理选用，并制订其工艺流程：35、45、T12、20CrMnTi、38CrMoAl、0Cr18Ni9Ti、W18Cr4V。分析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。因此，要求有一定的强度和轮齿的心部硬度及韧性。这种齿轮在工作中转速较高，齿表面要求有较高的硬度以保证耐磨性。但同汽车、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。所以上述要求都不是太高，例如齿表面硬度只要求50〜56HRC。显然，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。这种齿轮的尺寸不大，尤其是厚度甚小（15mm），可选用优质碳素结构钢，水淬即可使截面大部分淬透，回火后基本上能满足性能要求。因此，从所给钢种中选择45钢制造合适。解答选用45钢制造，较为合适。其加工工艺路线为：下料一锻造一正火（840°C〜860°C空冷）一机加工一调质（840°C〜860°C水淬，500C〜550C回火）一精加工一高频表面淬火（880C〜900C水冷）一低温回火（200C回火）一精磨。常见错误剖析选用20CrMnTI或38CrMoAl钢制造。错在此种选材法不符合经济性原则，即大材小用。更正措施遵循选材的三项基本原则，应选用45钢较为合适。联想与归纳要做到正确、合理地选材，必须遵循选材的三项基本原则。即首先应考虑满足材料的力学性能原则，在此前提下充分兼顾材料的工艺性能原则，还要同时考虑材料的经济性原则。【例题7-2】有