第六章知识资料材料工艺选用

材料工艺基础第六章材料成形工艺与方法选择

6.1材料成形与方法选择工程材料及成形工艺选用的基本原则具体成形方法及改性工艺的选用典型零件的材料及成形工艺选择轴类零件齿轮类零件机架、箱体类零件满足使用性能要求原则零件工作条件：受力状况、环境状况、特殊要求满足工艺性能要求原则金属材料工艺性能、陶瓷材料工艺性能经济合理的原则材料价格、批量多少、现有条件、加工费用，优先选用碳素钢、成组选材减少品种便于管理材料、成形工艺、零件结构相适应的原则

工程材料及其成形工艺选用基本原则受力状况、环境状况及材料选用零件举例受力及环境材料与工艺汽车、内燃机曲轴负荷轻、耐磨球墨铸铁汽车传动齿轮抗弯、高冲击、耐磨渗碳钢、渗碳机床齿轮抗弯、一般冲击、耐磨调质钢、高频表面淬火连杆、一般传动轴强韧性调质钢、调质机床轴强韧性、中等耐磨调质钢、调质+表面淬火重型机器轴强韧性、高耐磨调质钢、调质+渗氮模具高硬、耐磨工具钢、轴承钢海上仪表零件抗腐蚀、低温脆性小铜合金化工机械腐蚀介质不锈钢、非不锈钢+表面处理涡轮叶片高温介质耐热钢、陶瓷涂层仪表壳重量轻铝合金、工程塑料失效形式与选材失效形式失效原因危害选材与预防措施变形失效弹性变形刚度不足失稳、让刀选E高者、改变结构塑性变形应力>σs弯曲、伸长选σs高者，增大截面蠕变变形应力<σs，高温长时间受力弯曲、伸长选蠕变极限高者，耐热钢断裂失效韧性断裂应力>σs，并增至σb断裂选σs高者低应力脆断应力<σs，低温冲击大恶性事故选高αk、低Tk、高K1c疲劳断裂应力<σs，长时间受交变载荷无先兆低应力断裂选高σb、高αk、高σ-1、表面强化避免应力集中应力腐蚀裂应力<σs，腐蚀介质断裂表面防护表面损伤失效磨粒磨损磨粒长时间作用尺寸减小高HV/E，有硬质第二相粘着磨损偶件相对运动磨损咬卡偶件用不同材料、润滑腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀表面腐蚀、有色金属、不锈钢、塑料、电化学保护表面疲劳兼有疲劳与磨损的特点麻点、剥落增加表面硬化层厚度金属材料制造零件加工路线金属材料成形加工切削加工退火或正火最终热处理精加工成品工艺性与选材工艺性能最优条件材料性能从优至劣排列铸造性能熔点低、共晶合金铸铁、黄铜、铝合金、青铜、铸钢锻造性能FCC金属、第二组元少的合金低、中、高碳钢，高合金钢、黄铜、铝合金焊接性能WCE＜0.4%的碳钢碳钢和低合金结构钢（碳当量小者）防锈铝、青铜、硬铝切削性能140~248HB铝合金、不锈钢、30钢、45钢、铸铁、T8钢、65Mn，不锈钢、耐热钢热处理性能淬火变形小，回火脆性小，淬透性高，过热敏感性小低碳钢、低合金钢、高碳钢、含Mn钢、铝合金铸造性能比较材料流动性收缩性偏析倾向其他体收缩线收缩灰铸铁好大小小铸造内应力小球墨铸铁稍差大小小易形成缩孔、缩松，白口化倾向小铸钢差大大大导热性差、易发生冷裂铸造黄铜好小较小较小易形成集中缩孔铸造铝合金尚好小小较小易吸气，易氧化材料切削加工难易程度相对切削加工性KV

铝、镁合金很容易加工8~20易切钢易加工2.5~2030钢正火易加工1.6~2.545钢、灰铸铁一般1.0~1.565钢（轧材）、2Cr13钢调质一般0.7~0.965钢调质、不锈钢难加工0.5~0.651Cr18Ni9Ti、W18Cr4V难加工0.15~0.5切削性比较陶瓷材料不同成形工艺性能比较工艺优点缺点注浆成形可做形状复杂件、薄壁件，成本低收缩大、尺寸精度低、生产率低压制成形可做形状复杂件、密度高、强度高、精度较高设备较复杂、成本高挤压成形成本低、生产率高零件形状须对称、不能做薄壁件可塑成形可做形状复杂件、尺寸精度高成本高常用毛坯类型及其制品的比较铸件锻件冲压件焊接件常用材料灰铸铁球铁中碳钢铝合金铜合金中碳钢合金结构钢低碳钢有色金属薄板低碳钢低合金钢不锈钢铝合金工艺性能要求流动性好收缩性低塑性好变形抗力小同左强度高塑性好金属组织特征晶粒粗大蔬松晶粒细小致密——焊缝为铸造组织力学性能灰铁差球铁可锻铁好比相同成分的铸钢好刚性好形变强化接头的性能可达到或接近母材结构特征形状不受限制形状比铸件简单形状可以较复杂形状不受限制材料利用率高低较高较高生产周期长自由锻短模锻长长较短生产成本较低较高批量大则成本低较高应用举例机架床身导轨变速箱曲轴轴承座机床主轴传动轴齿轮连杆弹簧油箱汽车车身覆盖件水箱锅炉压力容器船体桥梁化工容器不同钢种热处理工艺的选用钢材状态预处理粗加工热处理精加工举例应用低碳钢热轧--√--√10垫圈锻造正火√--√20一般结构件锻造正火√淬+低回√20Cr一般结构件锻造正火√渗碳淬低回√渗碳钢齿轮调质钢热轧--√--√40一般结构件锻造正火√--√40一般结构件锻造正火√调质√45轴锻造正火√调表低√40Cr轴、齿轮锻造正火√调渗氮√氮化钢轴弹簧钢冷拔--冷卷去应力√65Mn小螺旋弹簧热轧--热卷淬中回√50CrV大螺旋弹簧工具钢锻造正火球化退火√淬低回√T10车刀锻造正火球化退火√淬高回√高速钢拉刀7.2典型零件的选材

7.2.1轴杆类零件：

各种传动轴、丝杆、光杆、拨叉、连杆、摇臂及螺栓等，一般都是各种机械中重要的受力和传动零件，要求具有优良的综合力学性能，即高的强韧性、高的疲劳抗力和良好的耐磨性以防疲劳断裂。通常采用锻钢制作，也有用球墨铸铁制作如曲轴，或铸－焊结构如大型水压机立轴。轴类零件例1C620车床主轴简图C6120车床主轴的材料与成形工艺的选择主轴失效形式：疲劳断裂、脆性断裂、磨损及变形主轴性能要求：优良的综合力学性能，以防变形和断裂；疲劳强度高；耐磨性好；特殊性能（耐腐蚀、耐高温等）加工工艺路线：选45钢→锻造→正火→粗加工→调质（淬火48~52HRC+高温回火220~250HRB）→精加工→局部表面淬火（52HRC）→精磨→检验入库机床主轴工作条件、用材及热处理工作条件材料热处理使用举例配合滚动轴承，轻中载荷、稍有冲击45正火或调质一般简式机床同上、转速较高45整体或局部淬火龙门铣床、摇臂钻床、组合机床等同上、精度较高40Cr同上摇臂钻床、组合机床同上、配合滑动轴承40Cr轴颈及配件装拆处表面淬火机床主轴、磨床砂轮主轴同上、转速和精度很高38CrMoAl调质+渗氮高精度磨床及精密镗床主轴同上、重载、较大冲击和疲劳载荷20CrMnTi渗碳+淬火+回火载荷较大的组合机床

高速、大功率内燃机的曲轴，一般选用合金调质钢；中小型内燃机曲轴，常选用球墨铸铁和45钢。

合金钢制曲轴的工艺流程：

下料→锻造→正火→切削加工→调质+局部表面淬火→精加工→喷丸→检验入库

球墨铸铁制曲轴的工艺流程：

铸造→热处理（正火+高温回火）→机加工→喷丸→检验入库轴类零件例27.2.2齿轮类零件：各种齿轮、带轮、飞轮、模具、连轴节及螺母等，用来传递扭矩、改变传动方向或速度；要求齿轮具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面有高的硬度和耐磨性，齿心部分有足够的强韧性，齿根部有高的抗弯强度。齿轮的受力分析、材料及成形工艺的选择

重要齿轮的工作条件：①传递扭矩时，齿根承受大的交变弯曲应力；②齿表面承受大的接触应力，啮合面相互滚动和滑动，表面承受强烈摩擦和磨损；③换挡、启动或啮合不良时，轮齿会受到冲击。重要齿轮的性能要求：①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；②齿面有高的硬度和耐磨性；③心部要有足够的强度和韧性

汽车齿轮的选材与工艺路线

选20CrMnTi→锻造→正火→齿形加工→渗碳+预冷淬火+低温回火→喷丸→精磨→检验入库

机床齿轮的选材与工艺路线

选45钢→锻造→正火→齿形加工→调质→精加工→高频淬火+低温回火→喷丸→精磨→检验入库

低应力、低冲击载荷的齿轮可用铸铁和高分子材料制造齿轮类零件7.2.3机架和箱体类零件：各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的缸体等，都属于这一类零件，大多数结构复杂，常选用铸造毛坯。机架、箱体类零件

机床床身钳工工作台轴承座变速箱箱体机架、箱体类的材料与成形工艺的选择

机架、箱体类零件一般用铸造成形方法成形。

1.受力较大、而且主要是承受静力，不受冲击的这类零件可选用普通灰铸铁（如果零件服役时与其他零件发生相对运动伴有摩擦、磨损，则选用珠光体基体的灰铸铁）。2.受力较大，要求高强度、高韧性，甚至在高温、高压下工作的这类零件，如汽轮机机壳，应选