机械工程材料与热处理 第2版 课件 第9章 机械零件材料的选材

机械零件材料选择机械零件的失效失效产品在使用过程中失去原设计所规定的功能称为失效失效常见特征零件完全破坏已不能正常工作；(主轴断裂）零件工作不能达到设计的功效。（轮齿磨损不能正常啮合）零件已严重损伤继续工作不安全；机械零件的失效失效类型（同一零件可能有几种失效形式）断裂失效零件最严重的失效形式，因零件承载过大或因疲劳损伤等发生破断断裂方式有塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂（断口分析）客车压缩机皮带轮断裂及在交变载荷下工作的轴、齿轮、弹簧等的断裂宏观特征：宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45

角

微观特征：蛇形滑移和延伸，间距不等、短而且平行、不连续的条纹韧窝在断裂前没有可以观察到的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。

脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。零件由于这种变形而引起的断裂称为蠕变断裂。

汽轮机气缸紧固螺栓在高温恒力作用下于螺杆处发生断裂就是蠕变断裂。板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠。折叠造成了表面裂纹。疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况分析，板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。

失效类型过量变形失效机械零件的失效零件变形量超过允许范围而造成的失效主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效高温下工作时，螺栓发生松脱失效类型表面损伤失效机械零件的失效零件表面及附近的材料发生尺寸变化和表面破坏的失效现象主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效粘着磨损

两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。磨料磨损

配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损影响因素：摩擦副材质、工况参数（接触应力、滑动距离和滑动速度）改善措施：表面强化处理均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生点腐蚀

腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成孔穴甚至穿透(孔蚀)。晶间腐蚀

腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象

弹簧材料为碳素弹簧钢，长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧丝的截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。在阀芯受到向上的作用力F时，弹簧破断。当作用力去除后，阀芯在重力和气罐内气压的作用下，阀芯与阀座间尚能起到一定的密封作用。但如果车辆受到强烈震动，阀芯会跳离阀座，破断的弹簧丝会卡入阀芯、阀座的密封面处，使气体泄漏，造成气压降低，刹车失灵。

失效类型裂纹失效机械零件的失效零件内外的微裂纹在外力作用下扩展，造成零件断裂的现象材料选取不当、工艺制定不合理而造成锻件中的裂纹，往往因为钢中含硫量较高、混入铜等低熔点金属及夹杂物含量过多，造成晶界强度被削弱；或锻后冷却过快，未及时进行退火处理，多容易产生表面裂纹。失效原因设计不合理结构形状、尺寸设计不合理结构上存在尖角、尖锐缺口或圆角过渡过小，产生应力集中引起失效；安全系数小，达不到实际要求的承载力失效原因选材不合理所选用的材料性能达不到使用要求，或材质较差加工工艺不当工艺方法、工艺参数不正确热加工中产生的过热、过烧和带状组织等；冷加工不良时粗糙度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理中产生的脱碳、变形及开裂等失效原因安装使用不正确安装时配合过松、过紧，对中不准使用中不按工艺规程操作和维修，保养不善或过载使用等选材一般原则使用性能机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能步骤分析零件的服役条件、形状尺寸及应力状态调查出现的主要失效形式找出失效抗力指标进行力学计算，确定性能指标结合其它因素对比选择最优材料工艺性能工艺性能铸造性材料在铸造生产工艺过程中所表现出的工艺性能主要包括流动性、收缩性，还有吸气、氧化、偏析铸铁、合金、铸钢工艺性能锻造性锻造该材料的难易程度影响因素主要是材料的化学成分、内部组织结构以及变形条件低碳钢、高碳钢、合金钢

工艺性能焊接性一定的焊接工艺条件下材料获得优质焊接接头的难易程度低碳钢、中碳钢、高碳钢低合金钢、中合金钢、高合金钢工艺性能切削加工性材料切削加工的难易程度一般用切削抗力大小、刀具磨损程度、切屑排除的难易及加工出的零件表面质量来综合衡量易切削钢、中碳钢、一般有色金属的切削加工性好，而高强度钢、耐热钢、不锈钢的切削加工性较差工艺性能热处理性能材料对热处理加工的适应性能淬透性、淬硬性、氧化和脱碳倾向、变形开裂倾向、过热过烧倾向、回火脆性倾向工艺性能粘接固化性材料在成型过程中各组分之间的粘结固化倾向多用于高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料考虑经济性尽可能选用货源充足、价格低廉、加工容易的材料应尽量减少所选材料的品种、规格，以简化供应、保管等工作尽量提高该产品的性价比选材实例轴类零件（主轴）主轴工作条件承受弯曲、扭转，冲击等多种载荷的作用某些部位承受着不同程度的摩擦主要失效形式：疲劳断裂、过量变形、表面过渡磨损性能要求较高的综合力学性能：防止过载断裂、冲击断裂较高的硬度和耐磨性：防止磨损失效高疲劳强度：防疲劳断裂轴类零件（主轴）选材原则一般使用碳素钢（35、45、50），正火或调质处理合金钢多用于有特殊要求的轴（载荷大、限制尺寸、有很高耐磨要求）如：40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi表面要求耐磨的部位，应调质后再进行表面淬火主轴承受重载荷、高转速且冲击与变动载荷很大时，应选用合金渗碳钢在高温、高速和重载条件下工作的主轴常采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等合金结构钢工作条件分析该主轴承受交变弯曲应力与扭转应力，但载荷不大，转速较低，受冲击较小，故材料具有一般综合力学性能即可满足要求。主轴大端的内锥孔和外锥体，经常与卡盘、顶尖有相对磨擦，花键部位与齿轮有相对滑动，因此这些部位硬度及耐磨性有较高要求。该主轴在滚动轴承中运转，为保证主轴运转精度及使用寿命，轴颈处硬度为220~250HBS。选材

45钢调质内锥孔与外锥体淬火后低温回火，硬度为45~50HRC

花键部位采用高频感应表面淬火以减少变形并达到表面淬硬的目的锥部淬火应与花键部位淬火分开进行，以减少淬火变形粗磨纠正淬火变形花键精磨消除变形内燃机曲轴选材（175A型农用柴油机曲轴选材）1）性能要求

农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求σb≥750MPa,整体硬度240HBS～260HBS,轴颈表面硬度≥625HV,δ≥2%,ak≥150kJ/m2。（2）曲轴材料

QT700-2（3）工艺路线

铸造－高温正火－高温回火－切削加工－轴颈气体渗氮。

齿轮类零件工作条件齿轮根部受交变弯曲应力在换挡、启动或啮合不均匀时，齿轮常受到冲击齿面承受滚动、滑动造成的强烈摩擦磨损和交变的接触应力失效形式：齿面磨损和齿根疲劳断裂、齿面剥落、断齿齿轮类零件性能要求高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度高的硬度和耐磨性足够的强度和冲击韧性高的抗齿面疲劳剥落性能常用材料中碳钢或中碳合金钢用来制作中、低速和承载不大的中、小型传动齿轮低碳钢和低碳合金钢适合于高速、能耐猛烈冲击的重载齿轮直径较大（大于600mm）形状复杂的齿轮毛坯，采用铸钢制作轻载、低速、不受冲击、精度要求不高的齿轮，用铸铁制造接触腐蚀介质中工作的轻载荷齿轮，常用耐腐蚀、耐磨的有色金属材料来制造无润滑条件下工作的小型齿轮，采用塑料制造实例该齿轮工作中受一定的冲击，负载较重，轮齿表面要求耐磨。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，要求心部强度≥1000MPa，冲击韧度≥95J·cm-2。试从如下提供的材料中选择制造该齿轮的合适钢种，并制订其加工工艺路线此载货汽车变速箱齿轮在工作时承受载荷较重，轮齿承受周期变化的弯曲应力较大，齿面承受着强烈的摩擦和交变接触应力，为防止磨损，要求具有高硬度、高的疲劳强度和良好的耐磨性（58～63HRC）。在换挡刹车时齿轮还受较大的冲击力，齿面承受较大的压力，还要求轮齿的心部具有一定的强度、硬度（33～45HRC）以及适当的韧性，以防止轮齿折断。根据以上分析，可知该汽车齿轮的工作条件很苛刻，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面的要求均比机床齿轮要高选调质钢45钢，40Cr钢淬火，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，故也不适合做此汽车齿轮；合金渗碳钢20Cr钢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，容易过热，淬火的变形开裂倾向较大，综合评价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，并且由于该钢含有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，不容易过热，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，渗碳热处理后，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钢制造比较适宜机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。因此，一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。

工艺路线为：

下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频淬火及低温回火--精磨。

冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外,有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮,工作时传动平稳,噪声减少,长期使用磨损很小。正火的目的是均匀和细化组织，消除锻造应力，获得良好切削加工性能；渗碳淬火及低温回火的目的是提高齿面硬度和耐磨性，并使心部获得低碳马氏体组织，从而具有足够强韧性；喷丸处理可使零件渗碳层表面压应力进一步增大，以提高疲劳强度箱体类零件工作条件主要承受各零件的重量以及零件运动时的相互作用力对内部各零件运动产生的振动有缓冲作用性能要求足够的抗压性能较高的刚度，防止变形良好的吸振性良好的成型工艺其他特殊性能，如比重轻选材由于箱体形状比较复杂、壁厚较薄、体积较大，一般选用铸造毛坯成型，根据力学性能要求常用灰口铸铁、球墨铸铁、铸钢等。工作平稳的箱体可用HT150、HT200、HT250等；受力较小，要求导热良好、重量轻的箱体可用铸造铝合金；受力较大的箱体可考虑铸钢；单件生产时可用低碳钢焊接而成。箱体加工前一般要进行时效处理，目的是消除毛坯的内应力汽车用材汽车主要结构可分为四部分：

(1)发动机

提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。

(2)底盘

包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、转向蜗杆等)和制动系(油泵或气泵、刹车片等)。

(3)车身

驾驶室、货箱等。

(4)电气设备

电源、起动、点火、照明、信号、控制等。

缸体和缸盖缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。

缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。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。

缸套

气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。

活塞、活塞销和活塞环

活塞销材料一般用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高2～3倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等连杆连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。气门气门工作时，需要承受较高的机械负荷和热负荷，排气门工作温度高达650℃～850℃。气门头部还承受气压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。气门经常出现的故障有：气门座扭曲、气门头部变形、气门座面积碳时引起燃烧废气对气门座面强烈地烧蚀。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、