《工程材料及成形技术基础》课件-第13章

第13章材料与成形工艺的选择13.1材料与成形工艺选择原则13.2材料与成形工艺选择步骤与方法13.3典型零件的材料与成形工艺选择13.4工程应用案例——机床主轴选材及成形工艺分析习题与思考题13

13.1材料与成形工艺选择原则

在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性及环保性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。

选材时，要考虑材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如密度、弹性模量、强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、高温和低温强度、焊接性能、淬透性、热处理变形量、可锻性、切削性能、经济性等。选用材料要根据产品批量以及是常年需要（定型产品）或一次性生产（单件、单批生产），从使用性能、工艺和经济环保三方面来考虑。

13.1.1使用性能原则

在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要使用性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，而且拉应力是周期变动的，其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外，多数情况下是由于疲劳破坏而造成的断裂。因此对连杆螺栓材料的机械性能，除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。由于是整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。

零件实际受力条件是较复杂的，而且还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等因素，因此使用性能指标经常成为材料选用的主要依据。

在工程设计上，材料的使用性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，因而严格来说，材料机械性能数据仍不能确切地反映机械零件承受载荷的实际能力。即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，这是因为硬度检验可以不破坏零件，而且硬度与其他机械性能之间存在一定关系。因此，零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。

13.1.2工艺性能原则

材料的加工工艺性能主要有铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直接影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。

（1）铸造性能。一般是指熔点低、结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。例如，合金中共晶成分铸造性最好。

（2）压力加工性能。它是指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好，加工表面质量高，不易产生裂纹；而热变形性能好的标志是接受热变形的能力好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。

（3）切削加工性能。刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度等是评定金属材料切削加工性能好坏的标志，也是合理选择材料的重要依据之一。

（4）可焊性。衡量材料焊接性能的优劣是以焊缝区强度不低于基体金属和不产生裂纹为标志的。

（5）热处理。它是指钢材在热处理过程中所表现的行为。如过热倾向、淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向以及变形开裂倾向等来衡量热处理工艺性能的优劣。

一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是，合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。通过改变工艺规范，调整工艺参数，改进刀具和设备，变更热处理方法等途径，可以改善金属材料的工艺性能。总之，良好的加工工艺性可以大大减少加工过程的动力、材料消耗、缩短加工周期及降低废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。

13.1.3经济及环境友好性原则

每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。产品的成本主要包括原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零件的寿命及维修费，若选用新材料则还要考虑研究试验费。

另外，目前全球环境日益恶化，选材时应尽量满足环保要求。选材时要以无毒、无害的材料代替有毒、有害的材料，尽量对材料采取循环利用和重复利用，对废弃物进行综合利用，使生产过程中资源得到最大限度的利用，减少材料成形过程及废物对环境的污染。

作为一个工程技术人员，在选材时必须了解我国工业发展趋势，按国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际出发全面考虑各方面因素。13.2材料与成形工艺选择步骤与方法13.2.1材料与成形工艺选择的基本步骤

材料与成形工艺选择的基本步骤如下：首先根据使用工况及使用要求进行材料选择，然后根据所选材料，同时结合材料的成本、材料的成形工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件和技术条件等，选择合适的成形工艺。

1.分析服役条件

分析机件的服役条件，找出零件在使用过程中具体的负荷情况、应力状态、温度、腐蚀及磨损等情况。

大多数零件都在常温大气中使用，主要要求材料的力学性能。在其他条件下使用的零件，要求材料还必须有某些特殊的物理、化学性能。如在高温条件下使用，要求零件材料有一定的高温强度和抗氧化性；化工设备则要求材料有高的抗腐蚀性能；某些仪表零件要求材料具有电磁性能等。严寒地区使用的焊接结构，应附加对低温韧性的要求；在潮湿地区使用时，应附加对耐大气腐蚀性的要求等。

（1）通过分析或试验，结合同类材料失效分析的结果，确定允许材料使用的各项广义许用应力指标，如许用强度、许用应变、许用变形量及使用时间等。

（2）找出主要和次要的广义许用应力指标，以重要指标作为选材的主要依据。

（3）根据主要性能指标，选择符合要求的几种材料。

（4）根据材料的成形工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件技术条件选择材料生产的成形工艺。

（5）综合考虑材料成本、成形工艺性、材料性能，使用的可靠性等，利用优化方法选出最适用的材料。

（6）必要时选材要经过试验投产，再进行验证或调整。

上述只是选材步骤的一般规律，其工作量和耗时都是相当大的。对于重要零件和新材料的选材，要进行大量的基础性试验和批量试生产过程，以保证材料的使用安全性。对不太重要的批量小的零件，通常参照相同工况下同类材料的使用经验来选择材料，确定材料的牌号和规格，安排成形工艺。若零件属于正常的损坏，则可选用原来的材料及成形工艺；若零件的损坏属于非正常的早期破坏，应找出引起失效的原因，并采取相应的措施。如果是材料或其生产工艺的问题，可以考虑选用新材质或新的成形工艺。

2.选材的依据

一般依据使用工况及使用要求进行选材，可以从以下四方面考虑：

1）负荷情况

工程材料在使用过程中受到各种力的作用，有拉应力、压应力、剪应力、切应力、扭矩、冲击力等。工程上主要承力件是传递动力或承受载荷的机件，如轴和齿轮。材料在负荷下工作，其力学性能要求和失效形式是和负荷情况紧密相关的。

在工程实际中，任何机械和结构，必须保证它们在完成运动要求的同时，而能安全、可靠地工作。例如，要保证机床主轴的正常工作，则主轴既不允许折断，也不允许受力后产生过度变形。又如千斤顶顶起重物时，其螺杆必须保持直线形式的平衡状态，而不允许突然弯曲。对工程构件来说，只有满足了强度、刚度和稳定性的要求，才能安全、可靠地工作。实际上，在材料力学中对材料的这三方面要求都有具体的使用条件。在分析材料的受力情况或根据受力情况进行材料选择时，除了要查阅有关材料力学性能手册外，还必须应用材料力学的有关知识科学选材。

在以力学性能为主选材时，主要考虑材料的强度、延展性、韧性指标、弹性模量等。首先要清楚所需要的强度，是极限强度还是屈服强度，是拉伸强度还是压缩强度。室温下我们考虑屈服强度，高温下考虑极限强度。如果使用拉伸强度，则应当考虑韧性较好的材料；如果是压缩强度，反而考虑脆性材料，如铸铁陶瓷、石墨等。这些脆性材料都是化学键比较强的物质，它们有较高的压缩强度。如果在动态应力作用下，屈服强度就失去意义了，必须考虑疲劳强度。

延展性是与强度同时考虑的，因为一般情况下，强度越高，材料的延展性越低。如果两者都很重要，就需要认真选择。对金属材料而言，降低晶粒尺寸能够显著提高强度而使延展性降低不大。在复合材料中，通过改变纤维的体积分数与排列，可以提高延展性而使强度降低不大。

如果材料在使用过程中发生震动或冲击，就必须考虑材料的韧性。韧性的指标采用冲击韧度，但更科学的指标是断裂韧性KIC。金属材料具有最高的韧性，高分子材料次之，而陶瓷材料没有韧性。

弹性模量的大小表征物体变形的难易程度。它是反映材料刚性的主要指标。

由于多数零件在使用时，既不允许折断，也不允许产生过度变形。因此，根据材料的屈服强度来选材是工程上常用的方法。其方法是：

σs

≥K[σ]

（13-1）

其中，σs为所选材料的屈服强度；[σ]为机件在使用工况下的最大应力；K为安全系数（对常温静载的塑性材料，一般取K=1.4~1.8；脆性材料，一般取K=2.0~3.5）。

这就是说，所选材料的屈服强度应大于材料的最大工作应力，同时必须留有一定的安全余量。根据这种方法进行选材，能满足多数情况下的强度需要。

上面是根据屈服强度进行选材的基本方法。根据材料的实际使用工况，当还要求其他力学性能指标时，可参照式（13-1）的原理来进行选材，即所选材料的该性能指标应大于工作时相应的最大工作应力。

几种常见零件受力情况、失效形式及要求的力学性能如表13-1所示。

部分常用材料的力学性能如表13-2所示，各种材料的力学性能在使用时可参考相关的性能手册。

表13-2部分常用材料的主要力学性能

2）材料的使用温度

大多数材料都在常温下使用，但是常温也因地域和季节的不同而不同，有时能差几十度。当然还有许多在高温或低温下使用的材料。由于使用温度不同，要求材料的性能也有很大差异。如各种工业炉用材，都必须能耐高温；各种制冷设备用材，都必须能耐低温；有些时候，还要求材料具备承受剧烈的温度变化的能力。

随着温度的降低，钢铁材料的韧性和塑性不断下降。当温度降低到一定程度时，其韧性塑性显著下降，这一温度称为韧脆转变温度。在低于韧脆转变温度下使用时，材料容易发生低应力脆断，从而造成危害。因此，选择低温下使用的钢铁时，应选用韧脆转变温度低于使用工况的材料。各种低温用钢的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低温韧性。

随着温度的升高，钢铁材料的性能会发生一系列变化，主要是强度、硬度降低，塑性、韧性先升高而后又降低，钢铁受高温氧化或高温腐蚀等。这些都对材料的性能产生的影响，甚至使材料失效。例如，一般碳钢和铸铁的使用温度不能超过200～300℃，而合金钢的使用温度能超过1150℃。一般地，陶瓷材料的耐热性最高，钢铁材料次之，常用有色合金耐热性较差，有机材料的耐热性能最差。

3）受腐蚀情况

在工业上，一般用腐蚀速度的高低表示材料的耐蚀性的高低。腐蚀速度用单位时间内单位面积上金属材料的损失量来表示；也可用单位时间内金属材料的腐蚀深度来表示。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准从Ⅰ类完全耐蚀到Ⅵ类不耐蚀。金属材料耐蚀性的分类评级标准如表13-3所示。

绝大多数工程材料都是在大气环境中工作的，大气腐蚀是一个普遍性的问题。大气的湿度、温度、日照、雨水及腐蚀性气体含量对材料腐蚀影响很大。在常用合金中，碳钢在工业大气中的腐蚀速度为10~60μm/a，在需要时常涂覆油漆等保护层后使用。含有铜、磷、镍、铬等合金组分的低合金钢，其耐大气腐蚀性有较大提高，一般可不涂油漆直接使用。铝、铜、铅、锌等合金耐大气腐蚀很好。

碳钢在淡水中的腐蚀速度与水中溶解的氧的浓度有关，钢铁在含有矿物质的水中腐蚀速度较慢。控制钢铁在淡水中腐蚀的常用办法是添加缓蚀剂。海水中由于有氯离子的存在，铁铸铁、低合金钢和中合金钢在海水中不能钝化，腐蚀作用较明显。钢铁在海水中的腐蚀速度为0.13mm/a，铝、铜、铅、锌的腐蚀速度均在0.02mm/a以下。碳钢、低合金钢和铸铁在各种土壤中的腐蚀速度没有明显差别，均为0.2~0.4mm/a。

各种材料在20℃水溶液中的耐腐蚀性能如表13-4所示；常用陶瓷耐腐蚀性如表13-5所示。在使用时应根据具体情况从相关手册中查阅材料的耐腐蚀性。

4）耐磨损情况

影响材料耐磨性的因素如下：

（1）

材料本身的性能。它包括硬度、韧性、加工硬化的能力、导热性、化学稳定性、表面状态等。

（2）摩擦条件。它包括相磨物质的特性、摩擦时的压力、温度速度、润滑剂的特性、腐蚀条件等。

一般来说，硬度高的材料不易为相磨的物体刺入或犁入，而且疲劳极限一般也较高，故耐磨性也较高；如同时具备较高的韧性，即使被刺入或犁入，也不致被成块撕掉，可以提高耐磨性。因此，硬度是耐磨性的主要方面。并且硬度在使用过程中也是可变的。易于加工硬化的金属在摩擦过程中变硬，而易于受热软化的金属会在摩擦中软化。

钢铁的耐磨性及其与硬度的关系如表13-6所示。表中，高碳高锰的奥氏体钢，虽然硬度低，但在磨损过程中产生加工硬化，因而具有较低的磨损系数。

13.2.2材料与成形工艺选择的具体方法

一般而言，当产品的材料确定后，其成形工艺的类型就大体确定了。例如，产品为铸铁件，则应选铸造成形；产品为薄板成形件，则应选塑性成形中的成形；产品为ABS塑料件，则应选注塑成形；产品为陶瓷件，则应选相应的陶瓷成形工艺等。然而，成形工艺对材料的性能也产生一定的影响，因此在选择成形工艺中，还必须考虑材料的各种性能，如力学性能、使用性能及某些特殊性能等。一般在选择时根据以下几个方面进行选择。

1.产品材料的性能

（1）材料的力学性能。例如，材料为钢的齿轮零件，当其力学性能要求不高时，可采用铸造成形工艺；而力学性能要求高时，则应选用压力加工成形工艺。

（2）材料的使用性能。例如，若选用钢材模锻成形工艺制造小轿车、汽车发动机中的飞轮零件，由于轿车转速高，要求行驶平稳，在使用中不允许飞轮锻件有纤维外露，以免产生腐蚀，影响其使用性能，故不宜采用开式模锻成形工艺，而应采用闭式模锻成形工艺。这是因为，开式模锻成形工艺只能锻造出带有飞边的飞轮锻件，在随后进行的切除飞边修整工序中，锻件的纤维组织会被切断而外露；而闭式模锻工艺锻造的锻件没有飞边，可克服此缺点。

（3）材料的工艺性能。材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸气的非铁金属材料的焊接性差，其连接就宜采用氩弧焊接工艺，而不宜采用普通的手弧焊接工艺。又如，聚四氟乙烯材料，尽管它也属于热塑性塑料，但因其流动性差，故不宜采用注塑成形工艺，而只宜采用压制烧结的成形工艺。

（4）材料的特殊性能。材料的特殊性能包括材料的耐磨损、耐腐蚀耐热、导电或绝缘等。如耐酸泵的叶轮、壳体等，若选用不锈钢制造，则只能用铸造成形；若选用塑料制造，则可用注塑成形；如果要求既耐热又耐蚀，那么就应选用陶瓷制造，并相应地选用注浆成形工艺。

2.零件的生产批量

单件小批量生产时，可选用通用设备和工具、低精度低生产率的成形方法，这样，毛坯生产周期短，能节省生产准备时间和工艺装备的设计制造费用，虽然单件产品消耗的材料及工时多，但总成本较低。如铸件选用手工砂型铸造方法，锻件采用自由锻或胎模锻方法，焊接件以手工焊接为主，薄板零件则采用钣金钳工成形方法等。大批量生产时，应选用专用设备和工具，以及高精度、高生产率的成形方法，这样，毛坯生产率高、精度高，虽然专用工艺装置增加了费用，但材料的总消耗量和切削加工工时会大幅降低，总的成本也降低。

如相应采用机器造型、模锻、埋弧自动焊或自动、半自动的气体保护焊以及板料冲压等成形方法。特别是大批量生产材料成本所占比例较大的制品时，采用高精度、近净成形新工艺生产的优越性就显得尤为显著。例如，某厂采用轧制成形方法生产高速钢直柄麻花钻，年产量两百万件，原轧制毛坯的磨削余量为0.4mm。后采用高精度的轧制成形工艺，轧制毛坯的磨削余量减为0.2mm，由于材料成本约占制造成本的78%，故仅仅是磨削余量的减少，每年就可节约高速钢约48t，约40万元左右。另外，还可节约磨削工时和砂轮损耗，经济效益非常明显。

在一定条件下，生产批量还会影响毛坯材料和成形工艺的选择，如机床床身，大多情况下采用灰铸铁件为毛坯，但在单件生产条件下，由于其形状复杂，制造模样、造型、造芯等工序耗费材料和工时较多，经济上往往不合算。若采用焊接件，则可以大大缩短生产周期，降低生产成本（但焊接件的减振、减摩性不如灰铸铁件）。又如齿轮，在生产批量较小时，直接从圆棒料切削制造的总成本可能是合算的。但当生产批量较大时，使用锻造齿坯可以获得较好的经济效益。

3.零件的形状复杂程度

形状复杂的金属制件，特别是内腔形状复杂件，如箱体、泵体、缸体、阀体、壳体、床身等可选用铸造成形工艺；形状复杂的工程塑料制件，多选用注塑成形工艺；形状复杂的陶瓷制件，多选用注浆成形工艺或陶瓷注塑成形工艺；而形状简单的金属制件，可选用压力加工、焊接成形工艺；形状简单的工程塑料制件，可选用吹塑、挤出成形或模压成形工艺；形状简单的陶瓷制件，多选用模压成形工艺。

若产品为铸件，尺寸要求不高的可选用普通砂型铸造；而尺寸精度要求高的，则依铸造材料和批量不同，可分别选用熔模铸造、气化模铸造、压力铸造及低压铸造等成形工艺。若产品为锻件，尺寸精度要求低的，多采用自由锻造成形；而精度要求高的，则选用模锻成形、挤压成形等工艺。若产品为塑料制件，精度要求低的，多选用中空吹塑工艺；而精度要求高的，则选用注塑成形工艺。

4.现有生产条件

现有生产条件是指生产产品和设备能力、人员技术水平及外协可能性等。例如，生产重型机械产品时，在现场没有大容量的炼钢炉和大吨位的起重运输设备条件下，常常选用铸造和焊接联合成形的工艺，即首先将大件分成几小块来铸造后，再用焊接拼成大件。

又如，车床上的油盘零件，通常是用薄钢板在压力机下冲压成形，但如果现场条件不具备，则应采用其他工艺方法。若现场没有薄板，也没有大型压力机，就不得不采用铸造成形工艺生产（此时其壁厚比冲压件厚）。当现场有薄板，但没有大型压力机时，就需要选用经济可行的旋压成形工艺来代替冲压成形。

5.充分考虑利用新工艺、新技术、新材料的可能性

随着工业市场需求日益增大，用户对产品品种和品质更新的要求越来越强烈，使生产性质由成批大量变成多品种、小批量，因而扩大了新工艺、新技术、新材料的应用范围。因此，为了缩短生产周期，更新产品类型及品质，在可能的条件下可大量采用精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷挤压、液态模锻、超塑成形、注塑成形、粉末冶金、陶瓷等静压成形、复合材料成形、快速成形等新工艺、新技术、新材料，采用无余量成形，使零件近净形化，从而显著提高产品品质和经济效益。

除此之外，为了合理选用成形工艺，还必须对各类成形工艺的特点、适用范围以及成形工艺对材料性能的影响有比较清楚的了解。金属材料的各种毛坯成形工艺的特点如表13-7所示。

13.3典型零件的材料与成形工艺选择

13.3.1齿轮零件

1.齿轮的工作条件

齿轮主要的工作条件如下：（1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力。（2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷。（3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。

2.齿轮的失效形式

齿轮主要的失效形式如下：

（1)疲劳断裂。它主要从根部发生。

（2)齿面磨损。由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小。

（3)齿面接触疲劳破坏，在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)。

（4)过载断裂。它主要是冲击载荷过大造成的断齿。

3.齿轮材料的性能要求

齿轮材料主要的性能要求需要满足以下几点：

（1)高的弯曲疲劳强度。

（2)高的接触疲劳强度和耐磨性。

（3)较高的强度和冲击韧性。

此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。

4.齿轮类零件的选材

齿轮材料一般选用低、中碳钢或其合金钢，经表面强化处理后，表面强度和硬度高，心部韧性好，工艺性能好，经济上也较合理。

5.典型齿轮选材举例

机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳且无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达52HRC左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有220HB左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性，可满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。

[例13-1]-普通车床床头箱传动齿轮。

材料：45钢。

热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。

性能要求：齿轮心部硬度为220~250HB；齿面硬度52HRC。

工艺路线：下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火→精磨。

[例-2]汽车齿轮。汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以汽车的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高1~3HRC单位，耐用性可提高7~11倍。

材料：20CrMnTi钢。

热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2~1.6mm。

性能要求：齿面硬度58~62HRC，心部硬度33~48HRC。

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、拖拉机齿轮常用钢种及热处理如表13-8所示。

13.3.2轴类零件

轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。

1．轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求

（1）轴的工作条件：

①传递扭矩。承受交变扭转载荷作用，同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。

②轴颈承受较大的摩擦。

③承受一定的过载或冲击载荷。

（2）轴的主要失效形式：

①疲劳断裂。由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。

②断裂失效。由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。

③磨损失效。轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。

（3）对轴用材料的性能要求：

①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。

②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。

③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。

2．典型轴的选材

对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr），并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。

例13-3]汽轮机主轴。

汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。汽轮机主轴的主要失效方式是蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂。因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500℃以上工作的主轴，还要求其材料具有一定的高温强度。根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同，所选用的材料也不同。

对于工作在450℃以下的材料，可不必考虑高温强度，如果汽轮机功率较小（<12000kW），且主轴尺寸较小，可选用45钢；如果汽轮机功率较大（>12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于工作在500℃以上的主轴，由于汽轮机功率大（>125000kW），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV（<540℃）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、

Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）。

汽轮机主轴的工艺路线为：备料→锻造→第一次正火→去氢处理→第二次正火→高温回火→机械加工→成品。第一次正火可消除锻造内应力；去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散出去，防止产生白点。第二次正火是为了细化组织，提高高温强度；高温回火是为了消除正火产生的内应力，使合金元素分布更趋合理（V、Ti充分进入碳化物，Mo充分溶入铁素体），从而进一步提高高温强度。常见机床主轴及热处理工艺如表13-9所示。

13.3.3模具类零件

模具选材是整个模具制作过程中非常重要的一个环节。模具选材需要满足三个原则：模具满足耐磨性、强韧性等工作需求，模具满足工艺要求，同时模具应满足经济适用性。模具材料满足的工作需求如下：

（1）耐磨性。

坯料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。

（2）强韧性。

模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。

（3）疲劳断裂性能。

模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度以及材料中夹杂物的含量。

（4）高温性能。

当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。

（5）耐冷、热疲劳性能。

有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷、热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，一般这类模具应具有较高的耐冷、热疲劳性能。

（6）耐蚀性。

有些模具如塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。

除了工作需求外，模具材料还需要满足工艺性能要求，模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。

模具材料还要尽量满足经济要求，在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，并且容易购买。

13.3.4冷作模具选材的工艺设计

对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足够的强度和韧性，高的疲劳寿命，良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。20世纪90年代以前，国内常用的冷作模具钢有碳素工具钢T10A，合金工具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si，高速工具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，轴承钢GCr15，弹簧钢60Si2Mn，渗碳钢20Cr、12CrNi3A，不锈钢3Cr13等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和W18Cr4V。为满足生产要求，国内先后研究、开发了一系列新型冷作模具钢。

国内开发的低合金冷作模具钢中，有7CrSiMnMoV（代号CH）、6CrMnNiMoVSi（代号GD）、6CrMnNiMoVWSi（代号DS）、CrNiWMoV等。这些钢的淬透性好，淬火温度较低，热处理变形小，价格低，具有较好的强度和韧性的配合，适用于制造精度复杂模具。7CrSiMnMoV，在820~1000℃淬火，可获得HRC60以上的硬度，是一种空淬微变形钢，可以火焰加热空冷淬硬。该钢的耐磨性尽管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗弯强度、抗压强度和冲击韧性都优于Cr12MoV和9Mn2V；热处理后的变形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV等钢相当。

CH钢具有良好的强韧性和良好的工艺性，可用于代替T10A、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造对强韧性要求较高的冷作模具，如冲孔凸模、中薄钢板（2～5mm厚）的修边落料模等。由于该钢可以采用火焰加热空冷淬硬，因此也可用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。6CrMnNiMoVSi，较CH钢增加了0.85％左右的Ni，进一步强韧化了基体。该钢的淬火温度范围较宽，淬透性好，也可火焰加热空冷淬火，具有良好的强韧性。当用于制造易崩及断裂的冷冲模具时，模具寿命较高。

Cr12系列冷作模具钢是较广泛采用的钢种系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析较严重，韧性较差，淬火后异常变形较大。为弥补此类钢的性能缺陷，国内先后开发了一些高强韧耐磨钢，如7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、Cr8WmoV3Si(代号ER5)、9Cr6W3Mo2V2

(代号GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。与Cr12、Cr12MoV相比，此类钢的碳和铬的含量较低，改善了碳化物不均性，提高了韧性；适当增加了W、Mo、V等合金元素的含量，从而增强了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此类钢在具有良好的强韧性的同时，还有优良的耐磨性和较好的综合性能，主要用于制造承受应力较大，要求高强韧性和耐磨损的各类冷作模具。

7Cr7Mo2V2Si（代号LD）最初是针对冷镦模具而研制的。其碳含量低于G．Steven推荐的“平衡碳”规律，使钢在具有高硬度的同时，又具有较好的韧性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保证钢具有较高的硬度、强度和良好的耐磨性；加入一定量的Si，以强化基体，提高回火稳定性。LD钢常用的热处理工艺是1100~1150℃淬火，530~570℃回火，回火后硬度57~63HRC。1100℃淬火后的组织为细针马氏体+残留奥氏体+剩余碳化物，晶粒度为10.5级。1100℃淬火、570℃回火后的组织为回火马氏体+残余碳化物。

LD钢已被广泛应用于制造冷锻、冷冲、冷压、冷弯等承受冲击、弯曲应力较大，又要求耐磨损的各类冷作模具。Cr8MoWV3Si（代号ER5）在具有较高强韧性的同时，又具有突出好的耐磨性。该钢在回火过程中弥散析出的特殊碳化物，是ER5钢比Cr12系钢具有更高强韧性和耐磨性的重要原因。ER5钢适用于制造承受冲击力较大，冲击速度较高的精密冷冲、重载冷冲以及要求高耐磨的其他冷作模具。9Cr6W3Mo2V2（代号GM）也是以提高耐磨性为主要目的而研制的高耐磨冷作模具钢。

该钢通过Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根据“平衡碳”规律配碳，使钢具有最佳的二次硬化能力及抗磨损能力，同时又保持了较高的强韧性和良好的冷热加工性能，适用于制造冲裁、冷挤、冷锻、冷剪、高强度螺栓滚丝轮等精密、高耐磨冷作模具。

13.3.5热作模具选材的工艺设计

热作模具材料主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具。由于热作模具钢的工作条件较为恶劣，热作模具钢应具备以下特点：

（1）在工作温度下具有高热强性能。

（2）具有较好综合机械性能，如韧性、硬度、抗疲劳性能。

（3）具有一定的抗氧化性。

（4）较高的使用寿命。

热作模具钢主要分为三类：低合金热作模具钢、中合金铬系热作模具钢及高合金钨钼系热作模具钢。

1.低合金热作模具钢

（1）5CrNiMo、5CrMnMo钢。20世纪80年代以前，常用的热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo，这类钢要求淬透性高，冲击韧性好，导热性能好，有较高的热疲劳性，但5CrMnMo、5CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的要求，使用温度不能超过500℃。目前该类钢种正逐步被淘汰，仅在普通热锻模中选用这种低耐热高韧性钢。

（2）4Cr3Mo2V1钢。4Cr3Mo2V1钢是一种低合金热作模具钢，是在H13钢基础上发展起来的。研发的主要依据是H13的铬含量（5%左右）太高，淬火后回火时，铬和碳可形成高铬的碳化物，不利于具有最高抗回火软化能力的碳化钒的形成，从而降低H13钢的高温热强性。因此，含有较少量铬（2.5%）的4Cr3Mo2V1钢反比H13钢具有更高的热强性，特别适用于制作既要耐高温，又需高韧性、高热疲劳性的热挤压模。现在4Cr3Mo2V１钢的不足之处是生产成本较高。

2．中合金铬系热作模具钢

（1）4Cr5MoSiV1钢。4Cr5MoSiV1钢（代号H13）是第2代热作模具钢的典型代表，其应用很广泛。因其具有良好的热强性、红硬性和抗热疲劳性能，被广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模。由于化学成分的优化，它含有大量Cr、Mo、V等合金元素，基本上能满足热作模具所要求的使用性能。H13钢与高韧性热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo相比，具有更高的热强性、耐热性和淬透性；与3Cr2W8V相比，具有高的韧性和抗热振性。但H13钢在工作温度大于600℃时的热强性欠佳。

（2）4Cr5Mo2V钢。4Cr5Mo2V钢是在H13钢的基础上研发而来的。从合金化成分设计的研究看，低Si高Mo的合金化设计在保持模具材料良好的热强性的同时，又能够提高韧性，4Cr5Mo2V钢正是基于该合金化设计思路。有研究表明，淬火温度、回火温度对4Cr5Mo2V的性能有明显的影响，推荐淬火温度为1030℃。经过600℃回火后的4Cr5Mo2V钢在保持与H13相当的硬度的同时，还具有更高的韧性和塑性。在此热处理后，4Cr5Mo2V钢的室温冲击韧性强于H13钢整体冲击韧性，提高了34.39%。

（3）4Cr3Mo2NiVNb钢。4Cr3Mo2NiVNb钢(代号HD)是一种新型热作模具钢，通过降低Mo、V的含量，加入Ni和Nb，提高了钢的室温和高温韧性及热稳定性，在70℃仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同条件下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50％左右，700℃高温时抗拉强度高70%，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出一倍和50％。

3.高合金钨钼系热作模具钢

（1）3Cr2W8V钢。3Cr2W8V钢是我国热作模具的传统用钢。由于3Cr2W8V钢中富含Cr、W、V等碳化物形成元素，钢锭中普遍存在成分偏析及共晶碳化物数量较多等缺陷。如果模具中的碳化物偏析严重时，容易产生应力集中，直接影响模具的服役寿命。但是通过改进该钢种的生产工艺，如预处理工艺、稀土合金元素改性，可提高3Cr2W8V钢的使用性能。如1050℃×1h高温固溶+850℃×0.5h后750℃×0.5h(三次)循环球化退火即可细化钢中的碳化物，又可细化奥氏体晶粒，是一种可提高韧性和热疲劳性能的双细化预处理工艺。对3Cr2W8V钢进行稀土合金化处理，能够有效地改善钢中共晶碳化物的偏析程度，从而可以提高钢材质量。

（2）4Cr3Mo3W4VNb钢。4Cr3Mo3W4VNb钢含有较高的钨和少量的钛和铌，具有最高的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性。与5Cr4W5Mo2V钢相比，降低了Cr、W的元素，增加了Ti、Nb的含量，细化了晶粒，在保持了高热稳定性和高温硬度的基础上，使碳化物分布更均匀。其硬度可达50~55HRC，抗拉强度和冲击韧度都有了明显的改善。该钢的淬透性、冷热加工性均好，主要用于加工承受变形抗力较高、浅型槽的热锻模及高温金属的热锻压模具，模具的使用寿命较3Cr2W8V钢模具有很大的提高。

（3）W9Mo3Cr4V钢。W9Mo3Cr4V钢是以中等含量的钨为主，加入少量钼，适当控制碳和钒含量的方法来达到改善性能，提高质量和节约合金元素目的的。通用型钨钼系高速钢，属莱氏体型钢种。W9Mo3Cr4V钢热处理后具有更高的硬度和耐磨性，同时具有高热硬性、高淬透性和足够