金属学及热处理课件：机械零件选材及工艺路线分析

机械零件选材及工艺路线分析零件失效：零件丧失工作能力，如齿轮轮齿断裂；零件能工作，但损伤严重、使用不再安全，如齿轮轮齿弯曲；零件能工作，但不能达到设计功能，如齿轮轮齿磨损。

机械零件的常见失效形式主要是变形、断裂、磨损、疲劳与腐蚀。10.1机械零件的失效与分析

主要包括过量弹性变形失效、塑性变形失效。过量弹性变形失效

零件在工作时要求处于一定量的弹性变形状态，若发生过量弹性变形就会失效。塑性变形失效

绝大多数零件使用时不允许产生塑性变形。由于偶然过载等原因，零件塑性变形量超过允许值时将导致失效。10.1.1变形主要有过载断裂和疲劳断裂。1.过载断裂

在静载荷下，零件最大工作应力超过其强度极限而发生的断裂。

断裂前有明显塑性变形（δ＞5%）并消耗较多能量的断裂为韧性断裂，反之则为脆性断裂。10.1.2断裂

在循环应力长期作用下产生的断裂。

零件疲劳断裂承受的循环应力往往低于材料的屈服极限，呈现无塑性变形突然断裂的特点，具有极大的危害性。2.疲劳断裂第1阶段：形成疲劳源。应力最大部位形成微裂纹（即疲劳源）。第2阶段：疲劳裂纹扩展。微裂纹缓慢扩展。第3阶段：最终断裂。有效承载面积减小，当裂纹扩展至一定程度致最终断裂。a）b)c)

各种循环应力的循环情况

零件与零件间相互摩擦导致零件表面材料发生损耗的现象称为磨损。当磨损量超过允许值时便不能有效工作。1.粘着磨损

10.1.3磨损

接触压应力很大时，不同硬度零件间的接触点发生粘着，在相对滑动过程中，粘着点不断形成和破坏，这种损耗称为粘着磨损。

粘着磨损的磨损率远大于其它种类的磨损，具有严重的破坏性。

硬质磨粒嵌入零件表面并切割表面引起的磨损。其特点为：磨损率较大，零件表面摩擦方向上有划痕。2.磨粒磨损粘着磨损

磨粒磨损

零件间摩擦接触点表面的氧化膜不断形成且不断脱落所引起的磨损。

氧化磨损是最常见的磨损。磨损率远小于其他种类的磨损，是机械工程中唯一允许的磨损；磨损表面光亮，有均匀分布的极细微磨纹。3.氧化磨损

在循环载荷或振动作用下，零件嵌合部位以及紧配合处的某些区域，因微小往复滑动而产生的磨损。是粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损共同作用的结果。压配合轴微动磨损示意图4.微动磨损

微动磨损会引起应力集中而成为疲劳源易引起疲劳断裂。

特征为：配合面有大量粉末状磨损产物，有一定深度的磨痕蚀坑。

防止方法有：提高零件的硬度和耐磨性、减小表面接触压应力、降低零件表面粗糙度、改善润滑条件等。1.表面接触疲劳

点或线接触的零件在循环接触应力作用下，引起表面疲劳并小块材料剥落的现象（或称点蚀）。引起振动、噪音增大，产生附加冲击力、断裂等。特征为接触表面出现针状或痘状凹坑，坑内有贝纹疲劳裂纹扩展痕迹。10.1.4其它失效轮齿表面接触疲劳钢轨表面接触疲劳

零件在循环温度反复作用下产生表面裂纹的现象。如压铸模、热锻模、热轧辊等。

产生机理是零件表面和内层在加热和冷却的循环温度作用下，因膨胀和收缩变形相互制约，产生了相互作用的交变应力，进而引起疲劳。网状热疲劳裂纹2.热疲劳

循环温差愈大；具有凸台、棱角、缺口等结构，或有刀痕、表面粗糙、磨削裂纹等加工缺陷，热疲劳寿命均降低。分析零件的结构形状和尺寸设计是否合理；分析选材是否能满足工作条件的要求；分析加工工艺是否合适；分析安装是否正确，判断是否过紧、过松或对中不准、重心不稳等。零件失效原因的分析和确定程序10.2.1选材原则

1.满足使用性能要求

主要是力学性能。某些零件还要求一定的物理或化学性能。1）零件承载情况

拉应力为主：钢

承受压应力为主：钢或铸铁。2）零件工作条件

摩擦条件下：耐磨材料

高温条件下：耐热材料

腐蚀介质中：耐蚀材料10.2选材原则与步骤

强度高而尺寸小、质量轻：高强度合金钢

比强度高的材料：铝合金、钛合金等

刚度高而质量轻：复合材料等4）零件重要程度

危及人身、设备安全：综合力学性能优良材料。2.满足工艺性能要求1）毛坯种类

铸件：铸造性能好的材料（如铸铁、铸铝等）

焊接件：焊接性能好的材料（如低碳钢）

锻件：锻造性能好的材料（如中、低碳钢）

冲压件：冷冲压性能好的板材（如铝板、铜板、低碳钢板等）3）零件尺寸和质量限制

淬火形状复杂：选淬火变形和淬裂敏感性小的材料。3）切削加工

切削加工零件：选切削加工性好的材料。3.满足经济性要求1）尽量采用廉价材料

对于大批量生产零件尤为重要。2）利于降低加工费用

某些单件或小量生产的箱体件，钢板焊接比灰铸铁铸造成本更低。3）利于提高材料利用率

采用适合于无切屑、少切屑加工（如模锻、精铸、冲压等）的材料，既省工又省料。2）热处理

对于某些加工工艺复杂、要求使用寿命长的单件、小量生产的零件或工具，采用价格较贵的合金钢不仅可降低废品率而且可延长使用寿命，比采用廉价的碳钢经济性更好。10.2.2选材步骤4）利于延长使用寿命1.工作条件分析和失效形式预测

工作条件分析：受载分析(载荷性质、种类、分布和大小)、工作环境等。再预测失效形式（断裂、摩损等）及其部位。

根据工作条件分析和失效形式预测，确定零件的使用性能及其指标。1）强度（Re、Rm）

塑性变形：下屈服强度ReL或规定塑性延伸强度Rp作为设计依据。

以脆性断裂为主的零

件，常以Rm作为强度指标。2）疲劳极限（σ-1、σN）

疲劳断裂：疲劳极限σ-1或σN为性能指标。

按σlim

≥σmax×[S]）算出σlim，即为要求的σ-1或σN。2.确定零件材料使用性能3）硬度

表面接触疲劳或磨损：硬度HBW、HRC为性能指标。

重要零件分为初选材料、装机试验和终选材料三个阶段。1）初选材料

零件用钢:一般选结构钢

工具用钢：一般选工具钢

需综合考虑：截面大小、耐磨性、热硬性、抗热疲劳性等。2）装机试验

零件的工作状态与材料试样的力学性能试验状态（形状、尺寸和受力等）往往存在差异，故应进行装机试验或模拟试验。3.选择材料3）终选材料

若早期失效，则失效分析，为重新选材提供依据。

对非重要零件选材，一般可借助材料手册或生产经验直接选材。10.3.1齿轮零件

作用是传递扭矩、改变运动速度和方向，有的齿轮仅起分度定位作用。1.工作条件

齿根：交变弯曲应力、应力集中、震动冲击

齿面：接触压应力、摩擦2.主要失效形式（1）轮齿折断

多数为疲劳断裂。过载断裂是因短时过载或过大冲击引起，多发生在淬透的硬齿面齿轮或脆性材料齿轮上。10.3典型零件选材及工艺分析实例

（2）齿面点蚀

齿面表层产生点状、小片剥落的破坏；（3）齿面磨损

齿面产生磨粒磨损、粘着磨损或正常磨损现象。（4）齿面塑性变形

强度不够和齿面硬度较低时产生。3.主要性能要求（1）齿面有高硬度和耐磨性；（2）齿面具有高接触疲劳强度，齿根具有高的弯曲疲劳强度；（3）轮齿的心部要有足够的强度和韧性。

因小齿轮受载次数多，故应比大齿轮硬度高些。一般差值为30~50HBW。

齿轮绝大多数是钢质，某些开式传动的低速齿轮可用铸铁，特殊情况下还可用非铁金属和工程塑料。（1）钢质

重要齿轮都采用锻造毛坯。

4．选材及热处理轻载、低(中)速、冲击力小、精度较低的一般齿轮中碳钢,正火或调质,软齿面,160～200HBW中载、中速、一定冲击载荷、运动较平稳齿轮中碳钢（合金钢）,表面淬火及低温回火，硬齿面，50～55HRC

齿面硬度≤350HBW：软齿面齿轮齿面硬度＞350HBW：硬齿面齿轮

（2）非铁金属材料齿轮

仪表或接触腐蚀性介质的轻载齿轮，有黄铜、青铜、硬铝和超硬铝。（3）工程塑料齿轮

仪表、小型机械的轻载、无润滑小齿轮。有尼龙、夹布压层热固性树脂等。具有密度小、摩擦系数小、减震、工作噪声小等优点；但强度低，工作温度不高。重载、中（高）速，较大冲击齿轮低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，渗碳+淬火+低温回火，58～63HRC齿轮零件的热处理作用汽车齿轮：下料→锻造→正火→粗、半精切削加工→渗碳+淬火+低温回火→喷丸→精磨→检验。正火消除毛坯锻造应力，均匀组织，细化晶粒，为最终热处理作好组织准备；获得良好切削性能。渗碳提高表面碳含量，淬火后获得表面高硬度、高耐磨性的高碳马氏体。淬火表面获得高碳马氏体组织，具有高硬度；同时使心部获得获得低碳马氏体组织，具有足够的强度和韧性。

喷丸清除表面氧化皮，并产生加工硬化作用、齿面形成压应力，提高其疲劳强度。

装配、支承回转零件，并传递运动和扭矩的作用。1.工作条件

转轴：承受弯曲和扭转应力

心轴:只承受弯曲应力

传动轴:主要承受扭转切应力

作回转运动的轴都在交变应力状态下工作。轴在配合部位有摩擦磨损，还会受到一定程度的过载和冲击。2.主要失效形式（1）断裂，大多是疲劳断裂；（2）轴相对运动表面的过度磨损；（3）发生过量扭转或弯曲变形；（4）有时还可能发生腐蚀失效。10.3.2轴类零件（1）具有高强度、良好韧性，即良好综合力学性能；（2）具有较高的疲劳强度；（3）轴颈、花键等摩擦部位：高的硬度和耐磨性。4.选材及热处理

多用碳素或合金的结构钢，锻件或轧制型材为毛坯。（1）轻载、低速、不重要轴：Q235、Q275等碳素结构钢，通常不热处理；（2）中等载荷、精度一般：优质碳素结构钢，正火或调质。轴颈等处表面淬火和低温回火。（3）受较大载荷、精度高、低温等恶劣条件：如20Cr、40Cr等合金钢。调质+表面淬火；渗碳+淬火+低温回火、渗氮等热处理。3.使用性能要求（1）正火为了均匀化微观组织、细化晶粒，为后续热处理作组织准备；可消除锻造应力，调整材料硬度，改善切削加工性能。（2）调质处理可获得回火索氏体组织，使材料获得较好的综合力学性能，为后续的表面淬火作组织准备。（3）淬火及回火轴上锥体和花键等局部进行淬火、回火，获得高硬度、高耐磨性及高疲劳强度，再经低温回火消除应力，可防止磨削时产生裂纹。

轴类零件的热处理作用

机床主轴：下料→锻造→正火→粗切削加工→调质→半精切削加工→局部表面淬火+低温回火→粗磨→精磨。1.工作条件

外形、内腔结构较复杂，重量从几千克至数十吨，一般承受静力，对其他零部件起支撑或保护作用。2.性能要求与选材受力不大，良好刚度和密封性→铸铁件受力复杂或受力较大→铸钢件受力不大，要求自重轻或要求导热性良好→铸铝合金受力很小，要求自重轻→工程塑料件。单件或工期紧→焊接件受力较大、形状简单、尺寸较大→焊接件10.3.3箱体类零件铸钢件：消除粗晶粒、偏析、应力，完全退火或正火铸铁件：去应力退火或时效处理铝合金件：退火或淬火+时效处理4.典型零件的选材示例工艺路线为：铸造毛坯→去应力退火→划线→切削加工3.热处理中等尺寸减速器箱体

形状复杂，要求较好的刚度、减震性和密封性。

轴承孔承受载荷较大：HT250，砂型铸造模具材料性能要求：（1）耐磨性

坯料与型腔表面存在剧烈摩擦，耐磨性是模具最重要的性能之一。硬度越高，耐磨性也越好。耐磨性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

承受一定冲击载荷，应具有较高强度和一定韧性。韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。（3）抗疲劳断裂

循环应力导致疲劳断裂。有小能量多次冲击、拉伸、接触、弯曲等疲劳断裂。主要取决于材料强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的含量。10.3.4模具类零件（4）高温性能

模具工作温度较高时，硬度和强度下降，致磨损或塑性变形。应具有较高耐回火稳定性。（5）耐冷热疲劳性能

反复加热和冷却会引起热疲劳，导致模腔表面龟裂、剥落，降低尺寸精度。是热作模具主要失效形式。（6）耐蚀性

如塑料含氯、氟等，受热分解析出HCl、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模腔，加大表面粗糙度和磨损。

模具材料还应有良好可锻性、淬硬性、淬透性、切削加工性，

低的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。冷作模具主要性能要求：

高耐磨性、抗疲劳能力，足够的强度和韧性，良好的抗擦伤和抗咬合性能、良好的加工工艺性能。

九十年代以前，国内常用冷作模具钢有：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢

、轴承钢、弹簧钢、渗碳钢、不锈钢等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn、W18Cr4V、3Crl3等。1.冷作模具选材

该类钢在淬透性、热处理变形量、强韧性配合等方面均有改善，适用于制造高精度复杂模具。7CrSiMnMoV（CH）：空淬微变形钢。耐磨性比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。常用于强韧性要求较高的冷作模具，如冲孔凸模、中薄钢板（2~5mm厚）修边落料模等。也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。6CrMnNiMoVSi：Ni进一步强韧化了基体。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。新型冷作模具钢高强韧耐磨钢常用的Cr12系列冷作模具钢具有良好的淬透性、耐磨性，但共晶碳化物偏析较严重，韧性较差，淬火后变形较大。为此，开发了高强韧耐磨钢，如：

此类钢碳、铬含量较低，改善了碳化物不均匀性，提高了韧性；增加了W、Mo、V含量，增强了二次硬化能力，提高了耐磨性。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）Cr8WmoV3Si（代号ER5）9Cr6W3Mo2V2（代号GM）Cr8MoV2Ti80Cr7Mo3W2V

热作模具：高温状态下进行压力加工的模具。工作条件较为恶劣，应具有一定的高温强度，具有韧性、硬度、抗疲劳性等综合性能，具有一定的抗氧化性。

主要分为：低合金、中合金铬系及高合金钨钼系。（1）低合金热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo20世纪80年代以前常用，低耐热高韧性钢。因淬透性不能满足大截面锤锻模要求，使用温度不能超过500℃。目前正逐步被淘汰，仅在普通热锻模中选用。4Cr3Mo2V1含有较少量铬（2.5%）的4Cr3Mo2V1钢比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、