零部件的失效與選材

1、第十三章 零部件的失效與選材第一節(jié) 零部件的失效一、失效概念所謂失效（failure）是指零部件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能等的變化而失去預(yù)定功能的現(xiàn)象。由于零部件的失效，會使機(jī)床失去加工精度、輸氣管道發(fā)生泄漏、飛機(jī)出現(xiàn)故障等，嚴(yán)重地威脅人身生命和生產(chǎn)的安全，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效機(jī)理、提出失效的預(yù)防措施便具有十分重要的意義。二、失效形式零部件常見的失效形式有變形失效(deformation failure)、斷裂失效(fracture failure)、表面損傷失效(surface damage failure)及材料老化失效(materi

2、als ageing failure)等。1、變形失效 彈性變形失效 一些細(xì)長的軸、桿件或薄壁筒零部件，在外力作用下將發(fā)生彈性變形，如果彈性變形過量，會使零部件失去有效工作能力。例如鏜床的鏜桿，如果工作中產(chǎn)生過量彈性變形，不僅會使鏜床產(chǎn)生振動(dòng)，造成零部件加工精度下降，而且還會使軸與軸承的配合不良，甚至?xí)饛澢苄宰冃位驍嗔?。引起彈性變形失效的原因，主要是零部件的剛度不足。因此，要預(yù)防彈性變形失效，應(yīng)選用彈性摸量大的材料。 塑性變形失效 零部件承受的靜載荷超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形。塑性變形會造成零部件間相對位置變化，致使整個(gè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不良而失效。例如壓力容器上的緊固螺栓，如果擰得過緊

3、，或因過載引起螺栓塑性伸長，便會降低預(yù)緊力，致使配合面松動(dòng)，導(dǎo)致螺栓失效。2、斷裂失效斷裂失效是零部件失效的主要形式，按斷裂原因可分為以下幾種： 韌性斷裂(toughness fracture)失效材料在斷裂之前所發(fā)生的宏觀塑性變形或所吸收的能量較大的斷裂稱為韌性斷裂。工程上使用的金屬材料的韌性斷口多呈韌窩狀，如圖13-1所示。韌窩是由于空洞的形成、長大并連接而導(dǎo)致韌斷產(chǎn)生的。圖13-1 韌窩斷口 脆性斷裂(brittle fracture)失效材料在斷裂之前沒有塑性變形或塑性變形很?。?lt;25%）的斷裂稱為脆性斷裂。疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等均屬于脆性斷裂。 疲勞斷

4、裂(fatigue fracture)失效零部件在交變應(yīng)力作用下，在比屈服應(yīng)力低很多的應(yīng)力下發(fā)生的突然脆斷，稱為疲勞斷裂。由于疲勞斷裂是在低應(yīng)力、無先兆情況下發(fā)生的，因而具有很大的危險(xiǎn)性和破壞性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的斷裂失效屬于疲勞斷裂。疲勞斷裂最明顯的特征是斷口上的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)比較平滑，并通常存在疲勞休止線或疲勞紋疲勞斷裂的斷裂源多發(fā)生在零部件表面的缺陷或應(yīng)力集中部位。提高零部件表面加工質(zhì)量，減少應(yīng)力集中，對材料表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，都可以有效地提高疲勞斷裂抗力。 低應(yīng)力脆性斷裂失效石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力作用下，由于材料自身固有的裂紋擴(kuò)展

5、導(dǎo)致的無明顯塑性變形的突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆性斷裂。對于含裂紋的構(gòu)件，要用抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)一斷裂韌性（K1C）來衡量，以確保安全。低應(yīng)力脆性斷裂按其斷口的形貌可分為解理斷裂和沿晶斷裂。金屬在正應(yīng)力作用下，因原子間的結(jié)合鍵被破壞而造成的穿晶斷裂稱為解理斷裂。解理斷裂的主要特征是其斷口上存在河流花樣（見圖13-2），它是由于不同高度解理面之間產(chǎn)生的臺階逐漸匯聚而形成的。沿晶斷裂的斷口呈冰糖狀（見圖13-3）。圖13-2 解理斷口圖13-3 沿晶斷口3、表面損傷失效 由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為表面損傷失效。 磨

6、損(wear)失效 磨損失效是工程上量大面廣的一種失效形式。任何兩個(gè)相互接觸的零部件發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面會發(fā)生磨損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失效。例如軸與軸承，齒輪與齒輪、活塞環(huán)與汽缸套等摩擦付在服役時(shí)表面產(chǎn)生的損傷。 工程上主要是通過提高材料的硬度來提高零部件的耐磨性。另外，增加材料組織中硬質(zhì)相的數(shù)量，并讓其均勻、細(xì)小的分布；選擇合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工質(zhì)量；改善潤滑條件等都能有效地提高零部件的抗磨損能力。提高材料耐磨性的主要途徑是進(jìn)行表面強(qiáng)化，表13-1列出了表面強(qiáng)化工藝方法的分類及特點(diǎn)。 腐蝕(corrosion)失效由于化學(xué)或電化學(xué)

7、腐蝕而造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致的失效稱為腐蝕失效。合理地選用耐腐蝕材料，在材料表面涂覆防護(hù)層，采用電化學(xué)保護(hù)及采用緩蝕劑等可有效提高材料的抗腐蝕能力。表13-1 表面強(qiáng)化方法的分類和特點(diǎn)分類強(qiáng)化方法硬化層組織結(jié)構(gòu)硬化層厚度，.mm可獲得的表面硬度及變化表層殘余應(yīng)力大小，MPa適用工件材料最小最大表面形變強(qiáng)化及表面拋、磨光噴丸亞晶粒細(xì)化，高密度位錯(cuò)0.41.0增加20%40%壓應(yīng)力48鋼，鑄鐵，有色金屬滾輪磨光1.020.0增加20%50%壓應(yīng)力68流體拋光0.10.3增加20%40%壓應(yīng)力24金剛砂磨光0.010.20增加30%60%壓應(yīng)力810化學(xué)熱處理滲碳馬氏體及碳化物0.52.0

8、HRC6067壓應(yīng)力410低碳鋼氮化氮化物0.050.60HV6501200壓應(yīng)力410鋼，鑄鐵滲硼硼化物0.070.15HV13001800鋼，鑄鐵滲釩碳化釩0.0050.02HV28003500鋼，鑄鐵滲硫低硬度硫化物（減摩）0.051.00-鋼，鑄鐵表面冶金強(qiáng)化表面冶金涂層固溶體+化合物0.520HB200650拉應(yīng)力15鋼，鑄鐵有色金屬表面激光處理細(xì)化組織HV10001200鋼表面激光上軸非晶態(tài)Fe-P-SiHV12901530 鋼表面薄膜強(qiáng)化鍍鉻純金屬0.011.0HV5001200拉應(yīng)力26鋼、鑄鐵，有色金屬化學(xué)氣相沉積TiC，TiN0.0010.01HV12003500離子鍍Al

9、膜，Cr膜0.0010.01HV2002000化學(xué)鍍Ni-P，Ni-B0.0050.1HV4001200電刷鍍高密度位錯(cuò)0.005HV200700 表面疲勞失效 表面疲勞失效是指兩個(gè)相互接觸的零部件相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在交變接觸應(yīng)力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造成的失效。4、材料的老化 高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變粘等現(xiàn)象，從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱為高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。一個(gè)零部件失效，總是以一種形式起主導(dǎo)作用。但是，各種失效因素相互交叉作用，可以組合成更復(fù)雜的失效形式。例如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、蠕變疲勞交互作用等。三、失效原因

10、 造成零部件失效的原因很多，主要有設(shè)計(jì)、選材、加工、裝配使用等因素。1、設(shè)計(jì)不合理零部件設(shè)計(jì)不合理主要表現(xiàn)在零部件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，例如過渡園角太小，尖銳的切口、尖角等會造成較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致失效。另外，對零部件的工作條件及過載情況估計(jì)不足，所設(shè)計(jì)的零部件承載能力不夠；或?qū)Νh(huán)境的惡劣程度估計(jì)不足，忽略和低估了溫度、介質(zhì)等因素的影響等，造成零部件過早失效。2、選材錯(cuò)誤選材所依據(jù)的性能指標(biāo)，不能反映材料對實(shí)際失效形式的抗力，不能滿足工作條件的要求，錯(cuò)誤地選擇了材料。另外，材料的治金質(zhì)量太差，如存在夾雜物、偏析等缺陷，而這些缺陷通常是零部件失效的發(fā)源地。3、加工工藝不當(dāng)零部件在加工或成形過程中，由

11、于采用的工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的各種質(zhì)量缺陷。例如較深的切削刀痕、磨削裂紋等，都可能成為引發(fā)零部件失效的危險(xiǎn)源。零部件熱處理時(shí)，冷卻速度不夠、表面脫碳、淬火變形和開裂等，都是產(chǎn)生失效的重要原因。4、裝配使用不當(dāng)在將零部件裝配成機(jī)器或裝置的過程中，由于裝配不當(dāng)、對中不好、過緊或過松都會使零部件產(chǎn)生附加應(yīng)力或振動(dòng)，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用維護(hù)不良，不按工藝規(guī)程操作，也可使零部件在不正常的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，造成零部件過早失效。四、失效分析 由于零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈來愈受到重視。通過失效分析，找出失效原因和預(yù)防措施，可改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)管理上的漏洞，提高管理

12、水平，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。失效分析的成果也常是新產(chǎn)品開發(fā)的前提，并能推動(dòng)材料科學(xué)理論的發(fā)展。失效分析是一個(gè)涉及面很廣的交叉學(xué)科。掌握了正確的失效分析方法，才能找到真正合乎實(shí)際的失效原因，提出補(bǔ)救和預(yù)防措施。1、失效分析的一般程序 收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏觀外形與尺寸的觀察和測量，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的部位。 調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。 查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。 試驗(yàn)研究： 材料成分分析及宏觀與微觀組織分析。檢查材料成分是否附合標(biāo)準(zhǔn)，組織是否正常（包括晶粒度，缺陷，非金屬夾雜物，相的形態(tài)、大小、數(shù)量、分布，裂紋及腐蝕情況等

13、）。 宏觀和微觀的斷口分析，確定裂紋源及斷裂形式（脆性斷裂還是韌性斷裂，穿晶斷裂還是沿晶斷裂，疲勞斷裂還是非疲勞斷裂等）。 力學(xué)性能分析。測定與失效形式有關(guān)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。 零部件受力及環(huán)境條件分析。分析零部件在裝配和使用中所承受的正常應(yīng)力與非正常應(yīng)力，是否超溫運(yùn)行，是否與腐蝕性介質(zhì)接觸等。 模擬試驗(yàn)。對一些重大失效事故，在可能和必要的情況下，應(yīng)作模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證經(jīng)上述分析后得出的結(jié)論。 綜合各方面的分析資料，最終確定失效原因，提出改進(jìn)措施，寫出分析報(bào)告。2、失效分析實(shí)例 鍋爐給水泵軸的斷裂分析某大型化肥廠從國外引進(jìn)的兩臺離心式鍋爐給水泵在試車過程中只運(yùn)行了1400多小時(shí)便先后發(fā)生斷軸事故

14、，嚴(yán)重地影響了工廠的正常試車和投產(chǎn)。泵軸的材質(zhì)相當(dāng)于我國的42CrMo鋼，外徑為90mm，斷裂部位為平衡鼓附近的軸節(jié)處，該處最小直徑為74mm。在試車期間，給水泵曾頻繁開停車。圖13-4為泵軸的斷口照片。圖13-4 鍋爐給水泵軸的斷口成分分析表明，泵軸材料的含碳量高于標(biāo)準(zhǔn)的上限（0.45%）達(dá)到0.48%。泵軸的心部組織為魏氏組織，表面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不合格材料。泵軸表面機(jī)械加工粗糙，斷口部位有四條明顯的深車刀痕，泵軸正是沿著這些刀痕之一整齊地發(fā)生脆性斷裂。斷口上存在著明顯的疲勞休止線，最終韌性斷裂區(qū)為較小的橢圓形區(qū)域，并且偏心。斷口邊緣存在許多撕裂臺階，為多源斷裂

15、。結(jié)論：泵軸的斷裂為低載荷高應(yīng)力集中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。深的車刀痕是高應(yīng)力集中源，也是引起泵軸斷裂的主要原因。泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材料。根據(jù)這一分析結(jié)論，國外廠商對化肥廠進(jìn)行了賠付。 合成氣壓縮機(jī)提板閥桿斷裂分析某大型合成氨廠合成氣壓縮機(jī)提板閥桿多次在開車后35天內(nèi)斷裂，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。該壓縮機(jī)是按進(jìn)口機(jī)仿制的。閥桿材質(zhì)為Cr11MoV，成分符合國標(biāo)，組織基本正常（回火索氏體），工作介質(zhì)為蒸汽。閥桿斷口存在疲勞紋，裂紋源位于閥桿一側(cè)邊緣，最終瞬斷區(qū)占斷面絕大部分面積，為高載荷小應(yīng)力集中的彎曲疲勞斷裂。斷裂發(fā)生于閥桿的上羅紋處（用以將閥桿固定在閥板上），在斷口附近

16、的羅紋根部與同側(cè)下羅紋的根部發(fā)現(xiàn)了大量裂紋，這些裂紋平直，短而粗，尖端較鈍，分支少而小，并成群出現(xiàn)，裂紋內(nèi)充滿腐蝕產(chǎn)物，為典型腐蝕疲勞裂紋。根據(jù)裂紋出現(xiàn)位置和緊固螺母與墊片之間磨痕輕重程度發(fā)現(xiàn)，閥桿與閥板孔偏心，使閥桿受到彎矩作用。結(jié)論：閥桿斷裂為高載荷小應(yīng)力集中彎曲腐蝕疲勞斷裂，加工與裝配不合理引起的彎曲應(yīng)力是閥桿斷裂的主要原因。建議適當(dāng)擴(kuò)大閥板孔，消除導(dǎo)致閥桿彎曲的因素。經(jīng)改進(jìn)后再未發(fā)生閥桿斷裂事故。 氣化爐氧管線內(nèi)壁裂紋分析某化工廠進(jìn)口裝置氣化爐的氧管線因多次泄漏影響生產(chǎn)而被換下，將氧管剖開后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁存在大量裂紋，如圖13-5(a)所示。氧管內(nèi)通有314、105大氣壓的飽和蒸汽和15

17、0、100大氣壓純氧的混合氣體。這些裂紋的存在會嚴(yán)重威脅人身生命和裝置的安全。氧管材質(zhì)為進(jìn)口TP321鋼（1Cr19Ni11Ti），外徑為114.3mm，壁厚為8.56mm。其成分符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，組織正常，無明顯塑性變形。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于內(nèi)壁并穿晶向外壁擴(kuò)展，裂紋分支很多，尖端尖銳且存在腐蝕產(chǎn)物，其在徑向上的形態(tài)為枯樹枝狀（見圖13-5(b)），這些都是應(yīng)力腐蝕裂紋的典型特征。應(yīng)力腐蝕嚴(yán)重部位裂紋的徑向長度已超過6mm，即壁厚的70%。氧管所受應(yīng)力來自于內(nèi)壓，經(jīng)計(jì)算，管內(nèi)壁周向拉應(yīng)力達(dá)63MPa。腐蝕來自于飽和蒸汽中的氯離子。盡管蒸汽用水中氯離子濃度不超過1ppm，但314的飽和蒸汽

18、遇到150純氧后會部分凝結(jié)于管壁，并在管壁缺陷處（如腐蝕坑）使氯離子濃縮。結(jié)論：氧管內(nèi)壁損傷是應(yīng)力腐蝕開裂，開裂原因是由于選材不當(dāng)造成的。(a) 著色后內(nèi)壁裂紋 (b) 徑向裂紋 50×圖13-5 氧管內(nèi)壁裂紋 乙烯裂解管內(nèi)壁局部腐蝕分析某大型石化廠的關(guān)鍵部件乙烯裂解管發(fā)生內(nèi)壁減薄，嚴(yán)重威脅工廠正常安全生產(chǎn)。裂解管材質(zhì)為HK40（ZG4Cr25Ni20）鋼，外徑為73mm，壁厚為7.5mm，管內(nèi)介質(zhì)為煤柴油和水蒸氣，介質(zhì)溫度為800900，壓力為0.170.25MPa，介質(zhì)中硫含量較高（0.61.0%）。裂解管材料成分、組織正常。圖13-6 裂解管內(nèi)壁的高溫腐蝕減薄裂解管因內(nèi)壁局部高

19、溫腐蝕而減薄，減薄量達(dá)60%（最薄處壁厚僅為3 mm），如圖13-6所示。減薄處覆蓋較厚的腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)X-射線衍射分析，腐蝕產(chǎn)物為鐵、鉻、鎳的氧化物和硫化物?；w附近腐蝕產(chǎn)物中元素分布的電子探針分析結(jié)果表明（見圖13-7），腐蝕產(chǎn)物在靠近基體處分層，在腐蝕產(chǎn)物與基體的交界處及枝晶間腐蝕產(chǎn)物中，鉻、硫含量很高，特別是在枝晶間腐蝕的前沿則全部是鉻的硫化物。枝晶間腐蝕深度的約三分之一向外，腐蝕產(chǎn)物中開始有氧出現(xiàn)。在從交界處向外的整個(gè)腐蝕層中，氧含量很高，而硫含量很低。結(jié)論：裂解管減薄是由于高溫下內(nèi)壁的硫化和氧化腐蝕造成的，硫化腐蝕是引起減薄的主要原因。其腐蝕機(jī)理是在管內(nèi)壁濃縮的硫穿過被破壞的Cr2O

20、3氧化膜進(jìn)入合金中，并首先與鉻形成鉻的硫化物（鉻與硫的結(jié)合力比鐵、鎳強(qiáng)）。硫化物一旦形成，便存在著被優(yōu)先氧化的傾向，氧擴(kuò)散進(jìn)入貧鉻區(qū)， (a) 二次電子像 (b) 鉻的面分布 (c) 硫的面分布 (d) 氧的面分布圖13-7 合金基體附近腐蝕產(chǎn)物中元素的面分布與硫化物發(fā)生置換反應(yīng)：2CrXS+3XO=XCr2O3+2S，在合金內(nèi)部形成Cr2O3。由于硫在金屬中的擴(kuò)散速度比氧大，被置換出的硫進(jìn)一步向內(nèi)擴(kuò)散，在合金深處的富鉻相如鉻的碳化物處形成新的硫化物，這種硫化和氧化反應(yīng)是反復(fù)交替進(jìn)行的。所形成的腐蝕產(chǎn)物與基體之間會形成低熔點(diǎn)共晶體，當(dāng)共晶體溫度低于使用溫度時(shí)，共晶體便會發(fā)生熔融。由于硫和氧通過

21、液體的擴(kuò)散比固體快，從而使合金的腐蝕加速。 采用低硫原料氣或耐硫腐蝕裂解管材料可有效防止高溫硫化腐蝕破壞。第二節(jié) 零部件的選材在掌握各種工程材料性能的基礎(chǔ)上，正確、合理地選擇和使用材料是從事工程構(gòu)件和機(jī)械零件設(shè)計(jì)與制造的工程技術(shù)人員一項(xiàng)重要的任務(wù)。一、選材的基本原則選材的基本原則是所選材料的使用性能應(yīng)能滿足零部件使用要求，經(jīng)久耐用，易于加工，成本低，即從材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面進(jìn)行考慮。1、使用性能原則使用性能是保證零部件完成指定功能的必要條件。使用性能是指零部件在工作過程中應(yīng)具備的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，它是選材的最主要依據(jù)。對于機(jī)械零件，最重要的使用性能是力學(xué)性能，對

22、零部件力學(xué)性能的要求，一般是在分析零部件的工作條件（溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等）和失效形式的基礎(chǔ)上提出來的。根據(jù)使用性能選材的步驟如下： 分析零部件的工作條件，確定使用性能 零部件的工作條件是復(fù)雜的。工作條件分析包括受力狀態(tài)（拉、壓、彎、剪切）、載荷性質(zhì)（靜載、動(dòng)載、交變載荷）、載荷大小及分布、工作溫度（低溫、室溫、高溫、變溫）、環(huán)境介質(zhì)（潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等）、對零部件的特殊性能要求（電、磁、熱）等。在對工作條件進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上確定零部件的使用性能。 分析零部件的失效原因，確定主要使用性能對零部件使用性能的要求，往往是多項(xiàng)的。例如傳動(dòng)軸，要求其具有高的疲勞強(qiáng)度、韌性和軸頸的耐磨性。

23、因此，需要通過對零部件失效原因的分析，找出導(dǎo)致失效的主導(dǎo)因素，準(zhǔn)確確定出零部件所必需的主要使用性能。例如，曲軸在工作時(shí)承受沖擊、交變等載荷作用，而失效分析表明，曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂，而不是沖擊斷裂，因此應(yīng)以疲勞抗力作為主要使用性能要求來進(jìn)行曲軸的設(shè)計(jì)。制造曲軸的材料也可由鍛鋼改為價(jià)格便宜、工藝簡單的球墨鑄鐵。表13-2列出了幾種常見零部件的工作條件、失效形式及對性能的要求。表13-2 幾種常用零部件的工作條件及對性能要求零部件工作條件失效形式主要力學(xué)性能承受應(yīng)力載荷性質(zhì)緊固螺栓拉、剪靜過量變形、斷裂強(qiáng)度、塑性傳動(dòng)齒輪壓、彎循環(huán)、沖擊磨損、麻點(diǎn)、剝落、疲勞斷裂表面硬度、疲勞強(qiáng)度、心部韌性

24、傳 動(dòng) 軸彎、剪循環(huán)、沖擊疲勞斷裂、過量變形、軸頸磨損綜合力學(xué)性能彈 簧彎、剪循環(huán)、沖擊疲勞斷裂屈強(qiáng)比、疲勞強(qiáng)度連 桿拉、壓循環(huán)、沖擊斷裂綜合力學(xué)性能軸 承壓循環(huán)、沖擊磨損、麻點(diǎn)剝落、疲勞斷裂硬度、按觸疲勞強(qiáng)度冷作模具復(fù)雜循環(huán)、沖擊磨損、斷裂硬度、足夠的強(qiáng)度和韌性 將對零部件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為對材料性能指標(biāo)的要求有了對零部件使用性能的要求，還不能馬上進(jìn)行選材。還需要通過分析、計(jì)算或模擬試驗(yàn)將使用性能要求指標(biāo)化和量化。例如“高硬度”這一使用性能要求，需轉(zhuǎn)化為“>60HRC”或“6265HRC”等。這是選材最關(guān)鍵、最困難的一步。需根據(jù)零部件的尺寸及工作時(shí)所承受的載荷，計(jì)算出應(yīng)力分布，再由工

25、作應(yīng)力、使用壽命或安全性與材料性能指標(biāo)的關(guān)系，確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值。 材料的預(yù)選 根據(jù)對零部件材料性能指標(biāo)數(shù)據(jù)的要求查閱有關(guān)手冊，找到合適的材料，根據(jù)這些材料的大致應(yīng)用范圍進(jìn)行判斷、選材。對用預(yù)選材料設(shè)計(jì)的零部件，其危險(xiǎn)截面在考慮安全系數(shù)后的工作應(yīng)力，必須小于所確定的性能指標(biāo)數(shù)據(jù)值。然后再比較加工工藝的可行性和制造成本的高低、以最優(yōu)方案的材料作為所選定的材料。2、工藝性能原則 材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。任何零部件都要通過一定的加工工藝才能制造出來。因此在滿足使用性能選材的同時(shí)，必須兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。當(dāng)工藝性能與使用性能相矛盾

26、時(shí)，有時(shí)正是從工藝性能考慮，使得某些使用性能合格的材料不得不被放棄，成為選擇材料的主導(dǎo)因素。工藝性能對大批量生產(chǎn)的零部件尤為重要，因?yàn)樵诖笈可a(chǎn)時(shí)，工藝周期的長短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。 金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能概括介紹如下：     金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能是指金屬適應(yīng)某種加工工藝的能力。主要是切削加工性能、材料的成型性能（鑄造、鍛造、焊接）和熱處理性能（淬透性、變形、氧化和脫碳傾向等）。 鑄造性能主要指流動(dòng)性、收縮性、熱裂傾向性、偏折和吸氣性等。接近共晶成分合金的鑄造性能最好。鑄鐵、硅鋁明等一般都接近共晶成分

27、。鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。 鍛造性能主要指冷、熱壓力加工時(shí)的塑性變形能力以及可熱壓力加工的溫度范圍，抗氧化性和對加熱、冷卻的要求等。低碳鋼的鍛造性最好，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。低合金鋼的鍛造性接近中碳鋼。高碳高合金鋼（高速鋼、高鎳鉻鋼等）由于導(dǎo)熱性差、變形抗力大、鍛造溫度范圍小，其鍛造性能較差，不能進(jìn)行冷壓力加工。形變鋁合金和銅合金的塑性好，其鍛造性較好。鑄鐵、鑄造鋁合金不能進(jìn)行冷熱壓力加工。 切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的難易程度以及對刃具的磨損程度來衡量。材料硬度在160230HB范圍內(nèi)時(shí)，切削加工性能

28、好。硬度太高，則切削抗力大，刃具磨損嚴(yán)重，切削加工性下降。硬度太低，則不易斷屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳鋼具有球狀碳化物組織時(shí)，其切削加工性優(yōu)于層片狀組織。馬氏體和奧氏體的切削加工性差。高碳高合金鋼（高速鋼、高鎳鉻鋼等）切削加工性也差。 焊接性能是指金屬接受焊接的能力。一般以焊接接頭形成冷裂或熱裂以及氣孔等缺陷的傾向大小來衡量。含碳量大于0.45%的碳鋼和含碳量大于0.38%的合金鋼，其焊接性能較差，碳含量和合金元素含量越高、焊接性能越差，鑄鐵則很難焊接。鋁合金和銅合金，由于易吸氣、散熱快，其焊接性比碳鋼差。 熱處理工藝性能主要指淬透性、變形開裂傾向及氧化、脫碳傾向等。鋼和鋁合金、

29、鈦合金都可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。合金鋼的熱處理工藝性能優(yōu)于碳鋼。形狀復(fù)雜或尺寸大、承載高的重要零部件要用合金鋼制作。碳鋼含碳量越高，其淬火變形和開裂傾向越大。選滲碳用鋼時(shí)，要注意鋼的過熱敏感性；選調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，要注意鋼的高溫回火脆性；選彈簧鋼時(shí)，要注意鋼的氧化、脫碳傾向。     高分子材料工藝性能 高分子材料的加工工藝比較簡單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同。但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。     陶瓷

30、材料的工藝性能 陶瓷材料的加工工藝路線為：備料成形加工（配料、壓制、燒結(jié)）磨加工裝配。陶瓷材料的加工工藝也比較簡單，主要工藝是成形。按零部件的形狀、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法（粉漿、熱壓、擠壓、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金剛石砂輪進(jìn)行磨加工外，幾乎不能進(jìn)行任何切削加工。3、經(jīng)濟(jì)性原則選材的經(jīng)濟(jì)性原則是在滿足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的總成本，包括材料的價(jià)格、加工費(fèi)、試驗(yàn)研究費(fèi)、維修管理費(fèi)等達(dá)到最低，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。為此，材料選用應(yīng)充分利用資源優(yōu)勢，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的材料，以降低原材料成本、減少運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用。選

31、用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不應(yīng)選用合金鋼。在滿足使用要求的條件下，可以鐵代鋼，以鑄代鍛、以焊代鍛，有效地降低材料成本、簡化加工工藝。例如用球墨鑄鐵代替鍛鋼制造中、低速柴油機(jī)曲軸、銑床主軸，其經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。對于要求表面性能高的零部件，可選用低廉的鋼種進(jìn)行表面強(qiáng)化處理來達(dá)到要求。當(dāng)然，選材的經(jīng)濟(jì)性原則并不僅是指選擇價(jià)格最便宜的材料，或是生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品，而是指運(yùn)用價(jià)值分析、成本分析等方法，綜合考慮材料對產(chǎn)品功能和成本的影響，從而獲得最優(yōu)化的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。例如，一些能影響整體生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵零部件，如果選用便宜材料制造，則需經(jīng)常更換，其換件時(shí)停車所造成的損失可能大得多，這時(shí)選用性能

32、好、價(jià)格高的材料，其總成本仍可能是最低的。二、典型零部件選材及工藝分析金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的強(qiáng)度、剛度較低、易老化，一般不能用于制作承受載荷較大的機(jī)械零件。但其減振性好，耐磨性較好，適于制作受力小、減振、耐磨、密封零件，如輕載齒輪、輪胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔點(diǎn)、高硬度、耐蝕性好、紅硬性高等特點(diǎn)，可用于制作高溫下工作的零部件、耐磨耐蝕零部件及切削刀具等。復(fù)合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比強(qiáng)度、高減振性、高抗疲勞能力、高耐磨性等優(yōu)異性能，是一種很有發(fā)展前途的工程材料。與以上三類工程材料

33、相比，金屬材料具有優(yōu)良的使用性能和工藝性能，儲藏量大，生產(chǎn)成本比較低、廣泛用于制作各種重要的機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是機(jī)械工業(yè)中最主要、應(yīng)用最廣泛的一類工程結(jié)構(gòu)材料。下面介紹幾種鋼制零部件的選材及熱處理工藝分析。 齒輪類零件的選材齒輪是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用廣泛的重要零件之一，主要用于傳遞動(dòng)力、調(diào)節(jié)速度或方向。1、齒輪的工作條件、主要失效形式及對性能的要求。 齒輪的工作條件：嚙合齒表面承受較大的既有滾動(dòng)又有滑動(dòng)的強(qiáng)烈磨擦和接觸疲勞壓應(yīng)力。傳遞動(dòng)力時(shí)，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承受較大的彎曲疲勞應(yīng)力。換擋、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)，承受沖擊載荷。 齒輪的主要失效形式：斷齒：除因過載（主要是沖擊載荷過大）產(chǎn)生

34、斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動(dòng)力時(shí)，在齒根部產(chǎn)生的彎曲疲勞應(yīng)力造成的。齒面磨損：由于齒面接觸區(qū)的磨擦，使齒厚變小、齒隙加大。接觸疲勞；在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，遂漸剝落，形成麻點(diǎn)。 對齒輪材料的性能要求：高的彎曲疲勞強(qiáng)度；高的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度；輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。2、典型齒輪的選材 機(jī)床齒輪 機(jī)床齒輪的選材是依其工作條件（園周速度、載荷性質(zhì)與大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了機(jī)床齒輪的選材及熱處理。表13-3 機(jī)床齒輪的選材及熱處理序號齒輪工作條件鋼種熱處理工藝硬度要求1在低載荷下工作，要求耐磨性好的齒輪159009500C滲碳，直接淬火，或7808

35、000C水冷，1802000C回火5863HRC2低速（<0.1m/s）、低載荷下工作的不重要的變速箱齒輪和掛輪架齒輪458408600C正火156217HB3低速（<0.1m/s）、低載荷下工作的齒輪（如車床溜板上的齒輪）458208400C水冷，5005500C回火200250HB4中速、中載荷或大載荷下工作齒輪（如車床變速箱中的次要齒輪）45高頻加熱，水冷，3003400C回火4550HRC5速度較大或中等荷下工作的齒輪，齒部硬度要求較高（如鉆床變速箱中的次要齒輪）45高頻加熱，水冷，2402300C回火5055HRC6高速、中等載荷，要求齒面硬度高的齒輪（如磨床砂輪箱齒輪）

36、45高頻加熱，水冷，1802000C回火5460HRC7速度不大，中等載荷，斷面較大的齒輪（如銑床工作面變速箱齒輪、立車齒輪）40Cr42SiMn45MnB8408600C油冷，6006500C回火200230HB8中等速度（24m/s）、中等載荷下工作的高速機(jī)床走刀箱、變速箱齒輪40Cr42SiMn調(diào)質(zhì)后高頻加熱，乳化液冷卻，2603000C回火5055HRC9高速、高載荷、齒部要求高硬度的齒輪40Cr42 SiMn調(diào)質(zhì)后高頻加熱，乳化液冷卻，1802000C回火，5460HRC10高速、中載荷、受沖擊、模數(shù)<5的齒輪（如機(jī)床變速箱齒輪、龍門銑床的電動(dòng)機(jī)齒輪）20Cr20Mn2B900

37、9500C滲碳，直接淬火，或8008200C油淬，1802000C回火5863HRC11高速、重載荷、受沖擊、模數(shù)>6的齒輪（如立車上的重要齒輪）20SiMnVB20CrMnTi9009500C滲碳，降溫至8208500C淬火，1802000C回火5863HRC12高速、重載荷、形狀復(fù)雜，要求熱處理變形小的齒輪38CrMoAl38CrAl正火或調(diào)質(zhì)后5105500C氮化850HV以上13在不高載荷下工作的大型齒輪50Mn265Mn8208400C空冷<241HB14傳動(dòng)精度高，要求具有一定耐磨性的大齒輪35CrMo8508700C空冷，6006500C回火（熱處理后精切齒形）255

38、302HB機(jī)床傳動(dòng)齒輪工作時(shí)受力不大，工作較平穩(wěn)，沒有強(qiáng)烈沖擊，對強(qiáng)度和韌性的要求都不太高，一般用中碳鋼（例如45鋼）經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后，再經(jīng)高頻感應(yīng)加熱表面淬火強(qiáng)化，提高耐磨性，表面硬度可達(dá)5258HRC。對于性能要求較高的齒輪，可選用中碳合金鋼（例如40Cr等）。其工藝路線為：備料鍛造正火粗機(jī)械加工調(diào)質(zhì)精機(jī)械加工高頻淬火+低溫回火裝配。正火工序作為預(yù)備熱處理，可改善組織，消除鍛造應(yīng)力，調(diào)整硬度便于機(jī)械加工，并為后續(xù)的調(diào)質(zhì)工序做好組織準(zhǔn)備。正火后硬度一般為180207HB，其切削加工性能好。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較高的綜合力學(xué)性能，提高齒輪心部的強(qiáng)度和韌性，以承受較大的彎曲應(yīng)力和沖擊載荷。調(diào)質(zhì)后的硬

39、度為3348HRC。高頻淬火+低溫回火可提高齒輪表面的硬度和耐磨性，提高齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度。高頻加熱表面淬火加熱速度快，淬火后脫碳傾向和淬火變形小，同時(shí)齒面硬度比普通淬火高約2HRC，表面形成壓應(yīng)力層，從而提高齒輪的疲勞強(qiáng)度。齒輪使用狀態(tài)下的顯微組織為：表面是回火馬氏體+殘余奧氏體，心部是回火索氏體。 汽車、拖拉機(jī)齒輪汽車、拖拉機(jī)齒輪的選材及熱處理詳見表13-4。表13-4 汽車、拖拉機(jī)齒輪常用鋼種及熱處理序號齒輪類型常用鋼種熱處理主要工序技術(shù)條件1汽車變速箱和分動(dòng)箱齒輪20CrMnTi20CrMo等滲碳層深：mn<3時(shí)，； 3< mn <5時(shí)，；mn >5時(shí)，1.1

40、-1.5mm齒面硬度：58-64HRC心部硬度：mn5時(shí), 32-45HRC；mn >5時(shí)，29-45HRC40Cr（淺層）碳氮共滲層深：>0.2mm表面硬度：51-61HRC2汽車驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)及從動(dòng)圓柱齒輪20CrMnTi 20CrMo滲碳滲層深度按圖紙要求，硬要求同序號1中滲碳工序?qū)由睿簃s5時(shí)；5< ms <8時(shí)，；ms >8時(shí)，1.2-1.6mm齒面硬度：58-64HRC心部硬度：ms8時(shí)，32-45HRC；ms >8時(shí)，29-45HRC汽車驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)及從動(dòng)圓錐齒輪20CrMnTi20CrMnMo滲碳3汽車驅(qū)動(dòng)橋差速器行星及半軸齒輪20CrMnTi20

41、CrMo20CrMnMo滲碳同序號1滲碳的技術(shù)條件4汽車發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸齒輪灰口鑄鐵HT180HT200170-229HB5汽車曲軸正時(shí)齒輪35、40、4540Cr正火149-179HB調(diào)質(zhì)207-241HB6汽車起動(dòng)機(jī)齒輪15Cr20Cr20CrMo15CrMnM,20CrMnTi滲碳層深：表面硬度：58-63HRC心部硬度：33-43HRC7汽車?yán)锍瘫睚X輪20（淺層）碳氮共滲層深：8拖拉機(jī)傳動(dòng)齒輪，動(dòng)力傳動(dòng)裝置中的圓柱齒輪，圓錐齒輪及軸齒輪20Cr20CrMo,20CrMnMo20CrMnTi,30CrMnTi滲碳層深：模數(shù)的0.18倍，但2.1mm各種齒輪滲層深度的上下限0.5mm,硬度要求

42、序號1、240Cr,40Cr（淺層）碳氮共滲同序號1中碳氮共滲的技術(shù)條件9拖拉機(jī)曲軸正時(shí)齒輪，凸輪軸齒輪，噴油泵驅(qū)動(dòng)齒輪45正火156-217HB調(diào)質(zhì)217-255HB灰口鑄鐵HT180170-229HB10汽車拖拉機(jī)油泵齒輪40，45調(diào)質(zhì)28-35HRC       mn法向模數(shù)； ms端面模數(shù)與機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時(shí)受力較大，受沖擊頻繁，因而對性能的要求較高。這類齒輪通常使用合金滲碳鋼（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工藝路線為：備料鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火+低溫回大噴丸磨削裝配。正火處理的作用與機(jī)床齒

43、輪相同。經(jīng)滲碳、淬火+低溫回火后，齒面硬度可達(dá)5862HRC，心部硬度為3545HRC。齒輪的耐沖擊能力、彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度均相應(yīng)提高。噴丸處理能使齒面硬度提高約23HRC，并提高齒面的壓應(yīng)力，進(jìn)一步提高接觸疲勞強(qiáng)度。齒輪在使用狀態(tài)下的顯微組織為：表面是回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物顆粒，心部淬透時(shí)是低碳回火馬氏體（+鐵素體），未淬透時(shí)，是索氏體+鐵素體。 軸類零部件的選材 軸是機(jī)械工業(yè)中最基礎(chǔ)的零部件之一，主要用以支承傳動(dòng)零部件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。1、軸的工作條件，主要失效形式及對性能的要求。 軸的工作條件：傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用。同時(shí)也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。

44、軸頸承受較大的磨擦。承受一定的過載或沖擊載荷。 軸的主要失效形式：疲勞斷裂 由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。斷裂失效 由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。磨損失效 軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。 對軸用材料的性能要求：高的疲勞強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂。良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖擊或過載斷裂。良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。2、典型軸的選材對軸類零部件進(jìn)行選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作條件和技術(shù)要求來決定。承受中等載荷，轉(zhuǎn)速又不高的軸，大多選用中碳鋼（例如45鋼），進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。對于要求高一些的軸，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼（例如40Cr

45、）并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。對要求耐磨的軸頸和錐孔部位，在調(diào)質(zhì)處理后需進(jìn)行表面淬火。當(dāng)軸承受重載荷、高轉(zhuǎn)速、大沖擊時(shí)，應(yīng)選用合金滲碳鋼（例如20CrMnTi）進(jìn)行滲碳淬火處理。 機(jī)床主軸圖13-8為C620車床主軸簡圖。該主軸承受交變扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷。但載荷和轉(zhuǎn)速不高， 沖擊載荷也不大。軸頸和錐孔處有磨擦。按以上分析，C620車床主軸可選用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為220250HB，軸頸和錐孔需進(jìn)行表面淬火，硬度為4654HRC。其工藝路圖13-8 C620車床主軸簡圖線為：備料鍛造正火粗機(jī)械加工調(diào)質(zhì)精機(jī)械加工表面淬火+低溫回火磨削裝配。正火可改善組織、消除鍛造缺陷，調(diào)整硬度便于機(jī)械加工，并為調(diào)質(zhì)做好組

46、織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)可獲得回火索氏體，具有較高的綜合力學(xué)性能，提高疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力。表面淬火+低溫回火可獲得高硬度和高耐磨性。表13-5給出了機(jī)床主軸的選材和熱處理。表13-5 根據(jù)工作條件推薦選用的機(jī)床主軸材料及其熱處理工藝序號工作條件選用鋼號熱處理工藝硬度要求應(yīng)用舉例1在滾動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)低速、輕或中等載荷精度要求不高稍有沖擊載何45調(diào)質(zhì)：8208400C淬火，5505800C回火220250HB一般簡易機(jī)床主軸2在滾動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速稍高、輕或中載荷精度要求不太高沖擊、交變載荷不大45整體淬硬：8208400水淬，3504000回火4045HRC龍門銑床、立式銑床、小型立式車床的主軸正火或調(diào)質(zhì)后局

47、部淬火正火：8408600空冷調(diào)質(zhì)：8208400水淬，5505800C回火局部淬火：8208400水淬，2402800回火229HB220250HB4651HRC3在滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承內(nèi)低速、輕或中載荷精度要求不很高有一定的沖擊、交變載荷45正火或調(diào)質(zhì)后軸頸部分表面淬火正火：8408600空冷調(diào)質(zhì)：8208400水淬,5505800C回火軸頸表面淬火：8609000高頻淬火（水淬），1602500C回火229HB220250HB 4657HRC（表面）CW61100、CB3463、CA6140、C61200等重型車床主軸4在滾動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)中等載荷、轉(zhuǎn)速略高精度要求較高交變、沖擊載荷較小40r40

48、MnB40MnVB整體淬硬：8305800C油淬，3604000C回火4045HRC滾齒機(jī)、銑齒機(jī)、組合機(jī)床的主軸調(diào)質(zhì)后局部淬硬調(diào)質(zhì)：8408600C油淬，6006500C回火局部淬硬：8308500C油淬，2803200C回火220250HB4651HRC5在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)中或重載荷、轉(zhuǎn)速略高精度要求較高有較高的交變、沖擊載荷40Cr40MnB40MnVB調(diào)質(zhì)后軸頸表面淬火調(diào)質(zhì)：8408600C油淬，5406200C回火軸頸淬火：8608800C高頻淬火，乳化液冷，1602800C回火220280HB4655HRC銑床、C6132車床主軸，M7475B磨床砂輪主軸6在滾動(dòng)或滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)輕、

49、中載荷，轉(zhuǎn)速較低50Mn2正火：820840空冷S241HB重型機(jī)床主軸7在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)中等或重載荷要求軸頸部分有更高的耐磨性精度很高有較高的交變應(yīng)力，沖擊載荷較小65Mn調(diào)質(zhì)后軸頸和方頭處局部淬火調(diào)質(zhì)：7908200C油淬，5806200C回火軸頸淬火8208400C高頻淬火,2002200C回火頭部淬火：7908200C油淬，2603000C回火250280HB5661HRC5055HRCM1450磨床主軸8工作條件同上，但表面硬度要求更高GCr159Mn2V調(diào)質(zhì)后軸頸和方頭處局部淬火調(diào)質(zhì)：8408600C油淬，6506800C回火局部淬火：8408600C油淬,1602000C回火25

50、0280HB50HRCMQ1420MB1432A磨床砂輪主軸9動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)等載荷、轉(zhuǎn)速很高精度要求不很高有很高的交變、沖擊載荷38CrMoAlA調(diào)質(zhì)后滲氮調(diào)質(zhì)：9309500C油淬，6306500C回火滲氮：5105600C滲氮260HB850HV（表面）M1G1432高精度磨床砂輪主軸、T4240A坐標(biāo)鏜床主軸、C215056多軸自動(dòng)車床中心軸、T68鏜桿10在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)中等載荷、轉(zhuǎn)速很高精度要求不很高沖擊載何不大，但交變應(yīng)力較高20Cr20Mn2B20MnVB20CrMnTi滲碳淬火9109400C滲碳7908200C淬火（油）1602000C回火表面 59HRCY236刨齒機(jī)、Y58

51、插齒機(jī)主軸，外圓磨床頭架主軸和內(nèi)圓磨床主軸11在滑動(dòng)軸承內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)重載荷，轉(zhuǎn)速很高高的沖擊載荷很高的交交應(yīng)力20CrMnTi12CrNi3滲碳淬火910-9400C滲碳320-3400C油淬160-2000C回火表面 59HRCY7163齒輪磨床，、CG1107車床、SG8030精密車床主軸資料來源：合金剛手冊下冊第三分冊，治金工業(yè)出版,1979年版。 汽輪機(jī)主軸汽輪機(jī)主軸尺寸大、工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。汽輪機(jī)主軸的主要失效方式是蠕變變形和由白點(diǎn)、夾雜、焊接裂紋等缺陷引起的低應(yīng)力脆斷、疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕開裂。因此對汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑

52、韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。對于在500以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高溫強(qiáng)度。根據(jù)汽輪機(jī)的功率和主軸工作溫度的不同，所選用的材料也不同。對于工作在450以下的材料，可不必考慮高溫強(qiáng)度，如果汽輪機(jī)功率較小（<12000kW），且主軸尺寸較小，可選用45鋼，如果汽輪機(jī)功率較大（>12000kW），且主軸尺寸較大，則須選用35CrMo鋼，以提高淬透性。對于工作在500以上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大（>125000kW），要求高溫強(qiáng)度高，需選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用25CrMoVA或27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15CrMo或17

53、CrMoV鋼。對于工作溫度更高，要求更高高溫強(qiáng)度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼20Cr3MoWV（<540）或鐵基耐熱合金Cr14Ni26MoTi（<650）、Cr14Ni35MoWTiAl（<680）制造。氣輪機(jī)主軸的工藝路線為：備料鍛造第一次正火去氫處理第二次正火高溫回火機(jī)械加工成品。第一次正火可消除鍛造內(nèi)應(yīng)力；去氫處理的目的是使氫從鍛件中擴(kuò)散出去，防止產(chǎn)生白點(diǎn)；第二次正火是為了細(xì)化組織，提高高溫強(qiáng)度；高溫回火是為了消除正火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使合金元素分布更趨合理（V、Ti充分進(jìn)入碳化物，Mo充分溶入鐵素體），從而進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度。 內(nèi)燃機(jī)曲軸曲軸是內(nèi)燃機(jī)的脊梁骨，工作時(shí)受交變

54、的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動(dòng)和沖擊力的作用。按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料。通常低速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的45鋼或球黑鑄鐵；中速的內(nèi)燃機(jī)曲軸選用調(diào)質(zhì)態(tài)的45鋼、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳合金鋼（例如40Cr）或球墨鑄鐵。高速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用強(qiáng)度級別再高一些的合金鋼（例如42CrMo等）。內(nèi)燃機(jī)曲軸的工藝路線為：備料鍛造正火粗機(jī)械加工調(diào)質(zhì)精機(jī)械加工軸頸表面淬火+低溫回火磨削裝配。各熱處理工序的作用與機(jī)床主軸的相同。近年來常采用球墨鑄鐵代替45鋼制作曲軸，其工藝路線為：備料熔煉鑄造正火高溫回火機(jī)械加工軸頸表面淬火+低溫回火裝配。鑄造質(zhì)量是球墨鑄鐵的關(guān)鍵，首先要保證鑄鐵的球化良好、無鑄造缺陷，然后再經(jīng)風(fēng)冷正火，以增加組織中的珠光體含量并細(xì)化珠