工程材料11零件的失效與選材

1、 11 11 機(jī)械零件的選材與工藝分析機(jī)械零件的選材與工藝分析 機(jī)械零件由于種種原因喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象，稱為失效。 在以下情況下都認(rèn)為零件已經(jīng)失效： 零件可工作但不能完成指定的功能； 零件有損傷而不能繼續(xù)完全使用； 零件完全不能工作。 達(dá)到預(yù)定壽命的失效稱為正常失效。遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的不正常失效稱為早期失效。 11.1.1 概述概述 11.1 機(jī)械零件的失效分析機(jī)械零件的失效分析 11.1.2 失效的形式失效的形式 零件過量的塑性變形零件過量的塑性變形 由于偶然的過載和材料抵抗塑性變形的能力不夠，零件 會產(chǎn)生塑性變形。過量的塑性變形也會導(dǎo)致機(jī)器實效。如精密機(jī)床絲杠，產(chǎn)生塑性變形后而使機(jī)床精度下

2、降。表現(xiàn)為過度的彈性或塑性變形（整體或局部的）、蠕變等。1.變形失效變形失效 零件過量的彈性變形零件過量的彈性變形 有些零件若發(fā)生過量的彈性變形也會造成機(jī)器實效。如機(jī)床主軸、鏜床的鏜桿、機(jī)床的導(dǎo)軌等。蠕變?nèi)渥?材料在恒力作用下，產(chǎn)生塑性變形。 包括在靜載荷、交變載荷、沖擊載荷作用下引起零件斷裂、疲勞破壞以及應(yīng)力腐蝕破裂等。 零件在磨擦過程中其表面損壞造成機(jī)器無法工作或失去精度的現(xiàn)象稱為表面損傷失效。表面磨損為主要形式。 表面磨損可分為:咬合磨損（粘著磨損）、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。為過量的磨損、表面龜裂、麻點(diǎn)剝落等零件的表面損傷。 斷裂是指零件在工作過程中完全斷裂，使機(jī)器無法工作的現(xiàn)象

3、。 斷裂的方式有：過量塑性變形后的韌性斷裂、低應(yīng)力作用下的脆性斷裂和交變應(yīng)力作用下的疲勞斷裂等。 斷裂是最危險的一種失效形式，應(yīng)認(rèn)真考慮如何防止斷裂事故的發(fā)生。2.磨損失效磨損失效3.斷裂失效斷裂失效高溫蠕變 11.1.3 失效原因失效原因零零件件失失效效加加 工工設(shè)設(shè) 計計計算錯誤熱處理缺陷焊接缺陷 結(jié)構(gòu)外形不合理工作條件估計錯誤冷加工缺陷鑄鍛造缺陷安裝使用維護(hù)環(huán)境安裝使用維護(hù)環(huán)境材料材料材質(zhì)低劣選材不當(dāng)操作失誤過載使用維護(hù)不良安裝不良腐蝕低溫脆性 也稱為晶界強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化。金屬晶粒越小，其強(qiáng)度越大，韌性和塑性越好。是提高材料性能的最好手段之一。 提高材料性能的途徑提高材料性能的途徑 機(jī)械設(shè)

4、計和機(jī)器制造者所遇到的大多數(shù)問題是材料的強(qiáng)化和選用問題。為防止零件過早實效，應(yīng)通過各種途徑來提高材料的性能。1提高材料強(qiáng)度的幾個途徑提高材料強(qiáng)度的幾個途徑 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 當(dāng)二種或二種以上元素形成合金時，溶質(zhì)原子溶入溶劑的晶格中，使晶格產(chǎn)生很大畸變，從而產(chǎn)生強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。大多數(shù)材料都不同程度地利用了固溶強(qiáng)化。 加工硬化加工硬化 實質(zhì)是金屬塑性變形時的位錯強(qiáng)化。典型的例子如彈簧鋼絲的冷拔、零件表面的噴丸處理等。 細(xì)化組織強(qiáng)化細(xì)化組織強(qiáng)化 相變強(qiáng)化相變強(qiáng)化 相變強(qiáng)化相變強(qiáng)化通過熱處理使材料產(chǎn)生貝氏體相變、馬氏體相變來強(qiáng)化。 方法是將形變強(qiáng)化（鍛、軋等）與熱處理強(qiáng)化結(jié)合起來，提高材料的綜合力學(xué)性

5、能。2提高材料韌化的途徑提高材料韌化的途徑 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒，不僅提高強(qiáng)度，而且也能提高材料的韌性。 形變熱處理形變熱處理 低碳馬氏體強(qiáng)韌化低碳馬氏體強(qiáng)韌化 11.1.4 失效分析失效分析現(xiàn)場調(diào)查現(xiàn)場調(diào)查失效特征失效特征服役條件服役條件失效部位取樣分析失效部位取樣分析查閱相關(guān)原始資料查閱相關(guān)原始資料原始資料的正確性制造過程的執(zhí)行情況冷熱加工質(zhì)量材料成分綜合分析綜合分析解決方案解決方案正在使用和庫存件的解決方案正在使用和庫存件的解決方案新生產(chǎn)件的解決方案新生產(chǎn)件的解決方案臺架試驗臺架試驗使用考驗使用考驗 選材的首要任務(wù)是準(zhǔn)確判斷準(zhǔn)確判斷零件所要求的使用性能使用性能，然后再確定所選材料應(yīng)具

6、備的主要性能指標(biāo)及具體數(shù)值并進(jìn)行選材。工作條件是指： 零件的受力情況零件的受力情況，如載荷形式、載荷性質(zhì)、摩擦狀況等； 環(huán)境狀況環(huán)境狀況，如工作溫度、介質(zhì)等； 特殊要求特殊要求，如導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性等。 如重要齒輪，應(yīng)把疲勞強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、接觸疲勞抗力、硬度作為主要性能指標(biāo)。 11.2 機(jī)械零件選材的一般原則機(jī)械零件選材的一般原則 11.2.1 選材的一般原則選材的一般原則一）使用性能原則一）使用性能原則1分析零件的工作條件，確定使用性能分析零件的工作條件，確定使用性能原則：保證使用性能，兼顧工藝性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保及資源優(yōu)化。1) 材料和零件服役的實際情況材料和零件服役的實際情況 材料的冶金

7、缺陷。零件實際應(yīng)力狀態(tài)。2) 鋼材的尺寸效應(yīng)鋼材的尺寸效應(yīng) 對淬透性的影響。對淬硬性的影響。鑄鐵件的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象。3) 材料強(qiáng)度、塑性、韌性的合理配合材料強(qiáng)度、塑性、韌性的合理配合 強(qiáng)度方面。一般情況下，鋼材強(qiáng)度提高后，塑性要下降。當(dāng)塑性很低時，就可能造成零件的脆性斷裂。 塑性方面。塑性主要作用是增加零件抗過載能力，提高安全性。 韌性方面。以脆斷為主要危險的零件，斷裂韌度是重要性能指標(biāo)。 4) 零件硬度的合理配合零件硬度的合理配合 按力學(xué)性能選材時，還必須考慮以下四個方面的問題：按力學(xué)性能選材時，還必須考慮以下四個方面的問題：對載荷均勻、截面無突變的零件,可有較高硬度;反之,有較高塑性。對高精

8、度零件，一般應(yīng)有較高的硬度。對相互摩擦的一對零件，要注意其兩者的硬度值應(yīng)有一定的差別。如軸的硬度高于軸承；小齒輪齒面硬度應(yīng)比大齒輪高2540HBW。 2進(jìn)行失效分析，確定使用性能進(jìn)行失效分析，確定使用性能 通過分析、計算，按數(shù)值從手冊的材料性能數(shù)據(jù)大致使用性能中進(jìn)行選材； 對高溫和腐蝕介質(zhì)中工作的零件，應(yīng)要求有良好的抗氧化性和耐蝕性； 對有特殊性能要求的零件，應(yīng)依據(jù)材料的物理性能和化學(xué)性能選材。 即要找出產(chǎn)生失效的主導(dǎo)因素，為較準(zhǔn)確地確定零件主要性能提供實踐的可靠依據(jù)。（失效分析過程圖）3從零件使用性能要求提出對材料性能的要求從零件使用性能要求提出對材料性能的要求二）工藝性原則二）工藝性原則

9、材料的工藝性應(yīng)滿足加工要求。 材料的工藝性是指材料適應(yīng)某種加工的能力。 零件一般是預(yù)先制毛坯(用鑄、鍛、焊等)，再進(jìn)行切削加工。 因此在滿足使用性能選材的同時，必須兼顧材料工藝性，以有利于在一定生產(chǎn)條件下，方便、經(jīng)濟(jì)地得到合格產(chǎn)品。 1)鑄造性鑄造性 包括流動性、收縮性、熱裂傾向性、偏析及吸氣性等。2)鍛造性鍛造性 包括可鍛性、冷鐓性、沖壓性、鍛后冷卻要求等。3)焊接性焊接性 指金屬材料在一定生產(chǎn)條件下接受焊接的能力。 4)粘結(jié)固化性粘結(jié)固化性 非金屬材料大多數(shù)靠粘結(jié)劑(包括基體自身的粘結(jié)作用)，在一定條件下粘結(jié)、固化成型。 5)可加工性可加工性 是指材料接受切削加工的能力?？杉庸ば詫Υ笈可?/p>

10、產(chǎn)的零件尤為重要，且常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。 6)熱處理工藝性熱處理工藝性 包括淬透性、變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性傾向、氧化脫碳傾向等。 材料的工藝性有：材料的工藝性有： 在滿足使用性能和工藝性能的前提下，選材時要注意價格便宜、成本低廉，還要注意加工費(fèi)用。 約占零件成本的30%70%。我國常用金屬材料的相對價格如下表所示。 三）經(jīng)濟(jì)性原則三）經(jīng)濟(jì)性原則1材料的價格材料的價格經(jīng)濟(jì)性涉及到： 材料成本材料成本(約占零件成本的30%70%)的高低，材料的供應(yīng)是否充足，同一產(chǎn)品中使用材料的品種、規(guī)格多少； 加工費(fèi)用加工費(fèi)用 (一般占零件成本的30%左右)，加工工藝過程是否復(fù)雜，成品率的高低等。 我國

11、常用金屬材料的相對價格材料相對價格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.31.5易切削鋼1.7合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni除外）1.72.5碳素工具鋼1.6低合金工具鋼34灰鑄鐵件1.4球墨鑄鐵件1.8可鍛鑄鐵件22.2碳素鑄鋼件2.53鑄鋁合金、銅合金8102加工費(fèi)用加工費(fèi)用 一般占零件成本的30%左右。各種熱處理方法的相對加工費(fèi)用如下表所示。常用熱處理方法的相對加工費(fèi)熱處理方法相對加工費(fèi)用退火（電爐）1球化退火1.8正火（電爐）1滲碳淬火回火6滲氮38液體氮碳共滲10調(diào)質(zhì)2.5四）環(huán)保性、資源優(yōu)化原則四）環(huán)保性、資源優(yōu)化原則 選材還應(yīng)該考慮環(huán)保和資源合理利用。盡可能做到綠色生

12、產(chǎn)、綠色使用和可持續(xù)發(fā)展。 11.2.2 選材的步驟選材的步驟零件材料的合理選擇按照以下步驟進(jìn)行： 1)在分析零件的服役條件、形狀尺寸與應(yīng)力狀態(tài)后，確定零件的技術(shù)條件。 2)通過分析或試驗，結(jié)合同類零件失效分析的結(jié)果，找出零件在實際使用中的主要和次要的失效抗力指標(biāo)，以此作為選材的依據(jù)。 3)根據(jù)力學(xué)計算（受力指標(biāo)） ，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標(biāo)，通過比較選擇合適材料。然后綜合考慮所選材料是否滿足失效抗力指標(biāo)和工藝性的要求，以及在保證實現(xiàn)先進(jìn)工藝和現(xiàn)代生產(chǎn)組織方面的可能性。 4)審核所選材料的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性(包括熱處理的生產(chǎn)成本等)。 5)試驗、投產(chǎn)。 選材的程序圖選材的程序圖工作條件分析工作

13、條件分析使用要求（可靠性使用要求（可靠性耐用性等）耐用性等）幾何形狀及幾何形狀及結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)要求 載荷條件及載荷條件及周圍介質(zhì)特性周圍介質(zhì)特性 材料經(jīng)濟(jì)性材料經(jīng)濟(jì)性材料主要抗力指標(biāo)材料主要抗力指標(biāo)材料工藝性材料工藝性技術(shù)條件制定技術(shù)條件制定材料的預(yù)選擇材料的預(yù)選擇用設(shè)計計算方法評估預(yù)選擇材料的能力用設(shè)計計算方法評估預(yù)選擇材料的能力材料耐用性材料耐用性結(jié)構(gòu)尺寸合理性結(jié)構(gòu)尺寸合理性在應(yīng)力狀態(tài)下變形和抗斷裂能力在應(yīng)力狀態(tài)下變形和抗斷裂能力材料最終選擇材料最終選擇工藝性能試驗工藝性能試驗臺架試驗臺架試驗實驗室試驗實驗室試驗 零件選材的具體方法應(yīng)視零件的品位和具體服役條件而定。 新設(shè)計的關(guān)鍵零件關(guān)鍵零件

14、，通常先進(jìn)行必要的力學(xué)性能試驗力學(xué)性能試驗；一般的常用零件(如軸類零件或齒輪等)，可以參考同類型產(chǎn)品中零件的有關(guān)資料和國內(nèi)外失效分析報告等來進(jìn)行選材。以下三種情況的選材方法：以下三種情況的選材方法：零件選材的具體方法零件選材的具體方法1)以綜合力學(xué)性能為主進(jìn)行選材以綜合力學(xué)性能為主進(jìn)行選材 當(dāng)零件工作時承受變動載荷與沖擊載荷時承受變動載荷與沖擊載荷時，其失效形式主要是過量變形與疲勞斷裂，要求材料具有較高的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性與韌性，即要求有較好的綜合力學(xué)性能要求有較好的綜合力學(xué)性能。如氣缸螺栓、鍛錘桿、鍛模、液壓泵柱塞、連桿等，要求整個截面淬透。選材時應(yīng)綜合考慮淬透性與尺寸效應(yīng)。 一般可采用：

15、一般可采用：調(diào)質(zhì)或正火狀態(tài)的碳鋼碳鋼；調(diào)質(zhì)或滲碳合金鋼合金鋼；正火或等溫淬火狀態(tài)的球墨鑄鐵球墨鑄鐵來制造。 采用強(qiáng)韌化處理。(如采用低碳馬氏體、下貝氏體、亞溫淬火等) 對傳動軸、齒輪等零件，其整個截面上受力是不均勻受力是不均勻的(如軸類零件表面承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大，而齒輪齒根處承受很大彎曲應(yīng)力)，因此疲勞裂紋開始于受力最大的表層，盡管對這類零件同樣有同樣有綜合力學(xué)性能的要求綜合力學(xué)性能的要求，但主要是強(qiáng)度主要是強(qiáng)度(特別是彎曲疲勞強(qiáng)度)，為了提高疲勞強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)提高抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度。同時，調(diào)質(zhì)后的組織(回火索氏體)比退火、正火組織的塑性、韌性好，并對應(yīng)力集中敏感性較小，因而具有較高的疲勞強(qiáng)度

16、較高的疲勞強(qiáng)度。 可選調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼(或低淬透性鋼)進(jìn)行表面淬火進(jìn)行表面淬火； 選滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火； 選滲氮鋼進(jìn)行滲氮滲氮鋼進(jìn)行滲氮。 以及對零件表面應(yīng)力集中易產(chǎn)生疲勞裂紋的地方進(jìn)行噴丸或滾噴丸或滾壓強(qiáng)化壓強(qiáng)化。 2)以疲勞強(qiáng)度為主進(jìn)行選材以疲勞強(qiáng)度為主進(jìn)行選材 材料的耐磨性是其抵抗磨損能力的指標(biāo)。 兩零件摩擦?xí)r，磨損量與其接觸應(yīng)力、相對速度、潤滑條件及摩擦副的材料有關(guān)。根據(jù)零件工作條件的不同選材： 在受力較小、摩擦較大的情況下在受力較小、摩擦較大的情況下，主要是磨損失效，故要求材料的耐磨性高。如各種量具、鉆套、頂尖、刀具、冷沖模等。硬度相同時，彌散分布的碳化物相越多，耐磨性

17、越好。 一般選過共析鋼一般選過共析鋼進(jìn)行淬火及低溫回火，以獲得高硬度的回火馬氏體和碳化物，滿足耐磨性要求。 同時受磨損與變動載荷、沖擊載荷的零件同時受磨損與變動載荷、沖擊載荷的零件，主要是磨損、過量的變形與疲勞斷裂失效，故要求心部有一定的綜合力學(xué)性能，表面有高的耐磨性。如傳動齒輪、凸輪等。 一般選適于表面熱處理的鋼一般選適于表面熱處理的鋼。 如有些齒輪，傳遞功率大，耐磨性及精度要求高，但沖擊小沖擊小，接觸應(yīng)力也小，則可選用中碳合金鋼滲氮處理選用中碳合金鋼滲氮處理。 對傳遞功率大，接觸應(yīng)力、摩擦磨損大，又在沖擊載荷沖擊載荷情況下工作的齒輪，應(yīng)采用低碳合金鋼滲碳處理低碳合金鋼滲碳處理。 3)以磨損

18、為主的選材以磨損為主的選材 對于在高應(yīng)力和大沖擊載荷作用下的零件(如鐵路道岔、坦克履帶等)，不但要求材料具有高的耐磨性，還要求有很好的韌性，此時可采用高錳鋼經(jīng)水韌處理來滿足要求。 3)以磨損為主的選材以磨損為主的選材 11.3 典型零件選材及工藝性分析典型零件選材及工藝性分析復(fù)合材料復(fù)合材料：綜合了多種不同材料的優(yōu)良性能，如強(qiáng)度、彈性模量高；抗疲勞、減摩、耐磨、減振性能好；化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異；故是一種極具發(fā)展前途的工程材料。 11.3.1 工程材料的主要特性及使用概況工程材料的主要特性及使用概況高分子材料高分子材料 ：強(qiáng)度、剛度（彈性模量）低，尺寸穩(wěn)定性較差，易老化。常用其制造一些輕載傳動齒輪、軸

19、承、緊固件及各種密封件等。陶瓷材料陶瓷材料：在室溫下幾乎沒有塑性，在外力作用下不產(chǎn)生塑性變形，而發(fā)生脆性斷裂。一般不用于制造重要的受力構(gòu)件。但其化學(xué)穩(wěn)定性好，具有高的硬度和紅硬性，故用于制造在高溫下工作的零件、切削刀具和某些耐磨零件。金屬材料金屬材料：具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和某些特殊的物理、化學(xué)性能的材料，被廣泛地用于制造各種重要的機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件，目前是機(jī)械工程中最主要的結(jié)構(gòu)材料。機(jī)械零件用材主要是鋼鐵材料。 一、軸類一、軸類 11.3.2 選材實例選材實例 軸是支承支承轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動零件零件并與之一起回轉(zhuǎn)以以傳遞傳遞運(yùn)動、運(yùn)動、扭矩扭矩或彎矩或彎矩的機(jī)械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同

20、的直徑。機(jī)器中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動的零件就裝在軸上。 1）軸的工作條件是： 承受交變扭轉(zhuǎn)及拉壓載荷； 軸頸、花鍵等部位承受較大的摩擦和磨損； 承受一定的過載和沖擊載荷。 工作條件、失效形式及性能要求工作條件、失效形式及性能要求2）軸的失效形式有：3）對軸的性能要求：斷裂、局部過度磨損。 足夠的強(qiáng)度、剛度和一定的韌性； 高的疲勞強(qiáng)度； 良好的切削加工性； 良好的耐磨性。 碳鋼：價格低，對應(yīng)力集中不敏感，可以通過熱處理提高耐磨性。 合金鋼：強(qiáng)度高 耐磨性好，可以滿足特殊工作要求。球墨鑄鐵： 價廉、對應(yīng)力集中敏感性低適于復(fù)雜外形的軸。 軸的材料軸的材料對軸材料的要求：對軸材料的要求： 強(qiáng)度、 剛度、 耐磨性。

21、增大軸徑；改變材料及熱處理；改進(jìn)軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強(qiáng)度；改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。提高軸的強(qiáng)度的常用措施：提高軸的強(qiáng)度的常用措施： 軸的選材及工藝分析軸的選材及工藝分析1） 機(jī)床主軸機(jī)床主軸 在與滾動軸承相配合與滾動軸承相配合時，硬度一般為220250HBW即可。對精度高的軸頸，其硬度可提高到4050HRC。 在與滑動軸承配合與滑動軸承配合中，軸頸和軸瓦直接摩擦，如與錫青銅軸承配合的主軸軸頸硬度不得低于300400HBW。 對于高精度機(jī)床主軸高精度機(jī)床主軸(如鏜床主軸)，由于少量磨損就會導(dǎo)致精度下降，常采用與淬火鋼質(zhì)滑動軸承配合，故主軸軸頸必須具有更高的硬度與耐磨性，常選滲氮用鋼作為主軸材料，

22、并進(jìn)行滲氮處理。 有內(nèi)錐孔或外錐體的內(nèi)錐孔或外錐體的主軸，如銑床主軸上需經(jīng)常調(diào)換刀具；磨床頭尾架主軸上需調(diào)換頂尖和卡盤等，裝拆過程中為防止這些部位的表面劃傷及磨損而影響與配件的配合精度，要求有足夠的耐磨性。 一般機(jī)床主軸上該部位的硬度應(yīng)在45HRC以上；高精度機(jī)床應(yīng)提高到56HRC以上。(1) 工作條件及技術(shù)要求工作條件及技術(shù)要求 承受摩擦與磨損承受摩擦與磨損機(jī)床主軸的某些部位承受著不同程度的摩擦，如軸頸軸頸，應(yīng)具有較高的硬度以增加耐磨性。軸頸的磨損程度決定于與其相配合的軸承類別。主軸主軸 工作時承受多種載荷工作時承受多種載荷機(jī)床主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時要受到各種載荷的作用，如彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等，故要

23、求主軸具有抵抗各種載荷的能力。當(dāng)彎曲載荷較大、轉(zhuǎn)速又很高時，主軸還承受著很高的交變應(yīng)力，因此要求主軸具有較高的疲勞強(qiáng)度。(2) 主軸的熱處理主軸的熱處理 當(dāng)主軸承受一般載荷一般載荷、轉(zhuǎn)速不高、沖擊與變動載荷較小時，可選用中碳鋼中碳鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理。要求高一些的要求高一些的，可選合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)處理。對于表面要求耐磨表面要求耐磨的部位，在調(diào)質(zhì)后尚需進(jìn)行表面淬表面淬火火。 當(dāng)主軸承受重載荷重載荷、高轉(zhuǎn)速、沖擊與變動載荷很大時，應(yīng)選用合金滲碳鋼合金滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火滲碳淬火。 C616車床主軸選材：車床主軸選材： 1） C616車床主軸選材車床主軸選材(1)工作條件。工作條件。 該

24、主軸承受交變彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，但由于承受的載荷與轉(zhuǎn)速均不高，沖擊作用也不大，故材料具有一般的綜合力學(xué)性能即可。 主軸大端的內(nèi)錐孔和外錐體，因經(jīng)常與卡盤、頂尖有相對摩擦；花鍵部位與齒輪有相對滑動，故這些部位要求較高的硬度與耐磨性。該主軸在滾動軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，軸頸硬度為220250HBW。 (2)性能要求。性能要求。熱處理技術(shù)條件為：整體調(diào)質(zhì)，硬度220250HBW；內(nèi)錐孔與外錐體淬火，硬度4550HRC，花鍵部位高頻感應(yīng)淬火，硬度4853HRC。 提問哪類材料適合C616車床主軸？怎樣熱處理才能達(dá)到要求？ (3)適合的材料適合的材料 根據(jù)工作條件分析，該主軸可選45鋼達(dá)到技術(shù)條件要求。45鋼雖屬于

25、淬透性較差的鋼種，但由于主軸工作時最大應(yīng)力分布在表層，同時主軸設(shè)計時，往往因剛度與結(jié)構(gòu)的需要已加大了軸徑，強(qiáng)度安全系數(shù)較高。又因在粗車后，軸的形狀較簡單，在調(diào)質(zhì)淬火時一般不會有開裂的危險。因此，不必選用合金調(diào)質(zhì)鋼，而可采用價廉、可鍛性與可加工性皆好的45鋼。(4)加工工藝路線加工工藝路線 下料鍛造正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械半精加工(除花鍵外)局部淬火、回火(錐孔及外錐體)粗磨(外圓、外錐體及錐孔)銑花鍵銑花鍵（不淬硬）花鍵高頻感應(yīng)淬火、回火精磨(外圓、外錐體及錐孔)。主軸的熱處理工藝分析：主軸的熱處理工藝分析： 因內(nèi)錐孔和外圓錐面常與卡盤、頂尖相對摩擦，內(nèi)錐孔和外圓錐面經(jīng)鹽浴局部淬火和回火后硬度達(dá)

26、到45HRC50HRC。 正火：消除應(yīng)力，改善鍛造組織。 調(diào)質(zhì)處理（整體調(diào)質(zhì)）硬度為200HBS250HBS，為回火馬氏體組織。目的是使主軸得到高的綜合機(jī)械性能。為了更好地發(fā)揮調(diào)質(zhì)的效果，故安排在粗加工之后。 花鍵部位采用高頻感應(yīng)加熱淬火和回火，以保證其耐磨和精度。內(nèi)燃機(jī)曲軸工作時承受扭轉(zhuǎn)和彎曲及沖擊力。 2）內(nèi)燃機(jī)曲軸）內(nèi)燃機(jī)曲軸高速大功率內(nèi)燃機(jī)曲軸：采用合金鋼，如35CrMo、42CrMo等。常用材料：常用材料： 工作條件：工作條件：中小功率內(nèi)燃機(jī)曲軸：最常用45鋼和球墨鑄鐵。 曲軸具有高的強(qiáng)度，一定的沖擊韌度和彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，在軸頸處要有高的硬度和耐磨性。 用用45鋼制造曲軸的工藝路

27、線：鋼制造曲軸的工藝路線： 下料鍛造正火正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工軸頸表面淬火、低溫回火精磨 熔煉鑄造高溫正火（950）高溫回火（560）機(jī)械加工軸頸氣體滲氮（滲氮溫度570）。用用QT700-2制造曲軸的工藝路線：制造曲軸的工藝路線：汽車半軸主要起傳遞扭矩使車輪轉(zhuǎn)動的作用。3）汽車半軸）汽車半軸常用材料：常用材料：要求：要求： 工作條件：工作條件：工作時主要承受沖擊、反復(fù)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。 熱處理技術(shù)要求：盤部與桿心部調(diào)質(zhì)2535HRC，為回火索氏體組織；桿部表面淬火并低溫回火5058HRC，為回火馬氏體組織。材料具有足夠的強(qiáng)度和韌性，高的疲勞強(qiáng)度。 一般中輕型汽車的半軸選45或40Cr、

28、40MnB鋼。 重型汽車的半軸用40MnB、40CrNi 、40CrNiMo 鋼。 對于對于40Cr鋼制造半軸的加工工藝路線為：鋼制造半軸的加工工藝路線為： 下料下料鍛造鍛造正火正火機(jī)械（粗）加工機(jī)械（粗）加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)機(jī)械加工機(jī)械加工桿部桿部中頻淬火低溫回火中頻淬火低溫回火磨削。磨削。 齒輪是機(jī)械制造中最常見的傳動件之一。 傳遞扭矩時，齒根部承受較大的交變彎曲應(yīng)力； 換檔、啟動或嚙合不均勻時承受沖擊力； 齒嚙合時齒面承受滾動、滑動造成的強(qiáng)烈摩擦和交變接觸應(yīng)力。二、齒輪類零件的選材二、齒輪類零件的選材1齒輪的工作條件、失效形式及性能要求齒輪的工作條件、失效形式及性能要求齒輪的工作條件：齒輪的工作

29、條件： 齒輪的主要失效形式：齒輪的主要失效形式：齒根疲勞斷裂、齒面局部剝落和過度磨損。 高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度； 高的齒面硬度和耐磨性； 良好的心部強(qiáng)度和韌性； 較好的工藝性能。對齒輪材料的性能要求對齒輪材料的性能要求： 沖擊載荷小的低速齒輪沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。 機(jī)床齒輪除選用金屬齒輪外, 有的還可改用塑料齒輪塑料齒輪，如用聚甲醛(或單體澆鑄尼龍)齒輪, 工作時傳動平穩(wěn), 噪聲減少, 長期使用無損壞, 且磨損很小。機(jī)床齒輪常用的材料有中碳鋼中碳鋼或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼中碳合金結(jié)構(gòu)鋼和低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼(滲碳鋼滲碳鋼)兩類

30、。經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，表面強(qiáng)度和硬度高，心部韌性好。齒輪類零件常用材料齒輪類零件常用材料 對于承受高速、高載荷和有沖擊作用的齒輪用合金滲碳鋼合金滲碳鋼如20Cr、20CrMnTi、20Mn2B、12Cr1Ni3等。采用的加工工藝路線為： 下料鍛造正火機(jī)械粗加工、半精加工(內(nèi)孔及端面留磨量)滲碳淬火、低溫回火噴丸校正花鍵孔珩(或磨)齒。 對于中小載荷齒輪常用45鋼鋼和40Cr鋼鋼；采用的加工工藝路線為： 下料鍛造正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械精加工高頻感應(yīng)淬火+低溫回火(或滲氮)精磨。 機(jī)床齒輪轉(zhuǎn)速中等，與礦山機(jī)械、動力機(jī)械中的齒輪相比載荷不大，工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊。2齒輪的選材及工藝分析齒輪的選材及工藝分

31、析 C616車床齒輪，可選用45號鋼。其工藝路線工藝路線如下： 下料鍛造正火正火粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工高頻淬火及回火高頻淬火及回火精磨1）機(jī)床齒輪）機(jī)床齒輪 工作條件：工作條件：一般選用中碳鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼。常用材料：常用材料： 正火處理可使組織均勻化，消除鍛造應(yīng)力，調(diào)整硬度，改善切削加工性能。 調(diào)質(zhì)處理可使齒輪具有較高的綜合力學(xué)性能。 高頻感應(yīng)加熱淬火可提高齒輪表面硬度和耐磨性。 回火可采用低溫回火或自行回火，以消除淬火應(yīng)力。 工藝分析：工藝分析： 一般選用滲碳鋼（20CrMnTi、20CrMnMo等）制造。 2）汽車、拖拉機(jī)齒輪）汽車、拖拉機(jī)齒輪工作條件與要求：工作條件與要求： 汽車、拖拉機(jī)的

32、工作條件比機(jī)床齒輪較惡劣，受力較大，超載荷和受沖擊頻繁。其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等，均要求比機(jī)床齒輪高。如某載重汽車變速箱中的一齒輪，選用20CrMnTi。常用材料：常用材料： 20CrMnTi鋼的熱處理工藝性較好，有較好的淬透性，滲碳淬火后變形小。 為改善20CrMnTi的切削加工性能，鍛造后一般要正火。 滲碳的作用是提高齒面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.8%1.05%），淬火后則可獲得0.8mm1.3mm的淬硬層。 噴丸處理是一種進(jìn)一步強(qiáng)化材料的手段，以提高疲勞強(qiáng)度。汽車滲碳齒輪的工藝路線：汽車滲碳齒輪的工藝路線： 下料鍛造正火正火機(jī)械加工滲碳、淬火及低溫回火滲碳、淬火及低溫回火噴丸噴

33、丸磨內(nèi)孔及換檔槽裝配 分析：分析： 是形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并帶有內(nèi)腔，工作條件相差很大。三、機(jī)架和箱體類零件的選材三、機(jī)架和箱體類零件的選材1. 機(jī)架類零件機(jī)架類零件 各種機(jī)械的機(jī)身、底座、支架、橫梁、工作臺以及齒輪箱、軸承座、閥體、導(dǎo)軌等均為典型機(jī)架類零件。機(jī)架類零件的種類：機(jī)架類零件的種類：機(jī)架類零件的特點(diǎn)：機(jī)架類零件的特點(diǎn)：機(jī)架類零件的功用：機(jī)架類零件的功用： 主要起支承和連接機(jī)床各部件的作用，以承受壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力為主，為保證工作的穩(wěn)定性，應(yīng)有較好的剛度及減振性；工作臺和導(dǎo)軌等，要求有較好的耐磨性，這類零件一般受力不大，但要求良好的剛度和密封性。常用材料：常用材料：機(jī)架類零件的功用

34、：機(jī)架類零件的功用： 在多數(shù)情況下選用灰鑄鐵或合金鑄鋼。 個別特大型的還可采用鑄鋼和焊接聯(lián)合結(jié)構(gòu)。 作為一般的基礎(chǔ)零件，如機(jī)身、底座等。2.箱體類零件箱體類零件 床頭箱、變速箱、進(jìn)給箱、溜板箱、內(nèi)燃機(jī)的缸體等都可視為箱體類零件。箱體類零件的種類：箱體類零件的種類： 箱體類零件重量大、形狀復(fù)雜，是機(jī)器中很重要基礎(chǔ)零件。由于箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常用鑄造的方法制造毛坯，故箱體幾乎都用鑄造合金。箱體類零件的特點(diǎn)：箱體類零件的特點(diǎn)：機(jī)架類零件的功用：機(jī)架類零件的功用： 作為重要的基礎(chǔ)零件，主要起支承和連接機(jī)床各部件的作用，如床頭箱、變速箱等。常用材料：常用材料：受力不大、受力不大、而且主要是承受靜載，不受沖擊

35、的箱體可選灰鑄鐵。 若該零件在工作時與其他部件發(fā)生相對運(yùn)動，其間有摩擦、磨損發(fā)生，則選用珠光體基體灰鑄鐵（HT200和HT250用得最多）。 受力較大受力較大選孕育鑄鐵或球墨鑄鐵。如HT400用來制造液壓筒，QT400-17、QT420-10可制造閥體、閥蓋，QT600-2、QT800-2可制造冷凍機(jī)缸體。受力較大受力較大、要求高強(qiáng)度、高韌性，甚至在高溫下工作的零件如汽輪機(jī)機(jī)殼，可選用鑄鋼。但形狀簡單的，可選用型鋼焊接而成。受力不大受力不大、要求自重輕或要求導(dǎo)熱好的則可選作鑄造鋁合金制造。受力很小、受力很小、要求自重輕的還可考慮選用工程塑料。 首選材料為灰口鑄鐵、孕育鑄鐵，球墨鑄鐵也可選用。它

36、們成本低、鑄造性好、切削加工性優(yōu)異、對缺口不敏感、減震性好，非常適合鑄造上述零部件，且石墨有良好的潤滑作用、并能儲存潤滑油、很適宜制造導(dǎo)軌，同時鑄鐵有良好的耐磨性。熱處理熱處理熱處理 對鋁合金：對鋁合金：應(yīng)根據(jù)成分不同，進(jìn)行退火或淬火時效等處理。 對鑄鋼件：對鑄鋼件：為了消除粗晶組織、偏析及鑄造應(yīng)力，應(yīng)對鑄鋼毛坯進(jìn)行完全退火或正火。 對鑄鐵件：對鑄鐵件：生產(chǎn)中熱處理主要用來消除鑄件內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。一般要進(jìn)行退火。 表面淬火表面淬火 ：有些鑄件如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁等，因需要提高硬度和耐磨性，可進(jìn)行表面淬火處理，如高頻表面淬火，火焰表面淬火和激光加熱表

37、面淬火等。淬火后表面硬度可達(dá)50HRC55HRC。 消除鑄件白口、降低硬度的退火：消除鑄件白口、降低硬度的退火：灰口鑄鐵件表層和薄壁處產(chǎn)生向口組織難以切削加工，需要退火以降低硬度。退火在共析溫度以上進(jìn)行，使?jié)B碳體分解成石墨，所以又稱高溫退火。 消除內(nèi)應(yīng)力退火：消除內(nèi)應(yīng)力退火：（又稱人工時效） 一些形狀復(fù)雜和尺寸穩(wěn)定性要求較高的重要鑄件，如機(jī)床床身、柴油機(jī)汽缸機(jī)床床身、柴油機(jī)汽缸等，為了防止變形和開裂，須進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力退火。四、典型農(nóng)機(jī)零件的選材四、典型農(nóng)機(jī)零件的選材 許多農(nóng)機(jī)零件在工作中要與土壤或作物摩擦。不同的零件，性能要求和材料略有不同。1.犁鏵犁鏵在耕地過程中，犁鏵的作用是鏟起土塊和切割

38、土壤。 工作條件及技術(shù)要求工作條件及技術(shù)要求 在工作中不斷受到土壤的摩擦而磨損，還會受到土壤中石塊的沖擊而折斷。因此，犁鏵的性能要求有好的耐磨性和一定的抗沖擊性能。常采用65Mn、65SiMnRE等鋼和韌性白口鐵制造。常用材料：常用材料：將犁鏵加熱到將犁鏵加熱到900保溫后在保溫后在300的鹽爐中等溫淬火的鹽爐中等溫淬火。 鋼制犁鏵的加工工藝路線為：鋼制犁鏵的加工工藝路線為：下料下料熱壓型熱壓型加工刃口加工刃口沖孔校型沖孔校型淬火、回火淬火、回火 用韌性白口鐵制造犁鏵的熱處理方法：用韌性白口鐵制造犁鏵的熱處理方法： 常采用T9或65Mn鋼制造。熱處理采用高頻加熱后在240300鹽爐中等溫淬火，獲得強(qiáng)韌性、耐磨性均好的下貝氏體組織。硬度5255HRC 。2.耙片耙片耙片的工作條件與犁鏵相似；但因直