選材及熱處理

教學(xué)重點(diǎn)典型零件的選材和熱處理工藝分析。教學(xué)難點(diǎn)本章重點(diǎn)與難點(diǎn)零件材料的選用和熱處理工藝分析。第一節(jié)零件的失效分析

失效是指零件在使用過(guò)程中喪失或達(dá)不到原來(lái)設(shè)計(jì)的效能。一、零件的失效1、過(guò)量變形失效——是指零件的變形量超過(guò)了允許的范圍。過(guò)量變形的主要原因是零件或工具材料的強(qiáng)度較低。造成強(qiáng)度低的原因有：1）設(shè)計(jì)的尺寸偏小；2）選用材料不當(dāng)；3）熱處理工藝不當(dāng)；4）在使用過(guò)程中內(nèi)部組織發(fā)生變化，等等。2、斷裂失效——是指零件完全斷裂而無(wú)法工作的失效。根據(jù)斷裂前變形量的大小和斷口形狀，斷裂可分為脆性斷裂和塑性（韌性）斷裂兩種。發(fā)生斷裂的原因有：1）設(shè)計(jì)計(jì)算的承載能力小于實(shí)際工作時(shí)所施加的載荷；2）材料的力學(xué)性能未達(dá)到預(yù)定的要求；3）短時(shí)間過(guò)載；4）金屬材料內(nèi)部組織的變化或微裂紋的擴(kuò)展、疲勞應(yīng)力、蠕變等。

3、表面損傷失效

——是指零件在工作中，因機(jī)械和化學(xué)作用，使其表面損傷而造成的失效?？煞譃槿箢悾耗p失效、腐蝕失效及表面疲勞失效。（1）磨損失效磨損失效主要是在機(jī)械力的作用下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面的材料以細(xì)屑形式逐漸磨損，而使零件尺寸不斷變小的一種失效方式。（2）腐蝕失效腐蝕失效是由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕作用造成的零件或工具的失效?？稍诖髿?、海水、土壤、化工原料、機(jī)械應(yīng)力、磨損、輻射和微生物等因素聯(lián)合作用發(fā)生腐蝕。（3）表面疲勞失效表面疲勞失效是相互接觸的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)表面在工作過(guò)程中承受交變接觸應(yīng)力的作用，使表面層材料發(fā)生疲勞破壞而脫落造成的失效。分為麻點(diǎn)與剝落兩種形式。1）設(shè)計(jì)原因?qū)α慵墓ぷ鳁l件估計(jì)錯(cuò)誤，安全系數(shù)過(guò)小、計(jì)算錯(cuò)誤等，零件的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸等設(shè)計(jì)不合理。2）選材問(wèn)題選擇材料錯(cuò)誤，容易造成所選材料的性能不能滿足使用要求；所選材料質(zhì)量不合格等原因引起零件的失效。3）加工工藝不當(dāng)采用的工藝方法、工藝參數(shù)、技術(shù)措施不正確，可能產(chǎn)生鑄造缺陷、鍛造缺陷、焊接缺陷、切削加工缺陷和熱處理缺陷。4）安裝使用不正確

機(jī)械在裝配、安裝過(guò)程中不按技術(shù)要求，使用過(guò)程中不按規(guī)程操作、保養(yǎng)、維修，超載使用等。

二、零件的失效原因

1、使用性能包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，對(duì)于一般的機(jī)械零件主要是力學(xué)性能。（1）基本原則分析零件的工作條件、常見的失效形式，并通過(guò)力學(xué)計(jì)算確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能，作為選材的依據(jù)。（2）應(yīng)注意的問(wèn)題1）綜合考慮材料強(qiáng)度、塑性、韌性的合理配合。2）合理地選定硬度值。3）選用材料的力學(xué)性能判據(jù)數(shù)值時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。一、選材的基本原則第二節(jié)零件材料的選用

選材的基本原則是，首先滿足使用性能要求，同時(shí)要考慮到材料的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。2、工藝性工藝性能是指材料是否容易加工成形的性能，決定了所選材料能否順利加工制造成所需的零件。1）鑄造性能2）鍛壓性能3）焊接性能4）切削加工性5）熱處理工藝性3、經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性是指所選材料加工成零件后的成本高低。主要包括：材料費(fèi)用、加工費(fèi)用、管理費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)、安裝費(fèi)、維修保養(yǎng)費(fèi)用等。1、按力學(xué)性能選材的基本方法

1）以綜合力學(xué)性能為主時(shí)的選材主要失效形式是過(guò)量變形，一般可選用中碳鋼或中碳合金鋼，采用調(diào)質(zhì)處理或正火處理。2）以疲勞強(qiáng)度為主時(shí)的選材主要失效形式是疲勞破壞，對(duì)承載較大的零件選用淬透性要求較高的材料。調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)行表面淬火、滲碳鋼進(jìn)行滲碳淬火、氮化鋼進(jìn)行氮化以及噴丸、滾壓等處理。3）以磨損為主時(shí)的選材對(duì)于受力較小而磨損大的零件高碳鋼和合金工具鋼；對(duì)于磨損大而又承受較大沖擊載荷的零件選用低碳鋼和合金滲碳鋼。二、選材的方法和步驟

2、選材的基本步驟

1）分析零件的工作條件、失效形式，確定零件的性能。2）對(duì)同類產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研，分析選材的合理性。3）找出關(guān)鍵的性能要求，確定零件應(yīng)具有的力學(xué)性能判據(jù)或理化性能指標(biāo)。4）選擇合適的材料，確定熱處理方法或其他強(qiáng)化方法。5）通過(guò)試驗(yàn)，檢驗(yàn)所選材料及熱處理方法能否達(dá)到各項(xiàng)性能要求。此外，高應(yīng)力和很大沖擊載荷作用下的零件，如坦克履帶、鐵路道岔等，即要求材料具有高硬度，又要求有很好的韌性，可選用高錳耐磨鋼。

1、齒輪的作用傳遞扭矩、調(diào)節(jié)速度、改變運(yùn)動(dòng)方向。2、工作條件（1）齒根受很大交變彎曲應(yīng)力作用、齒面受較大接觸應(yīng)力并有強(qiáng)烈的摩擦和磨損。（2）承受一定的沖擊載荷。3、失效形式輪齒折斷、齒面磨損、齒面剝落、齒面點(diǎn)蝕、過(guò)載斷裂等。4、力學(xué)性能要求

（1）高的彎曲疲勞強(qiáng)度（2）齒面應(yīng)具有高的接觸疲勞強(qiáng)度、高的硬度和耐磨性（3）齒輪心部應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能或較好的強(qiáng)韌性一、齒輪類零件

第三節(jié)典型零件的選材及熱處理

1、軸類零件的作用支承傳動(dòng)零件、傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。2、工作條件（1）承受較大的交變彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（2）軸頸和花鍵部位承受較大的摩擦（3）一定的沖擊載荷3、失效形式疲勞斷裂、過(guò)量的彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形、過(guò)量磨損。4、力學(xué)性能要求

（1）良好的綜合力學(xué)性能（2）軸頸等部位應(yīng)具有高的硬度和良好的耐磨性（3）高的疲勞強(qiáng)度二、軸類零件

1、絲錐和板牙的作用絲錐的作用是加工內(nèi)螺紋，板牙的作用是加工外螺紋。2、工作條件柄部和心部承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，齒刃部承受較大的摩擦和磨損，高速切削時(shí)齒刃部還要承受較高的工作溫度。3、失效形式磨損和扭斷。4、力學(xué)性能要求

齒刃部應(yīng)具有高硬度（59～64HRC）和高耐磨性，一定的熱硬性（視切削速度而定）；柄部和心部應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，硬度為35～45HRC。三、絲錐和板牙

5、絲錐和板牙的常用材料及熱處理

（1）手用絲錐和板牙熱硬性不作要求，選用T10A和T12A鋼制造，并經(jīng)淬火和低溫回火。（2）機(jī)用絲錐和板牙要求有較高的熱硬性，可選用9SiCr、9Mn2V、CrWMn鋼或W18Cr4V鋼制造，并經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?。①注意手?cè)中各性能數(shù)據(jù)的測(cè)試條件與零件實(shí)際情況的差異。零件的實(shí)際尺寸較大，存在缺陷（孔洞、夾雜物、表面損傷等）的可能性增加，對(duì)碳鋼和低淬透性鋼就有可能淬不透，故導(dǎo)致材料實(shí)際使用的性能數(shù)據(jù)一般應(yīng)隨零件尺寸的增大而減?、趯?shí)際零件材料的成分、熱處理工藝參數(shù)等與標(biāo)準(zhǔn)