第12章材料的選擇方法及應(yīng)用

第12章工程材料的選擇方法及應(yīng)用第一節(jié)機械零件的失效形式第二節(jié)選材的基本原則第五節(jié)典型零件選材與工藝分析第四節(jié)預(yù)防和控制熱處理變形的方法及措施第三節(jié)熱處理方案的選擇及熱處理技術(shù)的標(biāo)注機械工程材料第一節(jié)機械零件的失效形式零件失效的情況：①完全破壞不能使用；②雖然能工作但是不能滿意地起到預(yù)定的作用；③損傷不嚴(yán)重但繼續(xù)工作不安全。實例導(dǎo)致零件失效的主要原因失效形式：第一節(jié)機械零件的失效形式彈性極限、曲強比、疲勞強度

彈性喪失、疲勞斷裂

振動循環(huán)、沖擊扭應(yīng)力（螺旋簧）、彎應(yīng)力（板簧）

彈簧表面硬度及彎曲疲勞強度、接觸疲勞抗力、心部屈服強度、韌性磨損、麻點剝落、齒折斷強烈摩擦、振動循環(huán)、沖擊壓、彎應(yīng)力傳動齒輪

綜合力學(xué)性能疲勞破壞、過量變形、軸頸處磨損、咬蝕軸頸處摩擦、振動循環(huán)、沖擊彎、扭應(yīng)力傳動軸

屈服強度及抗剪強度過量變形、斷裂靜拉、切應(yīng)力普通緊固螺栓其他載荷性質(zhì)應(yīng)力種類要求的主要力學(xué)性能常見失效形式工作條件零件（工具）表11-1幾種零件（工具）工作條件、失效形式及要求的力學(xué)性能第一節(jié)機械零件的失效形式抗壓疲勞強度、沖擊疲勞抗力脆斷循環(huán)、沖擊拉、切應(yīng)力連桿疲勞強度、硬度、沖擊疲勞抗力、綜合力學(xué)性能磨損、咬蝕、疲勞斷裂、脆斷軸頸摩擦循環(huán)、沖擊彎、扭應(yīng)力曲軸接觸疲勞抗力、硬度、耐磨性磨損、麻點剝落、疲勞斷裂強烈摩擦循環(huán)、沖擊壓應(yīng)力滾動軸承高溫強度、熱疲勞抗力、韌性與紅硬性熱疲勞、磨損、脆斷高溫度、摩擦、金屬液腐蝕循環(huán)、沖擊復(fù)雜應(yīng)力壓鑄模硬度、足夠的強度、韌性磨損、脆斷強烈摩擦循環(huán)、沖擊復(fù)雜應(yīng)力冷作模具硬度、抗壓強度磨損摩擦、油的腐蝕循環(huán)、沖擊壓應(yīng)力油泵柱塞副續(xù)表11-1第一節(jié)機械零件的失效形式一、過量變形⑴過量彈性變形除了彈簧以外，大多數(shù)零件都必須限制，要求有足夠的剛度。如：彈性變形大的鏜床鏜杠無法保證精度。⑵過量塑性變形是零件失效的重要形式，輕則使機器的工作情況變壞，重則使它不能繼續(xù)運行，甚至破壞。如：齒輪的塑性變形會使嚙合不良，甚至卡死、斷齒。第一節(jié)機械零件的失效形式二、斷裂

是金屬材料最嚴(yán)重的失效形式，特別是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的脆性斷裂，往往會造成災(zāi)難性事故。防止脆斷的方法：準(zhǔn)確分析零件所受應(yīng)力及應(yīng)力集中的情況，選擇滿足強度要求并具有一定塑性和韌性的材料。斷口分析：是斷裂失效分析的核心，同時又是斷裂失效分析的向?qū)?，指引斷裂失效分析少走彎路。例：右圖為金屬材料的室溫拉伸或沖擊試樣的斷口宏觀觀察，可以看到其斷口分為：F-纖維狀區(qū)

R-放射狀區(qū)

S-剪切唇區(qū)第一節(jié)機械零件的失效形式不同斷裂的實物比較：塑性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂第一節(jié)機械零件的失效形式不同斷裂的顯微特征：塑性斷裂斷口（韌窩）疲勞斷裂斷口脆性斷裂a.解理花樣b.冰糖花樣第一節(jié)機械零件的失效形式TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)第一節(jié)機械零件的失效形式Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板第一節(jié)機械零件的失效形式實例：汽車板簧斷裂失效

板簧表面存在嚴(yán)重的熱加工缺陷-折疊，疲勞源在折疊造成的表面裂紋處形成。根據(jù)板簧的安裝條件和工作狀況分析，板簧斷裂位置處于應(yīng)力集中處。裂紋在應(yīng)力作用下擴展，最后造成板簧疲勞斷裂。第一節(jié)機械零件的失效形式油輪斷裂和北極星導(dǎo)彈發(fā)動機殼體爆炸與材料中存在缺陷有關(guān)。

1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂北極星導(dǎo)彈第一節(jié)機械零件的失效形式三、表面損傷

據(jù)資料介紹，70%的機器是由過量磨損而失效的。磨損不僅消耗材料，損壞機器，而且耗費大量能源。

相互接觸的一對金屬表面，相對運動時金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形，使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象稱為磨損?；钊h(huán)與缸套之間的摩擦第一節(jié)機械零件的失效形式⑴磨損失效1.粘著磨損

兩個金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著)，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個表面之間，這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。粘著磨損示意圖第一節(jié)機械零件的失效形式2.

磨料磨損

配合表面之間在相對運動過程中，因外來硬顆?；虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷（被犁削形成溝漕）的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨粒磨損示意圖3.犁削磨損

硬材料表面的微凸點切削較軟材料的表面，在較軟材料的表面形成“犁溝”。犁削磨損示意圖第一節(jié)機械零件的失效形式粘著磨損磨痕磨粒磨損磨痕犁削磨損磨痕不同磨損的磨痕：4.表面疲勞磨損

兩個接觸面作滾動或滾動滑動復(fù)合磨擦?xí)r，在交變接觸壓應(yīng)力作用下，使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。第一節(jié)機械零件的失效形式⑵腐蝕失效

腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。

1.均勻腐蝕

均勻腐蝕是在整個金屬的表面均勻地發(fā)生。

腐蝕均勻性的前提：被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織，腐蝕環(huán)境包圍金屬表面是均勻而且不受限制。

均勻腐蝕可在大氣、液體以及土壤里產(chǎn)生。如質(zhì)量保證的鋼材在大氣中所產(chǎn)生的銹蝕。第一節(jié)機械零件的失效形式2.點腐蝕

腐蝕集中于局部，呈尖銳小孔，進(jìn)而向深度擴成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”，其中受破壞處是陽極，未受破壞處是陰極，腐蝕電流由陽極流向周圍的陰極，陽極處很快被腐蝕成小孔。點腐蝕示意圖第一節(jié)機械零件的失效形式3.晶間腐蝕

腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁，其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。晶間腐蝕示意圖第一節(jié)機械零件的失效形式實例：汽車儲氣罐放水閥彈簧腐蝕失效

彈簧材料為碳素彈簧鋼，長期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到嚴(yán)重腐蝕，表面腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝落，減少了彈簧絲的截面，同時彈簧因腐蝕而變脆。在閥芯受到向上的作用力F時，彈簧破斷。當(dāng)作用力去除后，閥芯在重力和氣罐內(nèi)氣壓的作用下，閥芯與閥座間尚能起到一定的密封作用。但如果車輛受到強烈震動，閥芯會跳離閥座，破斷的彈簧絲會卡入閥芯、閥座的密封面處，使氣體泄漏，造成氣壓降低，剎車失靈。第一節(jié)機械零件的失效形式第二節(jié)選材的基本原則1.根據(jù)零件工作條件、失效形式提出合理的抗力指標(biāo)。2.在滿足機械性能前提下，盡量照顧工藝性（鑄、鍛、焊、切削加工、熱處理），特別在批量生產(chǎn)時。σb，HB，σ-1，ψδ，ak,σs/σb,K1c等過量變形斷裂表面狀態(tài)、尺寸改變應(yīng)力狀態(tài)：拉、壓、彎、扭載荷性質(zhì)：靜、沖擊、交變工作溫度：常、高、低溫工作介質(zhì)：空氣、液、腐蝕抗力指標(biāo)失效形式工作條件3.充分考慮經(jīng)濟性：（1）盡量用本地可購材料；材料品種、規(guī)格盡量集中。（2）考慮初始成本與附加成本（售后服務(wù)）的關(guān)系

1）初始成本↑，質(zhì)量↑，附加成本↓；

2）初始成本↓，質(zhì)量↓，附加成本↑。第二節(jié)選材的基本原則第三節(jié)熱處理方案的選擇選擇熱處理方案遵循的原則：1、要求綜合力學(xué)性能好的零件：調(diào)質(zhì)2、要求彈性好的零件較大彈性變形量：淬火＋中溫回火（大截面）

（彈簧鋼）

去應(yīng)力退火（小截面）大彈性變形量：去應(yīng)力退火或淬火＋時效處理（銅基合金）3、要求耐磨的零件：淬火＋低溫回火4、要求特殊物理性能的零件：根據(jù)要求進(jìn)行處理W18Cr4V鋼的熱處理工藝過程示意圖第三節(jié)熱處理方案的選擇C620車床主軸及熱處理技術(shù)條件1.一般標(biāo)硬度：無損、可直接在零件測試（注意與所選材料及組織一致）

波動范圍：HRC5個單位；HB30～40個單位

2.表面熱處理：范圍、深度、表面與心部硬度及組織要求等。第三節(jié)熱處理方案的選擇第四節(jié)預(yù)防和控制熱處理變形的方法和措施變形主要是由于熱處理產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力和組織應(yīng)力）引起的。熱應(yīng)力：由于溫度差而產(chǎn)生體積收縮（膨脹）量不同所引起的內(nèi)應(yīng)力。組織應(yīng)力：由于組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生體積變化不同所引起的內(nèi)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計要充分考慮熱處理變形（甚至開裂），避免應(yīng)力集中

1.避免尖角、棱角、厚薄懸殊等不合理結(jié)構(gòu)；盡量采用封閉、對稱，組合等結(jié)構(gòu)。

2.掌握變形規(guī)律，調(diào)整加工尺寸或預(yù)留加工余量。

3.合理安排加工工藝路線。第四節(jié)預(yù)防和控制熱處理變形的方法和措施第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析機械零件選材的一般步驟:工藝過程的基本知識一、毛坯的選擇要考慮如下因素

1、零件材料的工藝特征某些箱體需鑄造，軸、齒輪等多半要鍛造

2、零件的結(jié)構(gòu)形狀和外形尺寸軸可選用圓棒料機架、大齒輪可考慮鑄鋼

3、生產(chǎn)批量的大小例如：模鍛和自由鍛對零件數(shù)量要求不同

4、現(xiàn)有生產(chǎn)條件第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析工藝過程的基本知識二、外圓面加工（a）外圓面技術(shù)要求

1、本身精度尺寸、形狀

2、位置精度

3、表面質(zhì)量（b）外圓面加工方案分析

1、粗車

2、粗車—半精車

3、粗車—半精車—磨粗車—半精車—粗磨式半精磨

4、粗車—半精車—粗磨—精磨

5、粗車—半精車—粗磨—精磨—研磨

6、粗車—精車—精細(xì)車(有色金屬)第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析工藝過程的基本知識三、孔的加工（a）孔的技術(shù)要求

1、本身精度尺寸、形狀

2、位置精度

3、表面質(zhì)量粗糙度、物理力學(xué)性能（b）孔加工方案分析

1、粗車

2、粗車—半精車

3、粗車—半精車—磨粗車—半精車—粗磨式半精磨

4、粗車—半精車—粗磨—精磨

5、粗車—半精車—粗磨—精磨—研磨

6、粗車—精車—精細(xì)車(有色金屬)第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

1.齒輪的工作條件和對性能的要求⑴齒輪的工作條件①由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；②換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷；③齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。⑵齒輪的失效形式①疲勞斷裂

主要從根部發(fā)生；②齒面磨損

由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變??；③齒面接觸疲勞破壞

在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展，引起點狀剝落(或稱麻點)；④過載斷裂

主要是沖擊載荷過大造成的斷齒。

第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

失效形式第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

acda齒面磨損b齒面咬合c塑性變形d齒面點蝕b第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

⑶齒輪材料的性能要求①高的彎曲疲勞強度；②高的接觸疲勞強度和耐磨性；

③較高的強度和沖擊韌性。

此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。⑷齒輪類零件的選材齒輪材料要求的性能主要是疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。表面硬度越高，疲勞強度也越高。齒心應(yīng)有足夠的沖擊韌性，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。

從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或其合金鋼。它們經(jīng)表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。此外，這類鋼的工藝性能好，經(jīng)濟上也較合理，所以是比較理想的材料。第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

2.汽車、拖拉機齒輪汽車后橋齒輪北京吉普后橋圓錐主動齒輪第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

2.汽車、拖拉機齒輪⑴材料：20CrMnTi⑵

工藝路線：鍛→正火→機加工→滲碳、預(yù)冷淬火+

低溫回火→噴丸(壓應(yīng)力、σ-1↑)→磨⑶各部熱處理組織及作用：

1）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應(yīng)力）；②調(diào)整硬度、利于切削加工。

2）滲碳、預(yù)冷淬火+低溫回火：

表：M回+K+A’(少量)；

心：M低碳達(dá)到“表硬心韌”，滿足使用要求。第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析機床變速箱齒輪一、齒輪類

3.機床齒輪第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析一、齒輪類

3.機床齒輪⑴材料：45（或40Cr）⑵工藝路線：鍛→正火→粗機加工→調(diào)質(zhì)→精機加工⑶各部熱處理組織及作用：

1）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應(yīng)力）；②調(diào)整硬度、利于切削加工。

2）調(diào)質(zhì)：S回，滿足整體機械性能要求：綜合機械性能↑

3）高頻淬火+低溫回火：

表：

M回+A’(少量)；心：S回達(dá)到“表硬心韌”，滿足使用要求。第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析二、軸類

1.軸的工作條件和性能要求⑴軸的工作條件①工作時主要受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)合作用；②軸與軸上零件有相對運動,相互間存在摩擦和磨損；③軸在高速運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振動,使軸承受沖擊載荷；④多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。⑵軸的失效形式①長期交變載荷下的疲勞斷裂（包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂）；②大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂；③與其它零件相對運動時產(chǎn)生的表面過度磨損。第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析二、軸類

失效形式：轉(zhuǎn)軸彎曲疲勞斷口形貌直升飛機螺旋槳驅(qū)動齒輪軸扭斷軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析二、軸類

⑶軸的使用性能要求①高的強度、足夠的硬度和良好的韌性；②高的疲勞極限；

③在相對運動的摩擦部位，如軸頸、花鍵等處，應(yīng)具有高的硬度和耐磨性。

制造軸類零件的材料主要是碳素結(jié)構(gòu)和合金結(jié)構(gòu)鋼，一般是以鍛件或軋制型材為毛胚。根據(jù)承載能力的大小選用材料，然后根據(jù)選材的不同選擇相應(yīng)的熱處理工藝。2.軸的選材第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析二、軸類3.軸類零件加工工藝路線及其分析⑴車床主軸C620車床主軸簡圖第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析二、軸類3.軸類零件加工工藝路線及其分析⑴車床主軸1)材料：45（或40Cr）2)工藝路線：鍛→正火→粗機加工→調(diào)質(zhì)→精機加工→軸頸：高頻淬火+低溫回火→磨3)各部熱處理組織及作用：

a）正火：S+α(少量)①消除鍛造缺陷（晶粒粗大、應(yīng)力）；②調(diào)整硬度、利于切削加工。

b）調(diào)質(zhì)：S回，滿足整體機械性能要求：綜合機械性能↑

c）軸頸：高頻淬火+低溫回火：

表：

M回+A’(少量)；

心：S回達(dá)到“表硬心韌”，滿足使用要求。第五節(jié)典型零件選材及加工工藝路線分析⑵

鏜桿（磨床主軸）1)材料：38CrMoAlA2)工藝路線：鍛→退火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→去應(yīng)力退火→