工程材料的選用與發(fā)展

1、選材的動(dòng)機(jī)選材的動(dòng)機(jī) 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代。開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代。選材原則選材原則使用使用 、工藝性能、工藝性能經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性環(huán)境與資源原則環(huán)境與資源原則.零件的工作條件和失效形式零件的工作條件和失效形式 零件失效類(lèi)型零件失效類(lèi)型 變形變形 彈、塑性變形。彈、塑性變形。 斷裂斷裂 脆、塑性，疲勞斷裂。脆、塑性，疲勞斷裂。 表面損傷表面損傷 磨損、腐蝕等。磨損、腐蝕等。 零件零件工作條件工作條件常見(jiàn)失效形式常見(jiàn)失效形式性能要求性能要求應(yīng)力應(yīng)力種類(lèi)種類(lèi)載荷載荷性質(zhì)性質(zhì)受載受載狀態(tài)狀態(tài)螺栓螺栓拉、剪拉、剪靜載靜載-過(guò)量變形，斷裂過(guò)量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性強(qiáng)度，塑性傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸彎、

2、扭彎、扭循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊軸頸軸頸摩擦摩擦疲勞斷裂，過(guò)量變形疲勞斷裂，過(guò)量變形，軸頸磨損，軸頸磨損綜合力學(xué)性能綜合力學(xué)性能傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)齒輪壓、彎壓、彎循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊摩擦摩擦振動(dòng)振動(dòng)斷齒，磨損，斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限表面高硬度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性，心部強(qiáng)度及韌性彈簧彈簧扭、彎扭、彎交變交變沖擊沖擊振動(dòng)振動(dòng)彈性失穩(wěn)，彈性失穩(wěn)，疲勞破壞疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限，疲勞極限零件失效的原因零件失效的原因 設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝和使用。設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝和使用。.特殊功能要求特殊功能要求 導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。

3、導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。.性能要求的指標(biāo)化性能要求的指標(biāo)化 如強(qiáng)硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。如強(qiáng)硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。手冊(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式的局限性手冊(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式的局限性 力學(xué)性能與零件尺寸有關(guān)力學(xué)性能與零件尺寸有關(guān)40鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能 熱處理?xiàng)l件熱處理?xiàng)l件毛坯尺寸毛坯尺寸/mm/mmb / MPa/ %AKU / J850淬火淬火580016120307501580500回火回火5070015561006001340零件的加工工藝路線零件的加工工藝路線一般零件一般零件 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工軸、齒輪軸、齒輪 等等毛坯毛

4、坯 預(yù)先熱處理（正火、退火）預(yù)先熱處理（正火、退火） 粗加工粗加工 最終熱處理（淬火最終熱處理（淬火回火，時(shí)效，滲回火，時(shí)效，滲C等）等）精加工精加工精密絲杠精密絲杠毛坯毛坯 預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理 粗加工粗加工 最終熱處理最終熱處理 半精加工半精加工時(shí)效（或時(shí)效（或 N化）化） 精加工精加工 時(shí)效時(shí)效.產(chǎn)品成本分析產(chǎn)品成本分析基本材料的成本（價(jià)格、利用率）基本材料的成本（價(jià)格、利用率） 占總成本的占總成本的3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 約占零件成本的約占零件成本的30%加工成本加工成本 = 工具與設(shè)備費(fèi)用工具與設(shè)備費(fèi)用 + 每件產(chǎn)品成本每件產(chǎn)品成本 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量材材 料料美元

5、美元 / t材材 料料美元美元 / t鉑鉑26,000,000 工業(yè)金剛石工業(yè)金剛石900,000,000 金金19,100,000 硼硼環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料330,000 鎢鎢26,000 碳纖維復(fù)材料碳纖維復(fù)材料200,000 鈦合金鈦合金10,19012,720 玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料24003300 黃銅（型材）黃銅（型材）16502336 尼龍尼龍663289 鋁合金（型材）鋁合金（型材）20002440 環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂1650 低碳鋼（型材）低碳鋼（型材）440480 天然橡膠天然橡膠1430 鑄鐵鑄鐵260 氧化鋁氧化鋁1100-1760 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金

6、66,000 玻璃玻璃1500 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過(guò)程貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過(guò)程.減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。重要金屬的世界儲(chǔ)量重要金屬的世界儲(chǔ)量 .環(huán)境污染小環(huán)境污染小廢氣排放少?gòu)U氣排放少材料回收及降解材料回收及降解 儲(chǔ)量（儲(chǔ)量（10106t）可用年數(shù)可用年數(shù)再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751一、齒輪選材一、齒輪選材性能要求性能要求 齒面硬度（決定齒面硬度（決定彎曲、接觸疲

7、勞強(qiáng)度彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度，耐磨性耐磨性）強(qiáng)度，韌性。強(qiáng)度，韌性。 選材選材調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) + 表面淬火表面淬火 + 低溫回火低溫回火 滲滲C鋼鋼 硬度、韌性高。硬度、韌性高。實(shí)例實(shí)例 載重汽車(chē)變速箱齒輪載重汽車(chē)變速箱齒輪性能指標(biāo)性能指標(biāo) b1000MPa，aKU250J ，齒面硬度，齒面硬度HRC55 。選材選材 20CrMnTi，b 1080MPa ， aKU2 55J，齒面齒面HRC5863 。最終熱處理工藝最終熱處理工藝 930滲滲C + 預(yù)冷預(yù)冷830油淬油淬 + 200回火回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火M + F齒面：回火齒面：回火M + 碳化物碳化物 + A 工

8、藝路線工藝路線 鍛造鍛造正火正火機(jī)加工機(jī)加工滲滲C、淬火低溫回火、淬火低溫回火噴丸噴丸磨削磨削性能要求性能要求 強(qiáng)度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。強(qiáng)度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。普通車(chē)床（輕載）主軸普通車(chē)床（輕載）主軸 45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）主軸銑床（中載）主軸 40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機(jī)床（重載）主軸組合機(jī)床（重載）主軸 20CrMnTi ，經(jīng)滲，經(jīng)滲C、淬火、回火處理。、淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸精密鏜床（高精度）主軸 38CrMoAl ，調(diào)質(zhì)，調(diào)質(zhì) + N化化 + 時(shí)效。時(shí)

9、效。實(shí)例實(shí)例 C620 車(chē)床車(chē)床主軸主軸，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。 性能指標(biāo)性能指標(biāo) 硬度硬度220250HB，軸頸，軸頸52HRC 。選材選材 45鋼鋼熱處理工藝熱處理工藝 830水淬水淬 + 500回火回火 + 軸頸高頻淬火軸頸高頻淬火 + 200回火回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火S軸頸表面：回火軸頸表面：回火M 工藝路線工藝路線 鍛造鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工表面淬火低溫回火表面淬火低溫回火磨削磨削性能要求性能要求 強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸耐磨性。強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和

10、剛度，軸頸耐磨性。選材選材 調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實(shí)例實(shí)例 175A型農(nóng)用型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸柴油機(jī)曲軸性能指標(biāo)性能指標(biāo) b750MPa，整體硬度，整體硬度240260HBS，軸頸表面硬度軸頸表面硬度625HV (HRC55), 2%, aKU150kJ/m2。選材選材 QT700-2熱處理工藝熱處理工藝 880920正火正火 + 500600回火回火 + 軸頸軸頸 N化化最終組織最終組織 P + G + 少量少量F 工藝路線工藝路線 鑄造鑄造高溫正火高溫正火高溫回火高溫回火機(jī)加工機(jī)加工軸頸軸頸 N化化重點(diǎn)要求重點(diǎn)要求在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理

11、工藝的方法。在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。一般要求一般要求 1. 1. 選材原則選材原則 材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。 2. 2. 典型零件的加工工藝路線。典型零件的加工工藝路線。 3. 3. 零件失效的概念。零件失效的概念。本章是本課程的綜合及實(shí)際應(yīng)用本章是本課程的綜合及實(shí)際應(yīng)用1. 欲做下列零件：小彈簧、高速軸承、螺釘、手鋸條、齒輪，試為其各選一材欲做下列零件：小彈簧、高速軸承、螺釘、手鋸條、齒輪，試為其各選一材料（待選材料：料（待選材料： ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10 ）。）。2. 某汽車(chē)變

12、速箱齒輪，要求某汽車(chē)變速箱齒輪，要求b1080MPa，aKU255J，齒面硬度，齒面硬度HRC58 ，試選一，試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。3. 某某連桿螺栓連桿螺栓，要求，要求b950MPa , s700MPa，aKU2 45J ，試選一材料，制定，試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。最終熱處理工藝，指出最終組織。（第（第2、3題的待選材料：題的待選材料： H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）主主 要要

13、化化 學(xué)學(xué) 成成 分分, %預(yù)備處理預(yù)備處理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00 880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30 850 油油880 870 油油鋼號(hào)鋼號(hào)20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空 880 780

14、油油機(jī)械性能機(jī)械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863backback淬淬透透性性鋼號(hào)鋼號(hào)主主 要要 成成 分分, , %淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr 0.81.10850油油500 水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400.400.70Cr 0.81.10850油油550 水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al 0.71.1Cr 1.351.65940水，油水，油640水，油水，油40CrMnMo0.370.450.901.20Cr 0.91.20850油油600 水，油水，油機(jī)械性能機(jī)械性能 bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.370.441.101.400.200.40850油油500 水，油水，油9807854798078547980835639808357198078563backbackbackback牌號(hào)牌號(hào)基體基體機(jī)械性能機(jī)械性能 bMP