機械工程材料的合理選用及工藝路線

機械工程材料的合理選用及工藝路線第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.零件失效形式3.1畸變失效畸變是指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。從變形的形貌上看，畸變有兩種基本類型：尺寸畸變或體積畸變(長大或縮小)和形狀畸變(如彎曲或翹曲)。例如，受軸向載荷的連桿可產生軸向拉、壓變形，軸的彎曲、殼體的翹曲變形等。

3.2斷裂失效機械零件因斷裂（特別是突然斷裂）而產生的失效稱為斷裂失效3.2.1斷裂失效的分類斷裂失效的形式有多種，常見的主要有塑性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂及蠕變失效斷裂等?？蛙嚳諝鈮嚎s機皮帶輪斷裂過程第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3磨損失效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3.4腐蝕失效腐蝕是金屬暴露于活性介質環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗，它是金屬與環(huán)境介質之間發(fā)生的化學和電化學作用的結果。第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月二、機械零件選材原則1.使用性能原則2.工藝性能原則3.經濟性原則3.1材料的價格

3.2零件的總成本3.3國家的資源第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月三、典型工件的選材及工藝路線分析1

齒輪選材1.1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力及摩擦力的作用。第5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2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?。?/p>

(3)齒面接觸疲勞破壞

在交變接觸應力作用下，齒面產生微裂紋，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6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞斷裂第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月齒面磨損第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3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。第9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4

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，經濟上也較合理，所以是比較理想的材料第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5

典型齒輪選材舉例

1.5.1機床齒輪

機床變速箱齒輪擔負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務。工作條件較好，轉速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊。因此，一般可選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。

工藝路線為：

下料--鍛造--正火--粗加工--調質--精加工--輪齒高頻淬火及低溫回火--精磨。

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。機床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪,工作時傳動平穩(wěn),噪聲減少,長期使用磨損很小。第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5.2汽車齒輪

汽車齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。汽車齒輪受力較大，受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等，均要求比機床齒輪高。一般用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi制造。

滲碳齒輪的工藝路線為：

下料--鍛造--正火--切削加工--滲碳、淬火及低溫回火--噴丸--磨削加工。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2軸類零件選材

2.1軸類零件的工作條件

(1)工作時主要受交變彎曲和扭轉應力的復合作用；

(2)軸與軸上零件有相對運動,相互間存在摩擦和磨損；

(3)軸在高速運轉過程中會產生振動,使軸承受沖擊載荷；

(4)多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。2.2軸類零件的失效方式

(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂（包括扭轉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生的表面過度磨損第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3軸類零件的性能要求

(1)良好的綜合機械性能，足夠強度、塑性和一定韌性,以防過載斷裂、沖擊斷裂；

(2)高疲勞強度,對應力集中敏感性低,以防疲勞斷裂；

(3)足夠淬透性,熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨損失效；

(4)良好切削加工性能,價格便宜。

直升飛機螺旋槳驅動齒輪軸扭斷第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4軸類零件材料及選材方法

2.4.1材料

經鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強度和韌性，同時考慮疲勞抗力）；一般軸類零件使用碳鋼（便宜，有一定綜合機械性能、對應力集中敏感性較小），如35、40、45、50鋼，經正火、調質或表面淬火熱處理改善性能；載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時采用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作曲軸的材料第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5典型軸的選材

2.5.1機床主軸選材

以C620車床主軸為例進行選材。

該主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，但載荷和轉速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。主軸用45鋼制造2.4.2選擇原則

根據載荷大小、類型等決定。主要受扭轉、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種；受軸向載荷軸，因心部受力較大，應具有較高淬透性第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月C620車床主軸簡圖載荷較大的主軸用40Cr鋼制造。

承受較大沖擊載荷和疲勞載荷的主軸用合金滲碳鋼（20Cr或20CrMnTi）制造。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2內燃機曲軸選材

1）曲軸的工作條件、性能要求、材料

（1）工作條件

曲軸受彎曲、扭轉、剪切、拉壓、沖擊等交變應力，還可造成曲軸的扭轉和彎曲振動，產生附加應力；應力分布不均勻；曲軸頸與軸承有滑動摩擦。

（2）性能要求

曲軸的失效形式主要是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損。因此材料要有高強度、一定的沖擊韌性、足夠彎曲、扭轉疲勞強度和剛度，軸頸表面有高硬度和耐磨性。

（3）曲軸材料

鍛鋼曲軸：優(yōu)質中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo鋼等；

鑄造曲軸：鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月2）175A型農用柴油機曲軸選材（1）性能要求

農用柴油機曲軸功率和承受載荷不大；但滑動軸承中工作軸頸部要有較高硬度及耐磨。要求σb≥750MPa,整體硬度240HBS～260HBS,軸頸表面硬度≥625HV,δ≥2%,ak≥150kJ/m2（2）曲軸材料

QT700-2（3）工藝路線

鑄造－高溫正火－高溫回火－切削加工－軸頸氣體滲氮。

汽車發(fā)動機曲軸也可用45、40Cr鋼制造，經過模鍛、調質、切削加工后,在軸頸部位進行表面淬火。第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月175A型柴油機曲軸簡圖第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3

彈簧選材彈簧是一種重要的機械零件。它的基本作用是利用材料的彈性和彈簧本身的結構特點，在載荷作用產生下變形時，把機械功或動能轉變?yōu)樾巫兡埽辉诨謴妥冃螘r，把形變能轉變?yōu)閯幽芑驒C械功。

彈簧按形狀分主要有螺旋彈簧(壓縮、拉伸、扭轉彈簧)、板彈簧、片彈簧和蝸卷彈簧幾種。第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(a)

壓縮螺旋彈簧(b)拉伸螺旋彈簧(c)扭轉螺旋彈簧(d)

板彈簧(e)片彈簧第22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月彈簧有下列用途：

(1)緩沖或減振

如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位

如機床及其夾具中利用彈簧將定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復原

外力去除后自動恢復到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量

如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力

如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1

彈簧的工作條件

(1)彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉時，材料將承受彎曲應力或扭轉應力。

(2)緩沖、減振或復原用的彈簧承受交變應力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質和高溫的作用。

第24頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4彈簧的選材

3.4.1彈簧鋼

根據生產特點的不同，分為兩大類：

（1）熱軋彈簧用材

通過熱軋方法加工成園鋼、方鋼、盤條、扁鋼，制造尺寸較大，承載較重的螺旋彈簧或板簧。彈簧熱成型后要進行淬火及回火處理。

（2）冷軋(拔)彈簧用材

以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應，用來制作小型冷成型螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧等。第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2不銹鋼

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti通過冷軋(拔)加工成帶或絲材,制造在腐蝕性介質中使用的彈簧。

3.4.3黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅

具有良好的導電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性，用于制造電器、儀表彈簧及在腐蝕性介質中工作的彈性元件。第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5典型彈簧選材3.5.1汽車板簧(1)用途及性能要求

用于緩沖和吸振，承受很大的交變應力和沖擊載荷的作用，需要高的屈服強度和疲勞強度。(2)材料

輕型汽車選用65Mn、60Si2Mn鋼制造；中型或重型汽車,板簧用50CrMn,55SiMnVB鋼；型載重汽車大截面板簧用55SiMnMoV,SiMnMoVNb鋼制造。(3)工藝路線

熱軋鋼帶(板)沖裁下料—壓力成型—淬火—中溫回火—噴丸強化汽車板簧第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5.2火車螺旋彈簧(1)用途及性能要求

機車和車箱的緩沖和吸振,其使用條件和性能要求與汽車板簧相近。(2)材料

50CrMn、55SiMnMoV(3)工藝路線

熱軋鋼棒下料—兩頭制扁—熱卷成形—淬火—中溫回火—噴丸強化—端面磨平。

淬火與回火工藝同汽車板簧。

火車螺旋彈簧第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.5.4自行車手閘彈簧

自行車手閘彈簧是一種扭轉彈簧，其用途是使手閘復位。該彈簧承受載荷小，不受沖擊和振動作用，精度要求不高。因此手閘彈簧可用碳素彈簧鋼60或65鋼制造。經過冷拔加工獲得的鋼絲直接冷卷、彎鉤成形即可。卷后可低溫(200oC～220oC)加熱消除內應力，一般也可不進行熱處理第29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4

刃具選材切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統(tǒng)稱為刃具4.1

刃具的工作條件(1)刃具切削材料時，受到被切削材料的強烈擠壓，刃部受到很大的彎曲應力。某些刃具(如鉆頭、鉸刀)還會受到較大的扭轉應力作用。(2)刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500oC～600oC。(3)機用刃具往往承受較大的沖擊與震動。第30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2

刃具的失效形式

(1)磨損

由于摩擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低切削零件表面質量，也由于刃部形狀變化，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

(2)斷裂

刃具在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)