金屬材料及熱處理 課件 項目十 工程材料的選用認知

項目十工程材料的選用認知任務(wù)一認識零件的失效

任務(wù)二認知選材的原則、方法與步驟

任務(wù)三典型零件的選材實例分析一、失效的概念所謂失效，就是指機械零件失去正常條件下所應(yīng)具有的工作能力的現(xiàn)象。

零件失效一般分為下列三種情況：

（1）完全破壞，不能繼續(xù)工作；

（2）嚴重損傷，繼續(xù)工作不安全；

（3）輕微損壞，能安全地工作，但已達不到預(yù)定的精度或功能。

任務(wù)一認識零件的失效二、失效的形式1.斷裂失效

斷裂失效是指機械零件在工作過程中由于應(yīng)力的作用發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。

（1）塑性斷裂

塑性斷裂是指零件承載截面上所受的應(yīng)力超過了零件材料的屈服強度，產(chǎn)生塑性變形，直至發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

（2）疲勞斷裂

疲勞斷裂是指零件在交變循環(huán)應(yīng)力多次作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。

疲勞斷裂的主要特點是：①引起疲勞斷裂的應(yīng)力較低，一般大大低于材料的屈服強度；②斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，在沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生斷裂。

（3）低應(yīng)力脆性斷裂

低應(yīng)力脆性斷裂是指零件在所受應(yīng)力遠低于材料屈服強度時發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。脆性斷裂往往會帶來災(zāi)難性的后果，是最危險的零件失效形式。

（4）蠕變斷裂

蠕變是指金屬材料在較高溫度（再結(jié)晶溫度以上）與應(yīng)力的作用下，緩慢地產(chǎn)生塑性變形，且變量隨著時間的延長而增加的現(xiàn)象。零件由蠕變而引起的斷裂稱為蠕變斷裂。2.過量變形失效

過量變形失效是指機械零件在工作中受到外力作用，發(fā)生過量的彈性變形或塑性變形而失效的現(xiàn)象。

（1）過量彈性變形失效

零件在工作時發(fā)生過量的彈性變形而造成的失效。

（2）過量塑性變形失效

當(dāng)受力超過了材料的屈服強度時，零件就會發(fā)生塑性變形。

3.表面損傷失效

表面損傷失效是指機械零件在工作中，由于機械力或化學(xué)腐蝕的作用，使其工作表面產(chǎn)生磨損、疲勞點蝕、腐蝕等損傷的現(xiàn)象。

根據(jù)損傷形式的不同，表面損傷失效一般分為磨損失效、表面疲勞失效和腐蝕失效三大類。

（1）磨損失效

磨損失效是指在機械力的作用下，相對運動的零件表面之間發(fā)生摩擦，材料以細屑的形式逐漸磨耗，使零件的表面材料不斷損失，從而導(dǎo)致零件最終失效的一種形式。磨損最常見的有磨粒磨損和黏著磨損兩種主要類型。

①磨粒磨損在零件相對摩擦?xí)r，由于硬質(zhì)顆粒對金屬表面的切削作用，造成被磨表面產(chǎn)生溝槽，磨面材料逐漸耗損的一種磨損。②黏著磨損

在零件相對摩擦?xí)r，其表面微小的凸起部分，在壓力和摩擦熱的作用下發(fā)生焊合或黏著，當(dāng)零件繼續(xù)運動時，黏著部分又被撕開，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一個表面所造成的表面磨損。黏著磨損又稱咬合磨損。

（2）表面疲勞失效

表面疲勞失效是指相對滾動接觸的零件，在工作過程中，由于交變接觸應(yīng)力的長期作用，使表層材料發(fā)生疲勞破壞而剝落的現(xiàn)象，又稱疲勞點蝕。

采用表面淬火或化學(xué)熱處理的方法，并使表面硬化層有一定的深度，提高零件的疲勞強度和表面硬度，可有效地提高零件的抗表面接觸疲勞能力。

（3）腐蝕失效

腐蝕失效是指零件表面由于和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)引起表面損傷的現(xiàn)象。它與材料本身的成分、結(jié)構(gòu)和組織有關(guān)，也與介質(zhì)的性質(zhì)密切相關(guān)。同樣的材料在不同的介質(zhì)中，往往性能表現(xiàn)差異極大，如黃銅在海水和大氣中具有良好的耐蝕性，但在含氨的環(huán)境中卻極易腐蝕。

三、零件失效的原因1、結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

零件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，薄弱區(qū)域未得到有效的加強，造成零件在工作中承載能力不足。零件的局部結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸設(shè)計不合理，存在尖角、尖銳缺口和過小的過渡圓角等缺陷，往往是產(chǎn)生應(yīng)力集中的重要原因。2、材料選擇方面在選擇材料時只注意了材料的部分常規(guī)性能指標(biāo)，而對零件的失效形式、實際性能指標(biāo)要求的判斷存在較大的偏差，造成選材錯誤。對產(chǎn)品本身的工作條件、性能特點理解不深，照搬同類產(chǎn)品的材料和處理工藝，忽略了產(chǎn)品間的差異，造成選材不當(dāng)。選用的材料質(zhì)量差，含有夾雜物、雜質(zhì)元素或不良組織，使得零件達不到應(yīng)有的性能指標(biāo)。

3、加工工藝方面在零件加工和成形過程中，由于采用的工藝方法和工藝參數(shù)不正確，使零件產(chǎn)生各種各樣的缺陷，最終導(dǎo)致零件失效。

4、裝配安裝使用方面零件裝配工藝或操作不當(dāng)，零件裝配或配合過緊、過松，或者機器安裝時對中不準(zhǔn)、固定不緊、潤滑不良等都可造成失效。在使用過程中，由于操作、維護、保養(yǎng)不當(dāng)，或不按要求違規(guī)使用，均由可能使零件失效。

2.零件失效分析的方法（1）收集證據(jù)；（2）調(diào)查經(jīng)過；（3）查閱資料；（4）試驗分析；（5）綜合分析。任務(wù)二認知選材的原則、方法與步驟一、選材的一般原則1.材料的使用性能材料的使用性能是指零件在工作時材料應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。材料的使用性能是材料選擇時最主要的依據(jù)，其要求是根據(jù)零件的工作條件和失效形式提出的。零件的工作條件主要包括三個方面：（1）受力狀態(tài)（2）工作環(huán)境（3）特殊要求2.材料的工藝性能材料的工藝性能是指材料加工成形的難易程度。（1）鑄造性能金屬材料的鑄造性能一般從流動性、收縮性、偏析傾向等方面進行綜合評定。鑄造性能好的材料通常具有流動性好、收縮率低和偏析傾向小的特點。在常用的鑄造合金中，鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能較好，其次是鑄鐵，鑄鋼的鑄造性能較差。在各種鑄鐵中，又以灰鑄鐵的鑄造性能最好。（2）壓力加工性能壓力加工性能主要包括鍛造性能、冷沖壓性能等，通常用材料的塑性和變形抗力來衡量。材料的塑性越好，變形抗力越小，則其壓力加工性能也越好。一般來說，純金屬的壓力加工性能優(yōu)于其合金，單相固溶體優(yōu)于多相合金，低碳鋼優(yōu)于高碳鋼，非合金鋼優(yōu)于合金鋼。（3）焊接性能焊接性能一般用焊接接頭的力學(xué)性能和焊縫處形成裂紋、脆性和氣孔的傾向來衡量。低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼具有良好的焊接性能。中碳鋼的焊接性能有所下降。鑄鐵由于碳的質(zhì)量分數(shù)大，焊接時產(chǎn)生裂紋的傾向較大，焊縫處易形成白口組織。銅合金和鋁合金的導(dǎo)熱性高，焊接時裂紋傾向大，易產(chǎn)生氧化、氣孔等缺陷，焊接性能較差，需采用氬弧焊工藝進行焊接。（4）切削加工性能切削加工性能一般從切削速度、切削抗力、零件表面粗糙度、斷屑能力以及刀具磨損量等方面來評價。鋁、鎂、銅合金和易切削鋼的切削加工性能較好，其次是碳鋼和鑄鐵，鈦合金、高溫合金、奧氏體不銹鋼等材料的切削加工性能則較差。（5）熱處理工藝性能熱處理工藝性能主要包括淬透性、淬硬性、變形開裂傾向、氧化脫碳傾向、過熱敏感性、回火脆性和回火穩(wěn)定性等。材料的選擇和熱處理工藝的制定往往是同時進行、綜合考慮的結(jié)果。3.材料的經(jīng)濟性（1）材料的價格

（2）零件的加工費用

（3）使用維修成本

（4）資源供應(yīng)狀況

二、選材的方法與步驟1.材料選擇的方法

（1）以綜合力學(xué)性能為主

要求材料具有良好的綜合力學(xué)性能，即材料的強度和疲勞極限要高，同時還要有較好的塑性與韌性。常選用中碳鋼或中碳合金鋼，正火或調(diào)質(zhì)處理后使用，其中最常用的是45鋼和40Cr鋼。

（2）以疲勞強度為主選材時應(yīng)重點考慮材料的抗疲勞性能。通常，材料的強度越高，其疲勞強度也越高；調(diào)質(zhì)處理比正火和退火組織具有更高的疲勞強度。

（3）以磨損為主

①磨擦劇烈，但受力較小，無大的沖擊載荷的零件，如鉆套、頂尖、量具等。對塑性和韌性要求不高，通常選用高碳鋼或高碳合金鋼，進行淬火+低溫回火處理，得到高硬度的回火馬氏體和碳化物組織，就可以滿足使用要求。

②同時承受磨損和交變載荷，以及一定的沖擊載荷的零件，要求材料表面具有較高的耐磨性，同時還要有較高的強度、塑性和韌性。

材料本身應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能，還要能通過表面熱處理等強化方法提高其表面耐磨性。

③要求具有小的摩擦系數(shù)的零件，如滑動軸承、軸套等，可采用軸承合金、減磨鑄鐵、工程塑料等材料制造。

（4）以特殊性能為主

對于特殊條件下工作的零件，主要應(yīng)考慮材料的特殊性能。如在高溫下工作并承受較大載荷的零件，一般選用熱強鋼或高溫合金；而受力不大的零件則可考慮采用耐熱鑄鐵制造。對于在腐蝕性介質(zhì)中工作的零件，主要應(yīng)考慮其對相應(yīng)介質(zhì)的耐蝕能力。

2.材料選擇的步驟

（1）分析零件的工作條件和失效形式，明確零件材料的主要性能要求。

（2）對同類產(chǎn)品的材料選用情況進行調(diào)研，從各個方面進行綜合分析評價。

（3）查閱有關(guān)設(shè)計手冊，通過相應(yīng)的計算，確定零件應(yīng)有的各種性能指標(biāo)。

（4）初步選擇具體的零件牌號，并決定熱處理工藝和其他強化方法。

（5）根據(jù)試驗結(jié)果，最終確定材料和熱處理工藝。

任務(wù)三典型零件的選材實例分析

一、軸類零件的選材

1.工作條件和失效形式

（1）承受交變的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷的復(fù)合作用，易導(dǎo)致疲勞斷裂。

（2）承受過載和沖擊載荷，易導(dǎo)致軸產(chǎn)生過量變形，甚至斷裂。

（3）軸頸或花鍵處承受局部摩擦和磨損，易導(dǎo)致磨損失效。

2.材料應(yīng)具備的性能

（1）良好的綜合力學(xué)性能，即具有足夠的強度和一定的塑韌性，防止過量變形和斷裂。（2）高的疲勞強度，防止疲勞斷裂。（3）高的表面硬度和耐磨性，防止軸頸等處磨損。（4）在高溫條件下、或腐蝕性介質(zhì)中，還要求有高的抗蠕變能力和耐腐蝕性能。

3.材料選擇與工藝路線

（1）材料選擇

①

載荷不大或不重要的軸，常選用Q235、Q275等碳素結(jié)構(gòu)鋼，不經(jīng)熱處理直接使用。

②

承受一定的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷的軸，一般選用35、40、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理，并對有耐磨性要求的部分進行表面淬火處理。

③

載荷較大、截面較大或承受一定沖擊載荷的軸，可選用40Cr、35CrMo和40CrNiMo等合金調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，并對有耐磨性要求的部分進行表面淬火處理。

④

耐磨性要求較高、承受較大沖擊載荷的軸，可選用20Cr、20CrMnTi等合金滲碳鋼，經(jīng)滲碳、淬火、回火處理后使用。

⑤

要求精度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨性好的軸，可選用38CrMoAlA鋼，進行調(diào)質(zhì)處理和氮化處理后使用。

⑥對于形狀復(fù)雜的軸，如曲軸，可采用QT600-3、QT700-2等球墨鑄鐵制造。

（2）工藝路線

①中碳結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼主軸工藝路線：

下料→鍛造→正火或退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火+回火→粗磨→低溫回火→精磨。

②合金滲碳鋼主軸工藝路線：

下料→鍛造→正火→精車→滲碳、淬火+低溫回火→粗磨→低溫回火→精磨。

③氮化鋼主軸工藝路線：

下料→鍛造→退火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→低溫回火→粗磨→氮化→精磨。

4.軸類零件選材舉例

（1）機床主軸的選材

機床主軸一般承受中等的扭轉(zhuǎn)和彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速中等并承受一定的沖擊載荷，局部表面承受摩擦和磨損，因而要求其材料應(yīng)具有優(yōu)良的綜合機械性能和良好的抗疲勞性能。機床主軸常選用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，軸頸等處再進行局部表面淬火，載荷較大時可選用40Cr等合金鋼制造。

某機床主軸主要承受交變的彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷的復(fù)合作用，其載荷不大、轉(zhuǎn)速不高，有時受到不大的沖擊載荷作用，具有一般的綜合力學(xué)性能即可滿足使用要求。其大端的內(nèi)錐孔和外錐體在與頂尖和卡盤的裝卸過程中有相對摩擦，花鍵部位與齒輪有相對滑動，為了防止這些部位表面磨損和劃傷，要求有較高的硬度和耐磨性。

該主軸可選用45鋼制造。熱處理工藝為整體調(diào)質(zhì)處理，硬度為220～250HBS；內(nèi)錐孔和外錐體局部淬火，硬度為45～50HRC；花鍵部位高頻淬火，硬度為48～53HRC。

其加工工藝路線如下：

下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工(除花鍵外)→局部淬火+回火(內(nèi)錐孔和外錐體)→粗磨(外圓、外錐體和內(nèi)錐孔)→銑花鍵+花鍵高頻淬火+低溫回火→精磨(外圓、外錐體和內(nèi)錐孔)。

①正火：消除鍛造應(yīng)力，并得到合適的硬度（180～220HBS），便于切削加工。同時也改善鍛造組織，為調(diào)質(zhì)處理做準(zhǔn)備。

②調(diào)質(zhì)：調(diào)質(zhì)處理后組織為回火索氏體，硬度為220～250HBS，使主軸得到良好的綜合力學(xué)性能和疲勞強度。

③局部淬火：內(nèi)錐孔和外錐體采用鹽浴快速加熱局部淬火，經(jīng)回火后達到所要求的硬度，可提高其耐磨性，保證裝配精度。④高頻淬火+回火：花鍵部位采用高頻淬火，變形較小，經(jīng)回火后達到所要求的表面硬度。

（2）內(nèi)燃機曲軸的選材

曲軸的主要失效形式是疲勞斷裂和軸頸磨損。疲勞斷裂有彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂兩種形式，磨損則以軸頸表面最為嚴重。

曲軸材料主要應(yīng)具有如下的性能：

①具有高的強度和一定的韌性。

②具有高的彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強度和足夠的剛度。

③軸頸表面要具有高的硬度和耐磨性。

鍛鋼曲軸：

下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→局部表面淬火+低溫回火(軸頸)→精磨。

①正火：消除鍛造應(yīng)力，得到合適的硬度，同時改善組織，并為調(diào)質(zhì)做組織準(zhǔn)備。

②調(diào)質(zhì)：獲得回火索氏體組織，使主軸具有良好的綜合力學(xué)性能和疲勞強度。調(diào)質(zhì)后硬度適中，切削加工性能良好。

③局部表面淬火：軸頸處采用中頻淬火，提高表面硬度和耐磨性，獲得較深的硬化層。

鑄造曲軸：

球墨鑄鐵具有鑄造性能好、減磨、吸振性能優(yōu)良、缺口敏感性小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于曲軸的鑄造，常用的材料有QT600-3、QT700-2等。

其加工工藝路線如下：

鑄造毛坯→高溫正火→高溫回火→切削加工→軸頸氣體氮化→精磨。

①正火：采用950℃高溫正火工藝，獲得細珠光體基體組織，以提高其強度、硬度和耐磨性。

②高溫回火：采用560℃高溫回火工藝，消除正火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

③氮化(570℃)：對軸頸處采用570℃的氣體滲氮工藝，以提高軸頸表面硬度和耐磨性。

二、齒輪類零件的選材

1.工作條件和失效形式

（1）由于傳遞扭矩，齒根承受較大的交變彎曲應(yīng)力，易導(dǎo)致齒根部位發(fā)生疲勞斷裂。

（2）齒面相互滾動和滑動，承受很大的接觸壓應(yīng)力和摩擦力，易產(chǎn)生齒面磨損和齒面接觸疲勞破壞。

（3）換擋、啟動或嚙合不均時，輪齒承受一定沖擊載荷，易使齒面產(chǎn)生塑性變形。

（4）瞬時過載、潤滑油腐蝕和外部硬質(zhì)顆粒的侵入，齒輪的工作條件更加惡化，易造成輪齒折斷、齒面腐蝕、磨損加劇等破壞。

2.材料應(yīng)具備的性能

（1）高的彎曲疲勞強度，以防輪齒疲勞斷裂。

（2）齒面具有高的接觸疲勞強度、高的硬度和耐磨性，以防疲勞點蝕和齒面過量磨損。

（3）齒輪心部具要有足夠的強度和韌性，防止輪齒因過載而斷裂。

（4）良好的工藝性能，如切削加工性好、熱處理變形小且變形有一定規(guī)律、淬透性好等，保證齒輪的加工精度和質(zhì)量。

3.材料選擇與工藝路線

（1）調(diào)質(zhì)鋼

工藝路線一般為鍛造毛坯經(jīng)粗加工后進行調(diào)質(zhì)或正火處理，再經(jīng)精加工后進行表面淬火和低溫回火。

（2）滲碳鋼

工藝路線一般為鍛造毛坯經(jīng)正火處理后進行精加工，然后進行滲碳、淬火+低溫回火處理，表面具有很高的硬度和耐磨性，心部具有良好的韌性，其齒面接觸疲勞強度和耐磨性、齒根彎曲疲勞強度和心部強度和沖擊韌性均優(yōu)于表面淬火齒輪。

（3）鑄鋼和鑄鐵

鑄鋼的工藝路線一般為鑄造毛坯先正火處理，經(jīng)切削加工后進行表面淬火和低溫回火。

鑄鐵的工藝路線一般為鑄造毛坯先退火或正火處理，經(jīng)切削加工后進行表面淬火和低溫回火。

（4）非鐵金屬

（5）工程塑料

4.齒輪類零件選材舉例

（1）機床齒輪的選材

某機床變速箱齒輪，采用45鋼制造，其加工工藝路線如下：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火+低溫回火→精磨。

①正火：消除鍛造應(yīng)力，使組織均勻并細化，得到合適的硬度，便于切削加工。正火后材料具有一定的綜合力學(xué)性能，對于一般用途的齒輪，可省略調(diào)質(zhì)處理。

②調(diào)質(zhì)：獲得回火索氏體組織，使齒輪心部具有良好的綜合力學(xué)性能，使齒輪能承受較大的交變彎曲載荷和沖擊載荷。

③高頻淬火和低溫回火：高頻淬火可提高齒輪表面硬度，從而提高耐磨性和點蝕疲勞抗力；使齒輪表面具有一定的殘余壓應(yīng)力，以進一步提高疲勞強度。低溫回火可消除淬火應(yīng)力，防止磨削裂紋的產(chǎn)生，提高抗沖擊能力。

（2）汽車齒輪的選材如某汽車變速箱齒輪，采用20CrMnTi鋼制造，其加工工藝路線如下：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火+低溫回火→噴丸處理→精磨。熱處理工藝分析：①正火消除鍛造應(yīng)力，均勻和細化組織，降低硬度，改善切削加工性能。②滲碳、淬火+低溫回火滲碳、淬火+低溫回火處理后，滲碳層深度為1.2～1.6mm