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1、2023年10月5日2时56分,机械工程材料,1,第十二章 零件的选材及工艺路线,第十二章 零件的选材及工艺路线,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,2,主要内容,1、常用的力学性能指标在选材中的意义2、断裂韧度在选材中的意义3、零件实物性能试验的重要性4、材料强度、塑性与韧性的合理配合5、选材方法6、典型零件选材及工艺路线,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,3,第一节常用的力学性能指标在选材中的意义,1 刚度指标2 弹性指标3.硬度指标4 强度指标5 塑性指标6 冲击韧性指标,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,4,零件的失效与失效分析,失效:1、零件完全破坏
2、，不能继续工作 2、零件严重损伤，不能继续安全工作 3、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用,-依据力学性能指标,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,5,设计不合理 选材不合理加工工艺不当安装使用不正确,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,6,失效分析方法-依据力学性能指标,1）收集证据,2）断口分析，判断失效方式,失效零件的残骸,失效零件的资料,3）测定数据，包括成分、组织和性能的分析与测试,4）确定失效原因,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,7,第二节断裂韧度在选材中的意义,根据断裂韧度 选材，则既可保证发挥材料强度的最大潜力，有可以避免发生低应力脆断。对
3、于含裂纹的构建，当低应力脆断为主要危险时，其承载能力已不是屈服强度所控制，而是取决于材料的断裂韧度，必须应用断裂力学方法进行选材，才能确保安全。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,8,第三节零件实物性能试验的重要性,零件结构设计和加工工艺对于其他性能有重大的影响，通常零件的性能(强度、塑性韧性等)总是低于实验室试样的性能，因此对重要的零件必须进行实物性能试验，如台架试验或装机试验。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,9,第四节 材料强度、塑性与韧性的合理配合,材料设计应从零件的实际工作情况出发，使材料的强度、塑性与韧性的合理配合,2023年10月5日2时56分,机械工程
4、材料,10,第五节选材方法,一根据材料的使用性能选材二根据材料的工艺性能选材三根据材料的经济性选材四实例分析,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,11,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,12,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,13,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,14,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,15,材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件(产品)的设计功能相适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法(路
5、线)是对机械设计与制造工程人员(广义地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员)的基本要求。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,16,一、根据使用性能选材原则,分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况 如载荷性质(静载、动载。交变载荷)、形式(拉压、弯曲、扭转、剪切)、分布(均匀分布、集中分布)与大小，应力状态：工作环境 如温度(常温、高温、低温或变温)介质(有无腐蚀介质、润滑剂)；其他要求 如导热性、密度与磁性等在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变 载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。,2023年10月5日2时56分
6、,机械工程材料,17,一、使用性能选材原则,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,18,二、工艺性能选材原则,材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,19,二、根据材料的工艺性能选材(金属材料),1铸造性能 凡相图上液固相线间距越小、越接近共晶成分的
7、合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的，铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钥较少用做铸件。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,20,2压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差：故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等：高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金
8、，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,21,3焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法(如氩弧焊)或特殊措施进行焊接。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,22,4机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180230HBS范围的钢具有较好
9、的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差铝镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,23,5.热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强化如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,24,二、根据材料的工艺性能选材(高分子材料),高分子材料的加工工艺主要为成型加工，且工艺性能良好，所用工具为成型模(其中主要为塑料模)，具体的成型方法很多，如注射成型、吹塑成型、挤压成型等也易于
10、进行切削加工，但因其导热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化(热塑性塑料)和烧焦(热固性塑料)现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接与热处理，其工艺简单易行。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,25,二、根据材料的工艺性能选材(陶瓷材料),硬而脆且导热性较差。根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精度及生产率不同，可选用粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等方法陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外(如氮化硼陶瓷)，其它陶瓷均不可切削加工陶瓷虽可磨削加工，但其磨削性能也不佳，且必须选用超硬材料砂轮(如金刚石砂轮)。陶瓷也可进行热处理，但因导热性与耐热冲击
11、性差，故加热与冷却时应小心，否则极易产生裂纹。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,26,三、经济性能选材原则,质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件：在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,27,金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要的四大类工程材料 高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、
12、重要的结构零件但由于其原料丰富、生产能耗较低(为钢的110、铝的120)，密度低、弹性较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,28,陶瓷材料 硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。但陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位故有人认为2l世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用
13、阶段。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,29,金属材料尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占6s、铸铁占20、有色金属占3、非金属材料约占12。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,30,第六节典型零件选材及工艺路线,一 齿轮 二 轴 三汽轮机叶片,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,31,一
14、、齿轮类零件选材,应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩(力或能)，改变运动速度或方向。,不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,32,性能要求,1 工怍条件传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦：启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力：有时有其它特殊条件要求，如耐高，低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,33,2主要失效形式,断裂包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲 击过载导致的崩齿与开裂；齿面损伤包括交变接触应
15、力引起的表面接触疲劳(麻点剥落)和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,34,3、主要性能要求,高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐 磨性，以防齿面损伤。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,35,材料要求金属材料,（1）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织井形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：低碳钢及低碳合金钢 20，20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正
16、火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火+低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(5662 HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,36,(1)锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括；中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条
17、件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,37,(1)锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括；中碳氮化钢 40Cr、35CrMo、38CrMoAi钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,38,（2）铸钢 铸钢齿轮的力学性能比锻钢差，较少使用，但对某些尺
18、寸大(500 mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有G270-500、ZG310-570、ZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火+低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,39,（3）铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载，不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有HT200、HT250、HT350等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢
19、齿轮。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,40,（4）非铁金属 在仪器仪表及某些特殊条件下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如黄铜（如H62)、铝青铜(如QAl9-4)、锡青铜(如Qsn6.5-0.1)、硅青铜(如QSi3-1)等。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,41,（5）粉末冶金材料 粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技术经济效益高。粉末冶金材料一般适用于大批量生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮(材料Fe-C 0
20、.9)、分电器齿轮(材料Fe-C 0.9Cu2.0)、农用柴油机中的凸轮轴齿轮(材料Fe-CuC)、联合收割机中的油泵齿轮。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,42,选材要求(非金属材料),陶瓷材料脆性大、工艺性能差，一般不用做齿轮材料；高分子材料(如尼龙、ABS、聚甲醛等)具有减摩耐磨(尤其是在无润滑或不良润滑条件下)、耐蚀、质量轻、噪声小、生产率高等优点，故适合于制造轻载、低速、无润滑条件下工作的小齿轮，如仪表齿轮、玩具齿轮、车床走刀机械传动齿轮等,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,43,综述,对开式传动齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小的齿轮，宜选相对价廉的材
21、料，如铸铁、碳钢等；对闭式传动齿轮，或中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击的齿轮，则宜选用相对较好的材料，如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理在齿轮副选材时，为使两者寿命相近并防止咬合现象，大、小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,44,常用材料,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,45,典型齿轮选材,1机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火+低温回火，其齿面硬度可达
22、50HRC齿心硬度为220250HBS，可满足性能要求：对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,46,机床齿轮的简明加工工艺路线,可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。调制可提高齿轮表面的硬度，耐磨性
23、和疲劳性能低温回火的作用主要是消除淬火应力。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,47,2.汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTI、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火+低温回火处理后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度3045HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢(如18Cr2Ni4WA)来制造。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,48,2023
24、年10月5日2时56分,机械工程材料,49,二、轴类零件选材,1工作条件 交变弯曲载荷，扭转载荷或拉压载荷；相对运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；因机器开停、过载等，承受一定的冲击载荷：2主要失效 疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数磨损 相对运动表面过度唐损；过量变形 极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。3性能要求 高的疲劳极限；综合力学性能好，局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,50,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,51,常用材料-钢铁,1、锻钢 优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料
25、的主体：35、40、45、50(45钢最常见)等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛：对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用Q230、Q255、Q275等普通碳钢制造：对受力较大、尺寸较大形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢(如38CrMoAIA)制造。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,52,1锻钢(续)中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能(强韧性)，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等)少数情况下还可选用
26、低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢(如20Cr、20CrMnTi)渗碳制造：而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造(如6Crl5、9Mn2V等)。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,53,2.铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用特钢来制造，如ZG230-450铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。3.铸铁 由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸铁(HT350、KTZ550-6等)来代替钢作为轴(尤其是曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性
27、不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,54,轴类零件选材应注意的几点,以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢(如45钢)、铸铁(如QT700-2)、甚至普通质量碳钢(如Q275)制 造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨 性，可对其进行表面淬火 以耐磨性为主的轴，可选碳含量 较高的钢(如65Mn、9Mn2V)或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAIA渗氮制造。主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr
28、即可；而对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo 主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,55,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,56,典型材料,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,57,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,58,可持续发展战略下的材料选择,1选择绿色材料2减少所用材料种类3尽量选用不加涂、镀层的原材料4产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料5选用易回收再生的材料,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,59,三、箱体类的选材与工艺,1.特点,结构复杂,2.对材料的要求,1）受力较大，高强度高韧性的箱体零件,2）受力不大，受静载的箱体零件,3）受力不大，要求自重轻，导热良好的箱体零件,4）受力不大，要求自重轻的箱体零件,2023年10月5日2时56分,机械工程材料,60,欢迎神华集团的学员们学习机械工程材料,
