大学精品课件：第七章工程材料的选择.ppt

1、第七章第七章 工程材料的选择工程材料的选择 转 轴 弯 曲 疲 劳 断 口 形 貌 直 升 飞 机 螺 旋 桨 驱 动 齿 轮 轴 扭 断 转 轴 弯 曲 疲 劳 断 口 形 貌 直 升 飞 机 螺 旋 桨 驱 动 齿 轮 轴 扭 断 转轴弯曲疲劳断口形貌转轴弯曲疲劳断口形貌 直升飞机螺旋桨直升飞机螺旋桨 驱动齿轮轴扭断驱动齿轮轴扭断 轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损 断裂失效 失效形式 磨损 腐蚀 表面损伤失效 过量变形失效 过量弹性变形 低应力断裂 脆性断裂 过量塑性变形 疲劳断裂 蠕变断裂 韧性断裂 应力腐蚀断裂 接触疲劳 第一节第一节 机械零件的失效分析机械

2、零件的失效分析 一、基本概念一、基本概念 机械零件失效几种情况机械零件失效几种情况: : 零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等完全被破 坏，全部丧失其功能，不能继续工作。 零件在外部环境作用下，部分丧失其功能，虽 然能安全工作，但不能完成规定功能。 零件严重损伤，继续使用失去可靠性和安全性。 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 二、零件的失效形式二、零件的失效形式 失效形式分为三种还会使基本类型：变形、断裂和变形、断裂和 表面损伤表面损伤. （一）过量变形失效（一）过量变形失效 1、弹性变形失效 2、塑性变形失效 3、翘曲变形失效 （二）断裂失效（二）断裂失效 1、韧性断裂失效 2

3、.脆性断裂失效 疲劳断裂、低应力脆性断裂、蠕变断裂失等均属于脆 性断裂。 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 （三）表面损伤失效（三）表面损伤失效 面损伤失效大体上分为三类：腐蚀失效、腐蚀失效、 磨损失效和表面疲劳失效磨损失效和表面疲劳失效。 1.腐蚀失效。 2.磨损失效。 3.表面疲劳失效。 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 三、失效的基本因素 失效的失效的 基本因素基本因素 设计因素设计因素 材料因素材料因素 制造因素制造因素 运转维修因素运转维修因素 装配调试因素装配调试因素 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 四、失效分析的步骤及方法

4、（四）分析与测试（四）分析与测试 （三）（三） 断口分析断口分析 （二）（二） 整理分析整理分析 （一）（一） 现场调查现场调查 （五）判定成因（五）判定成因 第一节第一节 机械零件的失效分析机械零件的失效分析 第二节 工程材料的选材原则 一、保证使用性能足够的原则一、保证使用性能足够的原则 （一）分析零部件的工作条件，确定使用性能。（一）分析零部件的工作条件，确定使用性能。 （二）分析零部件的失效原原因，确定使用性能。（二）分析零部件的失效原原因，确定使用性能。 1.选材时，不仅要考虑材料的化学成分，还要考虑材料 的生产制造方法和处理工艺。 2.手册中给出的性能数据是各种标准试样的性能指标。

5、 3.材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定 波动范围。 第二节 工程材料的选材原则 二、工艺性能良好的原则二、工艺性能良好的原则 金属材料的加工工艺路线如图金属材料的加工工艺路线如图8 8- -1 1所示。所示。 原原 材材 料料 铸造成形铸造成形 压力加工成压力加工成 形形 焊接成形焊接成形 粉末冶金成粉末冶金成 形形 粗粗 、半 精加半 精加 工工 预预 备备 热热 处处 理理 最最 终终 热热 处处 理理 精精 加加 工工 零零 件件 图图8 8- -1 1 金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线 （一）铸造性能（一）铸造性能 （二）锻造性能（二）锻造性能 （三）焊接性能

6、（三）焊接性能 （四）热处理性能（四）热处理性能 （五）切削加工性能（五）切削加工性能 第二节 工程材料的选材原则 1、铸造性能、铸造性能 第二节 工程材料的选材原则 2 2、锻造性能比较、锻造性能比较 1）低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差； 2）低合金钢可锻性近于中碳钢，高合金钢的较差； 3）铝合金：因锻造温度范围窄，可锻性并不很好； 4）铜合金的可锻性一般较好。 3 3、焊接性能、焊接性能 1）铜合金和铝合金的焊接性能较差； 2）灰口铸铁基本上不能焊； 3）低碳钢和碳含量低于018的合金钢有较好的焊接性能， 碳含量大于045的碳钢和碳含量大于035的合金钢的 焊接性能较差。 碳含量和合金

7、元素含量越高，焊接性能越差 第二节 工程材料的选材原则 4 4、机械加工性能、机械加工性能 第二节 工程材料的选材原则 常用热处理的相对加工费用常用热处理的相对加工费用 热处理方法 相对加工费用 热处理方法 相对加工费用 退火（电炉） 调质 25 球化退火 盐浴炉淬 火及回火 刀具、模具 6-75 正火（电炉） 结构零件 3 渗碳淬火 回火 冷处理 3 氮化 高频感应加热淬火 按淬火长度计算， 一般比渗碳淬火 价廉 三、三、 经济性合理的原则经济性合理的原则 第二节 工程材料的选材原则 常用金属材料的相对价格常用金属材料的相对价格 材材 料料 相对价格相对价格 材材 料料 相对价格相对价格 碳

8、素结构钢碳素结构钢 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 易切钢易切钢 合金结构钢（铬镍除外）合金结构钢（铬镍除外） 铬镍合金结构钢铬镍合金结构钢 滚动轴承钢滚动轴承钢 碳素工具钢碳素工具钢 低合金工具钢低合金工具钢 高速钢高速钢 硬质合金硬质合金 1 1 1.1.2525 2.2.3 31.51.5 3.3.7 7 1.71.7- -2.52.5 5 5 3 3 1.1.6 6 3 3- -4 4 1616- -2020 150150- -200200 铬不锈钢铬不锈钢 铬镍不锈钢铬镍不锈钢 普通黄铜普通黄铜 锡青铜、铝青铜锡青铜、铝青铜 灰铸铁件灰铸铁件 球墨

9、铸铁件球墨铸铁件 可锻铸铁件可锻铸铁件 碳素铸钢件碳素铸钢件 铸造铝合金、铜合金铸造铝合金、铜合金 铸造锡基轴承合金铸造锡基轴承合金 铸造铅基轴承合金铸造铅基轴承合金 1313- -1717 1919 - -1.81.8 - -1.41.4 - -1.51.5 2.52.5- -3 3 8 8- -1010 2323 1010 第二节 工程材料的选材原则 第三节 典型零件材料的选材举例 机械零件制造：机械零件制造： 毛坯成形毛坯成形 切削加工切削加工 毛坯选择影响：毛坯选择影响： 制造质量制造质量 使用性能使用性能 生产周期生产周期 制造成本制造成本 第三节 典型零件材料的选材举例 摩托车发动

10、机摩托车发动机 第三节 典型零件材料的选材举例 机器人汽车焊接生产线机器人汽车焊接生产线 第三节 典型零件材料的选材举例 第三节 典型零件材料的选材举例 一、零件毛坯的类型一、零件毛坯的类型 毛坯类型毛坯类型 铸件铸件 锻件锻件 冲压件冲压件 焊接件焊接件 轧材轧材 成形特点成形特点 液态下成形液态下成形 塑性变形塑性变形 塑性变形塑性变形 永久性连接永久性连接 同锻件同锻件 结构特征结构特征 复杂复杂 简单简单 轻巧、复杂轻巧、复杂 轻巧轻巧 简单简单 工艺性要求工艺性要求 流动性好，收流动性好，收 缩率低缩率低 塑性好，变形塑性好，变形 抗力小抗力小 塑性好，变形塑性好，变形 抗力小抗力小

11、 强度高，塑性强度高，塑性 好好 同锻件同锻件 常用材料常用材料 铸铁、铸钢、铸铁、铸钢、 铝合金等铝合金等 中碳钢及合金中碳钢及合金 结构钢等结构钢等 低碳钢、有色低碳钢、有色 金属薄板金属薄板 低碳钢、低合低碳钢、低合 金钢等金钢等 碳钢、合金结碳钢、合金结 构钢等构钢等 组织特征组织特征 晶粒粗大、疏晶粒粗大、疏 松松 晶粒细小、致晶粒细小、致 密密 拉深时流线有拉深时流线有 变化变化 接头组织不均接头组织不均 匀匀 同锻件同锻件 机械性能机械性能 较差较差 好好 好好 降低降低 较好较好 材料利用率材料利用率 高高 低低 高高 较高较高 较低较低 生产周期生产周期 长长 短短/ /长长

12、 长长 较短较短 短短 生产成本生产成本 较低较低 较高较高 较低较低 中中 应用举例应用举例 机架、床身机架、床身 轴、齿轮轴、齿轮 油箱、油箱、 车身，船体车身，船体 丝杠、螺栓丝杠、螺栓 第三节 典型零件材料的选材举例 二、毛坯选择的原则和依据二、毛坯选择的原则和依据 1、毛坯选择的原则、毛坯选择的原则 保证零件的使用要求保证零件的使用要求 形状精度形状精度 尺寸精度尺寸精度 表面质量表面质量 降低制造成本降低制造成本 制造成本制造成本材料费、消耗的燃料和动力费、工资、设备费用等材料费、消耗的燃料和动力费、工资、设备费用等 成分、组织成分、组织 力学性能力学性能 物理性能、化学性能物理性

13、能、化学性能 外部质量外部质量 内部质量内部质量 问题：采用手工造型的铸件和自由锻锻件毛坯可降低成本问题：采用手工造型的铸件和自由锻锻件毛坯可降低成本 第三节 典型零件材料的选材举例 2、毛坯选择的依据、毛坯选择的依据 零件的用途和工作条件零件的用途和工作条件 零件的结构、形状与外形尺寸零件的结构、形状与外形尺寸 生产批量生产批量 生产条件（设备、人员、技术水平、管理水平等）生产条件（设备、人员、技术水平、管理水平等） ? 第三节 典型零件材料的选材举例 三、常用机械零件毛坯分类及制造方法三、常用机械零件毛坯分类及制造方法 毛坯分类：轴杆类、盘套类、机架、箱体类毛坯分类：轴杆类、盘套类、机架、

14、箱体类 第三节 典型零件材料的选材举例 （一） 轴杆类零件轴杆类零件 功用功用: 主要起支承传动件和传递转矩的作用。主要起支承传动件和传递转矩的作用。 第三节 典型零件材料的选材举例 车车 床床 主主 轴轴 零零 件件 第三节 典型零件材料的选材举例 传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴等传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴等 轴类毛坯轴类毛坯 应用应用 材料材料 热处理及工艺热处理及工艺 锻件锻件 机床主轴机床主轴 45，40Cr 调质处理，轴颈高频淬火调质处理，轴颈高频淬火 高速柴油机曲轴高速柴油机曲轴 38CrMoAl（高（高 淬透性合金调质淬透性合金调质 钢

15、）钢） 调质处理，轴颈氮化调质处理，轴颈氮化 铸件铸件 解放汽车柴油机曲解放汽车柴油机曲 轴轴 QT600-2 轴颈高频淬火轴颈高频淬火 锻焊结合件锻焊结合件 汽车排气阀汽车排气阀 45，4Cr9Si2 （奥氏体型耐热（奥氏体型耐热 钢钢 ） 分段锻造，粗加工，对焊分段锻造，粗加工，对焊 铸焊结合件铸焊结合件 万吨水压机立柱万吨水压机立柱 （80t） ZG35(含碳量含碳量 0.35%) 分段铸造，粗加工，电渣焊拼焊分段铸造，粗加工，电渣焊拼焊 第三节 典型零件材料的选材举例 （一）工作条件：（一）工作条件： 1 1该轴在滚动轴承中运转。该轴在滚动轴承中运转。 2 2承受中等负荷，承受一定的冲

16、击力。承受中等负荷，承受一定的冲击力。 3 3转速中等。转速中等。 第三节 典型零件材料的选材举例 （二）技术要求：（二）技术要求： 1 1整体调质后硬度应为整体调质后硬度应为200200230HB230HB，金相组织为回火，金相组织为回火 索氏体。索氏体。 2 2内锥孔和外圆锥面处硬度为内锥孔和外圆锥面处硬度为454550HRC50HRC，表面，表面3 35mm5mm 内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体。内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体。 3 3花键部分硬度花键部分硬度484850HRC50HRC，金相组织同上。，金相组织同上。 第三节 典型零件材料的选材举例 （三）选材：（三）选

17、材：45钢。钢。 （四）加工工艺路线：（四）加工工艺路线： 下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 半精加工半精加工 钻中心钻中心 孔孔 精车加工精车加工 铣键槽铣键槽 局部淬火局部淬火(锥孔及外锥体锥孔及外锥体) 粗磨粗磨 滚铣花键滚铣花键 花键淬火花键淬火 精磨精磨 第三节 典型零件材料的选材举例 强度 刚度 减震 易于成形 易于加工 灰铸铁 液态成形 （二） 机架、机架、 箱体箱体 类零类零 件件 第三节 典型零件材料的选材举例 2、机架、箱体类零件机架、箱体类零件 特点：特点： 结构复杂，重量从几千克到数十吨，工作条件相差很大。结构复杂，重量从几千克到数十吨，工作条件相差

18、很大。 箱体毛坯箱体毛坯 应用应用 性能及特点性能及特点 材料材料 铸铁件铸铁件 机床床身，齿轮箱，阀机床床身，齿轮箱，阀 体，泵体体，泵体 具有较好的刚度和减振性具有较好的刚度和减振性 HT200 铸钢件铸钢件 重型水压机横梁，重型水压机横梁， 大型轧钢机机架大型轧钢机机架 可承受重载荷及冲击载荷可承受重载荷及冲击载荷 ZG35,必须进行退火必须进行退火 或正火或正火 铝合金铸件铝合金铸件 航空发动机箱体航空发动机箱体 摩托车发动机箱体摩托车发动机箱体 仪表罩壳仪表罩壳 受力不大，自重轻，导热性好受力不大，自重轻，导热性好 ZL105 ZL108 焊接件焊接件 (单件单件,小批量小批量) 版

19、辊磨床床身版辊磨床床身 形状简单，可承受较大应力形状简单，可承受较大应力 Q235 第三节 典型零件材料的选材举例 （1 1）、）、 齿轮的工作条件由于传递扭矩，齿齿轮的工作条件由于传递扭矩，齿 根承受很大的交变弯曲应力；根承受很大的交变弯曲应力； （2 2）、换挡、启动或啮合不均时，齿部承）、换挡、启动或啮合不均时，齿部承 受一定冲击载荷；受一定冲击载荷； （3 3）、齿面相互滚动或滑动接触，承受很）、齿面相互滚动或滑动接触，承受很 大的接触压应力及摩擦力的作用大的接触压应力及摩擦力的作用 （三）（三） 齿轮零件齿轮零件 1 1、齿轮零件的工作条件、失效形式及其对、齿轮零件的工作条件、失效形

20、式及其对 材料性能的要求材料性能的要求 第三节 典型零件材料的选材举例 2 2、齿轮的失效形式、齿轮的失效形式 疲劳断裂疲劳断裂 齿面磨损齿面磨损 (1) (1) 疲劳断裂疲劳断裂 主要从根部发生。主要从根部发生。 (2) (2) 齿面磨损齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小。 第三节 典型零件材料的选材举例 (3) 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产 生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点) (4) 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿 齿面剥落 轮齿冲击 第三节 典型零件材料的选材举例 3. 3. 齿轮的性能要求齿轮的性能要求 (1)

21、 (1) 高的弯曲疲劳强度高的弯曲疲劳强度; ; (2) (2) 高的接触疲劳强度和耐磨性高的接触疲劳强度和耐磨性; ; (3) (3) 较高的强度和冲击韧性。较高的强度和冲击韧性。 小等。小等。 （二）齿轮类零件的选材（二）齿轮类零件的选材 化处理后，表面强度和硬度高，心部韧性好，工艺性能好，化处理后，表面强度和硬度高，心部韧性好，工艺性能好， 经济上也较合理。经济上也较合理。 1 1、 典型齿轮选材举例典型齿轮选材举例 第三节 典型零件材料的选材举例 1.1.机床齿轮机床齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向 的任务。工作条件较好

22、，转速中等，载荷不大，工作平稳的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳 无强裂冲击。因此，一般可选中碳钢无强裂冲击。因此，一般可选中碳钢(45(45钢钢) )制造，为了提制造，为了提 高淬透性，也可选用中碳合金钢高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr(40Cr钢钢) )。 工艺路线为：下料工艺路线为：下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精精 加工加工-轮齿高频淬火及回火轮齿高频淬火及回火-精磨。精磨。 冲击载荷小的低速齿轮也可采用冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250HT250、HT350HT350、 QT500QT500- -5 5、QT600QT600- -2 2等

23、铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮 外外, , 有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛( (或单体浇铸尼或单体浇铸尼 龙龙) )齿轮齿轮, , 工作时传动平稳工作时传动平稳, , 噪声减少噪声减少, , 长期使用无损坏长期使用无损坏, , 且磨损很小。且磨损很小。 第三节 典型零件材料的选材举例 2. 2. 汽车齿轮汽车齿轮 汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受 力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以 及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢 20Cr20Cr或或20CrMnTi20CrMnTi制造。制造。 渗碳齿轮的工艺路线为：下料渗碳齿轮的工艺路线为：下料-锻造锻造-正火正火-切削加切削加 工工-渗碳、淬火及低温回火渗碳、淬火及低温回火-喷丸喷丸-磨削加工磨削加工 第三节 典型零件材料的选材举例