机械工程材料-ch机械零件和失效和选材课件.ppt

1、 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺Mechanical Engineering Materials Science机械与电子工程学院 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺1 选材原则选材原则2 2、选材原则使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则、选材原则使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则1 1、选材的动机、选材的动机 产品开发、改进、更新换代。产品开发、改进、更新换代。一、材料的使用性能一、材料的使用性能 首要原则首要原则零件失效类型零件失效类型变形变形 弹、塑性变形。弹、塑性变形。断裂断裂 脆

2、、塑性，疲劳断裂。脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤表面损伤 磨损、腐蚀等。磨损、腐蚀等。零件失效的原因零件失效的原因 设计、材料、加工、安装和使用。设计、材料、加工、安装和使用。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺潘存云教授研制轮齿塑性变形轮齿塑性变形潘存云教授研制齿轮轮齿折断齿轮轮齿折断 潘存云教授研制轴承内圈破裂轴承内圈破裂 潘存云教授研制轴承外圈塑性变形轴承外圈塑性变形零件失效零件失效的实例的实例 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺 断裂仅占断裂仅占5%5%腐蚀、磨损、疲劳破坏占腐蚀、磨损、疲劳破坏

3、占74%74%潘存云教授研制齿面接触疲劳齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损轴瓦磨损失效统计：失效统计：山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺常见零件的工作条件和失效形式常见零件的工作条件和失效形式零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形形，轴颈磨损，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循

4、环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极表面高硬度及疲劳极限限，心部强度及韧性，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺.工作环境工作环境 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。温度，介质（如腐蚀，摩擦）。.特殊功能特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。.性能的指标化性能的指标化 如强硬度、塑韧性等的具体数

5、值。如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性手册数据、经验公式的局限性 力学性能与零件尺寸有关力学性能与零件尺寸有关4040钢不同尺寸毛坯的力学性能钢不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条件热处理条件毛坯尺寸毛坯尺寸/mmmmb b /MPa/MPa/%A AKUKU /J/J850850淬火淬火5 58008001616120120303075075015158080500500回火回火50507007001515565610010060060013134040 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺零件的加工工艺路线零件的加工工艺路线

6、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 轴、齿轮等轴、齿轮等毛坯毛坯 预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工 最终热处最终热处理（淬火回火，时效，渗理（淬火回火，时效，渗C C等）等）精加工精加工 精密丝杠精密丝杠毛坯毛坯 预先热处理预先热处理 粗加工粗加工 最终热处理最终热处理 半精加半精加工工 时效（或时效（或 N N化）化）精加工精加工 时效时效二、工艺性能二、工艺性能 铸、锻、焊、机加工、热处理铸、锻、焊、机加工、热处理 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺.产品成本分析产品成本分析三、经济

7、性三、经济性 根本原则根本原则 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺基本材料的成本基本材料的成本（价格、利用率）（价格、利用率）占总成本的占总成本的303070%70%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%30%加工成本加工成本=工具与设备费用工具与设备费用+每件产品成本每件产品成本 生产批量生产批量材材 料料元元/kgkg材材 料料元元/kgkg铂铂290,000 290,000 ZnZn3434金金160,000 160,000 铝铝2121银银3,500 3,500 4040CrCr3.73.7钛钛200 200

8、 碳钢碳钢3.33.3铜铜68 68 生铁生铁2.32.3 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺四、环境与资源原则四、环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程1.1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量重要金属的世界储量 2.2.能源消耗少能源消耗少 可用年数可用年数 再生率再生率(%)(%)FeFe12812831.731.7AlAl353516.916.9CuCu323240.940.9ZnZn242421.221.2W W4747AgAg

9、151541.041.0MnMn1414NiNi49493.3.环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺2 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺一、齿轮选材一、齿轮选材v 性能要求性能要求：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。性），强度，韧性。v 失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成

10、的过度磨损）v 选材：选材：调质钢调质钢 最终热处理：调质最终热处理：调质+表面淬火表面淬火+低温回火低温回火 渗渗C钢钢 最终热处理：渗碳后淬火处理。最终热处理：渗碳后淬火处理。中高碳钢中高碳钢最终热处理：调质处理后表面淬火。最终热处理：调质处理后表面淬火。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺实例实例1：载重汽车变速箱齿轮载重汽车变速箱齿轮性能指标性能指标 b1000MPa，AK50J，齿面硬度齿面硬度HRC55。选材选材 20CrMnTi，20SiMnVB等，等，b 1080MPa，AK 55J，齿面齿面HRC5863。山东农业大学山东农业大学

11、第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺工艺路线工艺路线：下料：下料 锻造锻造正火正火粗加工粗加工局部镀铜局部镀铜渗渗C、淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削磨削零件零件局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。正火的目的：消除

12、锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。铁素体。渗碳淬火渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺实例实例 2：机床齿轮机床齿轮v 机床齿轮的工作条件机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载荷不大，转速：工作条件较好

13、，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。证高的传动精度和小的工作噪声。v 选材选材：一般采用调质钢，如：一般采用调质钢，如45钢、钢、40Cr或或40MnB钢。钢。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺工艺路线：下料工艺路线：下料 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质滚齿滚齿齿部齿部高频加热表面淬火高频加热表面淬火+低温回火低温回火高频加热表面淬火高频加热

14、表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力 防防止表面发生麻点剥落。止表面发生麻点剥落。调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。，同时还可以减少淬火后的变形。正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的

15、应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺二、轴类零件选材二、轴类零件选材v 性能要求性能要求：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。冲击作用，轴颈尚需耐磨。v 失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。损失效，冲击

16、过载造成的断裂失效等。v选材：选材：碳含量在碳含量在0.30.5，如，如35、40、45、50等碳素结构钢，等碳素结构钢，35CrMo、40Cr、40CrNi合金调质钢。合金调质钢。山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺实例实例1、C620机床主轴选材机床主轴选材 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺性能要求性能要求 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴普通车床（轻载）主轴 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中

17、载）主轴铣床（中载）主轴 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴组合机床（重载）主轴 20CrMnTi，经渗经渗C、淬火、回火处理。淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴精密镗床（高精度）主轴 38CrMoAl，调质调质+氮化氮化+时效时效 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。磨性高。性能指标性能指标 硬度硬度220250HB，轴颈轴颈52HRC。选材选材 45钢，整体硬度钢，整体硬度220250HB，

18、轴颈轴颈表面淬火表面淬火硬度硬度5257HRC。热处理工艺热处理工艺 840水淬水淬+600回火回火(水或油冷）水或油冷）+轴颈高频淬火轴颈高频淬火+200回火回火最终组织最终组织 心部：回火心部：回火S轴颈表面：回火轴颈表面：回火M 工艺路线工艺路线 下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质半半精加工精加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火磨削磨削零件零件 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺常用机床主轴选用的材料及热处理方法常用机床主轴选用的材料及热处理方法 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺

19、山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺实例实例2、内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定175A型农用柴油机型农用柴油机曲轴曲轴 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺性能要求性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。耐磨性。选材选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例实例 175A型农用柴油机曲轴型农用柴油机曲轴性能指标性能指标 b650MPa，整体硬度整体硬度220260HBS，轴颈表面轴颈表面硬

20、度硬度625HV(HRC55),2%,AK15J。选材选材 锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）铸造曲轴（球墨铸铁）铸造曲轴（球墨铸铁）锻钢曲轴：锻钢曲轴：45、40Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3等等 山东农业大学山东农业大学第六章第六章 材料的选材与热处理工艺材料的选材与热处理工艺铸造曲轴：铸造曲轴：QT700-2。锻钢曲轴的热处理工艺：锻钢曲轴的热处理工艺：下料下料锻造锻造正火正火矫直矫直粗加工粗加工去应力退火去应力退火调质调质半精加工半精加工局部表面淬火局部表面淬火+低温回火低温回火矫直矫直精磨精磨零件零件铸造曲轴的工艺路线：铸造曲轴的工艺路线：铸造铸造高温正火高温正火高温回火高温回火矫直矫直切削加工切削加工去去应力退火应力退火轴颈气体渗氮（碳氮共渗）轴颈气体渗氮（碳氮共渗）矫直矫直精精加工加工零件零件