1、5.15.1 选材原则选材原则5.25.2 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺第第5 5章章 材料的选用材料的选用5.1 选材原则选材原则选材的动机选材的动机 开发新产品、产品的改进和更新换代开发新产品、产品的改进和更新换代选材原则选材原则:使用使用 性能性能 工艺性能工艺性能经济性经济性环境与资源原则环境与资源原则一、材料的使用性能一、材料的使用性能 首要原则首要原则.零件的工作条件和失效形式零件的工作条件和失效形式 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、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
2、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，过量变形疲劳断裂，过量变形，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，接触疲劳疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限表面高硬度及疲劳极限，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
3、极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限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。.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）。.特殊功能要求特殊功能要求 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。.性能要求的指标化性能要求的指标化 如强硬度、塑韧性等的具体数值。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40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
4、寸/ /mmmmb / MPa/ %AKU / J850淬火淬火580016120307501580500回火回火5070015561006001340二、工艺性能二、工艺性能 铸、锻、焊、机加工、热处理铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线零件的加工工艺路线一般零件一般零件: 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工轴、齿轮轴、齿轮 等等: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 最终热处理（淬火最终热处理（淬火回火，时效，渗回火，时效，渗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
5、半精加工半精加工时效（或时效（或 N化）化） 精加工精加工 时效时效三、经济性三、经济性 根本原则根本原则.产品成本分析产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率）基本材料的成本（价格、利用率） 占总成本的占总成本的3070%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%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 料料美元美元 / t材材 料料美元美元 / t铂铂26,000,000 工业金刚石工业金刚石900,000,000 金金19,100,000 硼硼环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料330,000 钨钨26,
6、000 碳纤维复材料碳纤维复材料200,000 钛合金钛合金10,19012,720 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料24003300 黄铜（型材）黄铜（型材）16502336 尼龙尼龙663289 铝合金（型材）铝合金（型材）20002440 环氧树脂环氧树脂1650 低碳钢（型材）低碳钢（型材）440480 天然橡胶天然橡胶1430 铸铁铸铁260 氧化铝氧化铝1100-1760 硬质合金硬质合金66,000 玻璃玻璃1500四、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.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
7、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 .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 储量（储量（10106t）可用年数可用年数再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti147515.2 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、齿轮选材性能要求性能要求 齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）强度，韧性。强度，韧性。 选材选材调质钢调质钢 调质调质 + 表面淬
8、火表面淬火 + 低温回火低温回火 渗渗C钢钢 硬度、韧性高。硬度、韧性高。性能指标性能指标 b1000MPa，aKU250J ，齿面硬度齿面硬度HRC55 。选材选材 20CrMnTi，b 1080MPa ， aKU2 55J，齿面齿面HRC5863 。最终热处理工艺最终热处理工艺 930渗渗C + 预冷预冷830油淬油淬 + 200回火回火最终组织最终组织 心部：回火心部：回火M + F齿面：回火齿面：回火M + 碳化物碳化物 + A 工艺路线工艺路线 锻造锻造正火正火机加工机加工渗渗C、淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削磨削实例实例 载重汽车变速箱齿轮载重汽车变速箱齿轮二、机床主轴选材二
9、、机床主轴选材性能要求性能要求 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 + N化化 + 时效。时效。实例实例 C620 车床车床主轴主轴，综合机械性能一般；大端轴颈部位耐磨性高综合机
10、械性能一般；大端轴颈部位耐磨性高 性能指标性能指标 硬度硬度220250HB，轴颈轴颈52HRC 。选材选材 45钢钢热处理工艺热处理工艺 830水淬水淬 + 500回火回火 + 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 锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质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三、内燃机曲轴选材三、内燃机曲轴选材性能要求性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。调质钢
11、（韧性高）、球墨铸铁。实例实例 175A型农用型农用柴油机曲轴柴油机曲轴性能指标性能指标 b750MPa，整体硬度整体硬度240260HBS，轴颈表面硬度轴颈表面硬度625HV (HRC55), 2%, aKU150kJ/m2。选材选材 QT700-2热处理工艺热处理工艺 880920正火正火 + 500600回火回火 + 轴颈轴颈 N化化最终组织最终组织 P + G + 少量少量F 工艺路线工艺路线 铸造铸造高温正火高温正火高温回火高温回火机加工机加工轴颈轴颈 N化化小结小结重点要求重点要求在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处
12、理工艺的方法。一般要求一般要求 1. 1. 选材原则选材原则 材料的使用性能、工艺性能和经济性。材料的使用性能、工艺性能和经济性。 2. 2. 典型零件的加工工艺路线。典型零件的加工工艺路线。 3. 3. 零件失效的概念。零件失效的概念。本章是本课程的综合及实际应用本章是本课程的综合及实际应用作业作业5 5材料的选用材料的选用 week14, Nov 301. 欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：其各选一材料（待选材料： ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10 ）。）。2.
13、某汽车变速箱齿轮，要求某汽车变速箱齿轮，要求b1080MPa，aKU255J，齿面硬度齿面硬度HRC58 ，试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。3. 某某连杆螺栓连杆螺栓，要求，要求b950MPa , s700MPa，aKU2 45J ，试选一试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。（第（第2、3题的待选材料：题的待选材料： H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）渗渗C钢钢
14、的牌号（摘自的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗渗C C: 930，回火：回火：200 ）p172主主 要要 化化 学学 成成 分分, %预备处理预备处理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00 880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30 850 油油880 870 油油钢号钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.
15、81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空 880 780油油机械性能机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863backback调质钢调质钢的牌号（摘自的牌号（摘自GB/T30771999） p174淬淬透透性性钢号钢号主主 要要 成成 分分, , %淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr 0.81.10850油油50
16、0 水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400.400.70Cr 0.81.10850油油550 水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al 0.71.1Cr 1.351.65940水，油水，油640水，油水，油40CrMnMo0.370.450.901.20Cr 0.91.20850油油600 水，油水，油机械性能机械性能 bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.370.441.101.400.200.40850油油500 水，油水，油9807854798078547980835639808357198078563backback调质钢调质钢回火时性能的变化回
17、火时性能的变化 p130backbackC620 车床主轴车床主轴 p336backback球墨铸铁球墨铸铁的牌号、性能的牌号、性能p211牌号牌号基体基体机械性能机械性能 bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB QT400-17F F40025017600179 QT420-10F42042027010300207QT500-5F+P5003505147-241QT600-2P6004202 160160229-302QT700-2P7004902 160160229-302QT800-2P8005602 160160241-321 QT1200-1下下B B12008401300 38
18、HRC热处理热处理 p213backback175A型农用柴油机型农用柴油机曲轴曲轴 p339backback作业作业3 3c c 3.4 有色金属及其合金有色金属及其合金参考答案参考答案1.1.说出下列材料常用的强化方法：说出下列材料常用的强化方法：H70；45钢；钢；HT350；LY12 ；ZL102 。答：答：H70 冷变形强化（加工硬化）冷变形强化（加工硬化）45钢钢 固溶强化（淬火）固溶强化（淬火）HT350 变质（孕育）处理变质（孕育）处理LY12 时效强化时效强化ZL102 变质处理变质处理2.2.指出下列材料牌号或代号的含义：指出下列材料牌号或代号的含义： H59；ZQSn10
19、；QBe2；ZChSnSb11-6；LF21；LC4；ZL102 。答：答：H59 含含59%Cu的普通黄铜的普通黄铜ZQSn10 含含10%Sn的铸造的铸造Sn青铜青铜QBe2 含含2%Be的的Be青铜青铜ZChSnSb11-6 含含11%Sb，6%Cu的的Sn基轴承合金基轴承合金LF21 含含1.01.6%Mn的防锈的防锈Al合金合金LC4 序号为序号为4的超硬的超硬Al合金合金ZL102 含含1013%Si的铸造的铸造Al-Si合金合金3.3.试述下列零件进行时效处理的作用：试述下列零件进行时效处理的作用： a. 形状复杂的大型铸件在形状复杂的大型铸件在500600进行时效处理；进行时效处理； b. 铝合金件淬火后于铝合金件淬火后于140进行时效处理；进行时效处理；c. GCr15钢制造的高精度丝杠于钢制造的高精度丝杠于150进行时效处理。进行时效处理。 消除内应力消除内应力提高强度提高强度稳定尺寸稳定尺寸of Chapter 5of Chapter 5
