1、第九章第九章 工程材料的选用工程材料的选用内容提要：内容提要：本章按照失效模式与失效机理对零件失效形式进行本章按照失效模式与失效机理对零件失效形式进行分类，介绍各种失效形式，包括畸变失效、断裂失分类，介绍各种失效形式，包括畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效。阐述机械零件选材原效、磨损失效及腐蚀失效。阐述机械零件选材原则。则。学习目标：学习目标：了解各种失效形式（畸变失效、断裂失效、磨损失了解各种失效形式（畸变失效、断裂失效、磨损失效及腐蚀失效）的特点。掌握机械零件选材原则效及腐蚀失效）的特点。掌握机械零件选材原则学习建议：学习建议：在学习了有关材料的基本知识和各种工程材料之后，在学习了有关
2、材料的基本知识和各种工程材料之后，本章开始接触到材料的实际应用，学习如何正确选本章开始接触到材料的实际应用，学习如何正确选材及工艺路线设计。应当综合应用前面几章的基础材及工艺路线设计。应当综合应用前面几章的基础知识。知识。失效：失效：主要指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状主要指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状或材科的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的或材科的组织与性能的变化而不能完满地完成指定的功能。功能。失效导致严重事故事例失效导致严重事故事例l失效几种情况失效几种情况：(1)零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；(2)虽仍能安全工作，但不能满意地起到预期的作用
3、。虽仍能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。(3)零件严重损伤，继续工作不安全。零件严重损伤，继续工作不安全。第一节：机械零件的失效第一节：机械零件的失效一一、失效的形式失效的形式按失效模式和其相应的失效机理分类。按失效模式和其相应的失效机理分类。失效模式：是指失效的外在宏观表现和规律，失效模式：是指失效的外在宏观表现和规律，失效机理：是指引起失效的微观的物理、化学变化过失效机理：是指引起失效的微观的物理、化学变化过程的本质，这种失效模式和失效机理相结合的分类就是程的本质，这种失效模式和失效机理相结合的分类就是宏观和微观相结合由表及里地揭示失效的物理本质的过宏观和微观相结合由表及里地揭示失效
4、的物理本质的过程。程。表表是根据机械零件最常见的失效模式进行的分类，归是根据机械零件最常见的失效模式进行的分类，归纳为畸变失效、断裂失效、表面损伤失效三大类型，每纳为畸变失效、断裂失效、表面损伤失效三大类型，每一类型又可分为几种不同的情况，同时列出了各种类型一类型又可分为几种不同的情况，同时列出了各种类型的失效所相应的失效机理。的失效所相应的失效机理。第一节第一节零件失效形式零件失效形式一、一、过量变形失效过量变形失效l体现：体现：(1)不能承受所规定载荷；不能承受所规定载荷；(2)不能起到规定的作用；不能起到规定的作用；(3)与其他零件的运转发生干扰与其他零件的运转发生干扰例如：车间用的大型
5、吊车，其大车横粱通过两边的各两例如：车间用的大型吊车，其大车横粱通过两边的各两个车轮跨支于两边的钢轨上。当其吊物工作时，横粱必产个车轮跨支于两边的钢轨上。当其吊物工作时，横粱必产生一定的挠度，如果超过规定的许用挠度，两边车轮由于生一定的挠度，如果超过规定的许用挠度，两边车轮由于梁的弯曲变形以及相应粱的两端过大转角变形导致车轮挤梁的弯曲变形以及相应粱的两端过大转角变形导致车轮挤住了轨道造成畸变失效住了轨道造成畸变失效(运行干扰运行干扰)。1弹性畸变失效弹性畸变失效l弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，不恰当的变弹性畸变的变形量是在弹性范围内变化，不恰当的变形量导致失效。形量导致失效。l拉、压变形
6、的杆、柱类零件，过大的弹性畸变量导致拉、压变形的杆、柱类零件，过大的弹性畸变量导致支承件支承件(如轴承如轴承)过载，机械因丧失尺寸精度造成动作过载，机械因丧失尺寸精度造成动作失误。失误。l弯、扭变形的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴弯、扭变形的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常。如轴承的严重偏上啮合零件的严重偏载，啮合失常。如轴承的严重偏载，甚至咬死，导致传动失效；载，甚至咬死，导致传动失效；l某些控制元件，如温控元件，予定的弹性变形某些控制元件，如温控元件，予定的弹性变形(挠度挠度)是温控装置的精度的保证。是温控装置的精度的保证。l影响弹性畸变的主要因素有：零
7、件形状、尺寸、材料影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。2塑性畸变失效塑性畸变失效 是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变永久变形形)。l影响因素：影响因素：(1)材质缺陷材质缺陷它包括材料本身的冶金缺陷和热加工缺陷，其中较为常见的是热处理不良它包括材料本身的冶金缺陷和热加工缺陷，其中较为常见的是热处理不良造造成的缺陷。如淬火时，加热温度或冷却速度不合适，导致较软的组织的成的缺陷。如淬火时，加热温度或冷却速度不合适，导致较软的组织的形
8、，形，从而未达到所需的硬度和屈服强度。导致零件在工作时发生塑性畴变从而未达到所需的硬度和屈服强度。导致零件在工作时发生塑性畴变失效。失效。(2)使用不当使用不当这是导致塑性畸变的另一原因。使用不当主要是严重过载和润滑不当。如这是导致塑性畸变的另一原因。使用不当主要是严重过载和润滑不当。如齿轮传动是在过高的压力或润滑不足的条件下运行，齿面很可能出现如鳞齿轮传动是在过高的压力或润滑不足的条件下运行，齿面很可能出现如鳞皱、起脊等塑性畸变，导致齿轮失效。皱、起脊等塑性畸变，导致齿轮失效。(3)设计失误设计失误它主要表现为对载荷估计不足，对温度的影响、材质缺陷估计太低，以它主要表现为对载荷估计不足，对温
9、度的影响、材质缺陷估计太低，以及缺少对一些重要零件的全面质量管理要求。及缺少对一些重要零件的全面质量管理要求。3 翘曲畸变失效翘曲畸变失效是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形，从而导致严重的翘曲最终形成了翘曲的外形，从而导致严重的翘曲畸变失效。这种畸变往往是由温度、外加裁荷、畸变失效。这种畸变往往是由温度、外加裁荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合，其中以温度变化，特别是高温所导致的形合，其中以温度变化，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。状翘曲最为严重。二、表面损伤失效二、表面损
10、伤失效l磨损磨损相互接触的一对金属表面，相对运动时相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。属表面状态和尺寸改变的现象。1.粘着磨损粘着磨损两个金属表两个金属表面的微凸部分在局部高面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结压下产生局部粘结(固相固相粘着粘着)，使材料从一个表，使材料从一个表面转移到另一表面或撕面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为面之间，这一现象称为粘着磨损。粘着磨损。粘着磨损示意图粘着磨损磨痕2.磨料磨损磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中，
11、因外来硬颗配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒形成沟漕）的磨损称为磨粒(料料)磨损。磨损。磨粒磨损示意图磨粒磨损示意图磨粒磨损磨痕磨粒磨损磨痕3.犁削磨损犁削磨损硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，在较软材料的表面形成在较软材料的表面形成“犁沟犁沟”。活塞环。活塞环与缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现与缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现象）、磨料磨损。象）、磨料磨损。犁削磨损磨痕犁削磨损磨痕犁削磨损示意图犁削磨损示意图 4.表面疲劳磨损表面疲劳磨损
12、两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。5.冲刷磨损冲刷磨损冲刷磨损是由于含固态粒子的流体冲刷磨损是由于含固态粒子的流体(常为液体常为液体)冲刷造成表面材料损冲刷造成表面材料损失的磨损。失的磨损。6.腐蚀磨损腐蚀磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。反应，产生表层金属的损失或迁移现象。冲刷磨损
13、示意图冲刷磨损示意图 三、三、断裂失效断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效称为断裂失效。机械零件因断裂而产生的失效称为断裂失效。1、断裂失效的分类、断裂失效的分类塑性断裂塑性断裂脆性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳断裂蠕变失效断裂蠕变失效断裂2、断口的分析方法、断口的分析方法断口分析是断裂失效分析的关键，是断裂失效分断口分析是断裂失效分析的关键，是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。例：金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观例：金属材料的室温拉伸或冲击试样的断口宏观观察，可以看到断口分为：察，可以看到断口分为：F-纤维状区纤维状区R-放射状区放射状区 S
14、-剪切唇区剪切唇区断口 脆性断裂实物脆性断裂实物 脆性断裂断口脆性断裂断口(解理花样解理花样)沿晶断口沿晶断口(冰糖花样冰糖花样)疲劳断裂显微形貌疲劳断裂显微形貌 汽车板簧断裂失效汽车板簧断裂失效板簧表面存在严重的热加工缺陷板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠。折叠。折叠造成了表面裂纹。疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。折叠造成了表面裂纹。疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。根据板簧的安装条件和工作状况分析，板簧断裂位置处于应力根据板簧的安装条件和工作状况分析，板簧断裂位置处于应力集中处。集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧疲劳断裂。四四.腐蚀失效
15、腐蚀失效 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。化学作用的结果。一）均匀腐蚀一）均匀腐蚀均匀腐蚀均匀腐蚀：在整个金属的表面均匀地发生腐蚀。在整个金属的表面均匀地发生腐蚀。腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织，腐蚀环境包围金属表面是均匀化学成分和显微组织，腐蚀环境包围金属表面是均匀而且不受限制。而且不受限制。均匀腐蚀可在大气、液体以及土壤里产生。均匀腐蚀可在大气、液体以及
16、土壤里产生。钢材在大气中所产生的锈蚀；钢材在大气中所产生的锈蚀；铜在土壤里的锈蚀。铜在土壤里的锈蚀。二二)点腐蚀点腐蚀腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度扩展成孔穴甚至穿透扩展成孔穴甚至穿透(孔蚀孔蚀)。金属表面受破坏处和未受破坏处形成金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部局部电池电池”，其中受破坏处是阳极，未受破坏处，其中受破坏处是阳极，未受破坏处是阴极，腐蚀电流由阳是阴极，腐蚀电流由阳极流向周围的阴极，阳极流向周围的阴极，阳极处很快被腐蚀成小孔。极处很快被腐蚀成小孔。点腐蚀示意图点腐蚀示意图 三三)晶间腐蚀晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。腐蚀发生于晶粒边
17、界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。晶间腐蚀示意图晶间腐蚀示意图 腐蚀失效举例腐蚀失效举例（汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效分析）（汽车储气罐放水阀弹簧腐蚀失效分析）弹簧材料为碳素弹簧钢弹簧材料为碳素弹簧钢.长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，长期在含有氧、硫的水油混和物中浸泡，受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧丝受到严重腐蚀，表面腐蚀产物从材料表面剥落，减少了弹簧丝的截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。的截面，同时弹簧因腐蚀而变脆。在阀芯受到向上的作用力在阀芯受到向上的作用力F时，弹簧破断。阀芯失去密封作用。使气体泄漏，造成气压降时，弹簧破断
18、。阀芯失去密封作用。使气体泄漏，造成气压降低，刹车失灵，造成严重事故低，刹车失灵，造成严重事故。二、失效的基本因素二、失效的基本因素1。设计因素。设计因素为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。为了保证产品质量，必须精心设计，精心施工。根据零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发生的失效模式，根据零件在特定工况、结构和环境等条件下可能发生的失效模式，建立给定条件下正常工作的准则，确定合适的材质、尺寸、结构，建立给定条件下正常工作的准则，确定合适的材质、尺寸、结构，提出必要的技术文件。提出必要的技术文件。技术文件技术文件设备图纸和设计计算说明书。设备图纸和设计计算说明书。如设计有误如设计有误,
19、则机械设备或零件将不能使用或过早失效。则机械设备或零件将不能使用或过早失效。2。制造。制造(工艺工艺)因素因素工艺缺陷往往是使零件达不到设计要求而导致失效的重要因素。工艺缺陷往往是使零件达不到设计要求而导致失效的重要因素。零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣；零件在铸造过程中产生的疏松、夹渣；锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹；锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹；焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹；焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹；机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适；机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适；热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性；热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性；精加工
20、磨削中的磨削裂纹等。精加工磨削中的磨削裂纹等。3、安装调试因素、安装调试因素安装过程达不到所要求的质量指标，导致零件失效。安装过程达不到所要求的质量指标，导致零件失效。啮合传动件啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适的间隙不合适(过松过松或过紧，接触状态未调整好或过紧，接触状态未调整好)；连接零件必要的连接零件必要的“防松防松”不可靠；不可靠；铆焊结构的必要探伤检验不良；铆焊结构的必要探伤检验不良；润滑与密封装置不良等；润滑与密封装置不良等；初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。4、材质因素、材质因素选材不当使零件达不到设计要求
21、而导致失效。选材不当使零件达不到设计要求而导致失效。材质内部缺陷、毛坯加工材质内部缺陷、毛坯加工(铸锻焊铸锻焊)工艺或冷热加工工艺或冷热加工(特别是热处理特别是热处理)工艺过程产生的材料内部缺陷导致失效工艺过程产生的材料内部缺陷导致失效5、运转维修因素、运转维修因素不正确的运转参数、忽视维修，导致零件失效。不正确的运转参数、忽视维修，导致零件失效。运转工况参数运转工况参数(载荷、速度等载荷、速度等)的监控是否准确；的监控是否准确；定期大、中、小检修的制度是否合理、执行；定期大、中、小检修的制度是否合理、执行；润滑条件是否保证润滑条件是否保证,润滑剂和润滑方法是否选得合适，润滑剂和润滑方法是否选
22、得合适，润滑装置冷却、加热和过滤系统功能是否正常。润滑装置冷却、加热和过滤系统功能是否正常。第三节机械零件选材原则第三节机械零件选材原则一、使用性能原则一、使用性能原则一）机械零件正确选材的使用性能原则一）机械零件正确选材的使用性能原则使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。物理性能和化学性能。机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性
23、能。材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。二）零件使用时的工作条件二）零件使用时的工作条件（1）受力状况）受力状况主要是载荷的类型主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。和大小；载荷的形式；载荷的特点等。（2）环境状况）环境状况主要是温度特性、介质情况等。主要是温度特性、介质情况等。（3）特殊要求）特殊要求如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。三）零件根据使用性能选材的步骤三）零件根据使用性能选材的步骤对零件工作条件和失效形式全面分析
24、，确定零件对零件工作条件和失效形式全面分析，确定零件对使用性能的要求；对使用性能的要求；根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命、安全性等，确定要求性由工作应力、使用寿命、安全性等，确定要求性能的具体数值；能的具体数值；利用材料手册根据使用性能选材。利用材料手册根据使用性能选材。常用零件的工作条件和失效形式常用零件的工作条件和失效形式 零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的数据完全相同，必须注意以册、书本中所给出的数
25、据完全相同，必须注意以下情况：下情况：材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。理后的状态有关。材料的性能与试样的尺寸有关，必须考虑零件尺材料的性能与试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。材料的化学成分、加工处理的工艺参数都有一定材料的化学成分、加工处理的工艺参数都有一定波动范围。波动范围。二、二、工艺性能原则工艺性能原则 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。一）高分子材料零件选材的工艺性能原则一）高分子材料零件选材的工艺性能
26、原则高分子材料成形容易，方法较多。高分子材料成形容易，方法较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热，相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使其变焦易使工件温度急剧升高，使其变焦(热固性塑料热固性塑料)或变或变软软(热塑性塑料热塑性塑料)。高分子材料主要成形工艺的比较高分子材料主要成形工艺的比较工艺工艺适用材料适用材料形状形状表面表面粗糙度粗糙度尺寸精度尺寸精度模具费模具费用用生产率生产率热压成形热压成形范围较广范围较广复杂形状复杂形状很低很低好好高高中等中等喷射成形喷射成形热
27、塑性塑料热塑性塑料复杂形状复杂形状很低很低非常好非常好很高很高高高热挤成形热挤成形热塑性塑料热塑性塑料棒类棒类低低一般一般低低高高真空成形真空成形热塑性塑料热塑性塑料棒类棒类一般一般一般一般低低低低高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 二）陶瓷材料零件选材的工艺性能原则二）陶瓷材料零件选材的工艺性能原则陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外
28、，几乎不能进行任何其它加工。石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。陶瓷材料各种成形工艺比较陶瓷材料各种成形工艺比较工工 艺艺优优 点点缺缺 点点粉浆成形粉浆成形可做形状复杂件、薄塑件，成本低可做形状复杂件、薄塑件，成本低收缩大，尺寸精度低，生产率低收缩大，尺寸精度低，生产率低压制成形压制成形可做形状复杂件，有高密度和高强可做形状复杂件，有高密度和高强度，精度较高度，精度较高设备较复杂，成本高设备较复杂，成本高挤压成形挤压成形成本低，生产率高成本低，生产率高不能做薄壁件，零件形状需对称不能做薄壁件，零件形状需对称可塑成形可塑成形尺寸精度高，可做形状复杂件尺寸精度高，可做形状复杂件成本高成本高陶
29、瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 三）金属材料零件选材的工艺性能原则三）金属材料零件选材的工艺性能原则金属材料加工的工艺路线复杂，变化多。加工工金属材料加工的工艺路线复杂，变化多。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线 性能要求不高的金属零件的工艺路线：性能要求不高的金属零件的工艺路线：毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。性能要求较高的金属零件的工艺路线：性能要求较高的金属零件的工艺路线：毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热
30、处理(淬淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工精加工零件。零件。性能要求较高的精密金属零件的工艺路线：性能要求较高的精密金属零件的工艺路线：这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。寸精度和表面光洁度。毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热处理(淬淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工半精加工稳定化稳定化处理或氮化处理或氮化精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。三、经济性原则三、经济性原则 一）、材料的价
31、格一）、材料的价格零件材料的价格无疑应该尽量低。零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的比率，一般可占产品价格的材料的价格在产品的总成本中占有较大的比率，一般可占产品价格的30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。二）、零件的总成本二）、零件的总成本零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。和材料价格有关。三）、国家的资源三）、国家
32、的资源随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须考虑，随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。源状况。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。l提示提示正确选材是机械设计的一项重要任务。正确选材是机械设计的一项重要任务。材料的使用性能应满足使用要求；材料的使用性能应满足使用要求；材料的工艺性能应满足生产工艺的要求；材料的工艺性能应满足生产工艺的要求；采用
33、便宜的材料，把总成本降至最低，取采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。得最大的经济效益。第四节第四节典型零件与工具的选材分析典型零件与工具的选材分析l 构件材料的选用，一般首先考虑使用性能，构件材料的选用，一般首先考虑使用性能，然后进行工艺性能和经济性的综合分析；具体然后进行工艺性能和经济性的综合分析；具体使用性能的确定，则重点根据是构件的失效形使用性能的确定，则重点根据是构件的失效形式。所以，合理的选材方法式。所以，合理的选材方法应按不同的失效形式分类进行。应按不同的失效形式分类进行。一、齿轮选材一、齿轮选材（一）齿轮的工作条件、失效形式及其对材料性能的要求（一）齿轮的工作条
34、件、失效形式及其对材料性能的要求1齿轮工作条件齿轮工作条件(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)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。作用。2 齿轮的失效形式齿轮的失效形式(1)疲劳断裂疲劳断裂 主要从根部发生，其宏观形貌主要从根部发生，其宏观形貌见图见图。这是齿轮严重的失效形式，。这是齿轮严重的失效形式，常常引起数齿甚至所有齿的断裂。常常引起数齿甚至所有齿的断裂。
35、(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，如图如图所示。所示。(3)齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微型纹，微裂纹的发展，在交变接触应力作用下，齿面产生微型纹，微裂纹的发展，引起点状剥落引起点状剥落(或称麻点或称麻点)见图见图。(4)过载断裂过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿，主要是冲击载荷过大造成的断齿，见图见图。3齿轮的性能要求齿轮的性能要求根据工作条件及失效形式的分析根据工作条件及失效形式的分析(1)高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；(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)较高的强度和
36、冲击韧性。较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，此外，还要求有较好的热处理工艺性能，例如热处理变形小，或变形有一定规律或变形有一定规律（二）（二）齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材 齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。强度和接触疲劳强度。l齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。计算方法，基本上凭经验决定。断裂。计算方法，基本上凭经验决定。l从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它从以上两方面考虑，选用低、中碳钢
37、或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面们经表面强化处理后，表面有高的硬度，心部有足够的冲击韧有高的硬度，心部有足够的冲击韧性。性。1、机床齿轮选材举例机床齿轮选材举例机床变速箱齿轮担负传递机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大等，载荷不大,工作平稳无强烈工作平稳无强烈冲击。冲击。一般可选中碳钢一般可选中碳钢(45钢钢)制制造造,为了提高淬透性，也可选用为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢中碳合金钢(40Cr钢钢)。冲击载。冲击载荷小的低速齿轮也可采用荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、Q
38、T500-5、QT600-2等铸铁制造。等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮机床齿轮除选用金属齿轮外外,有的还可改用塑料齿轮，有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮龙齿轮,工作时传动平稳工作时传动平稳,噪声噪声减少减少,长期使用磨损很小。长期使用磨损很小。机床变速箱齿轮机床变速箱齿轮 工艺路线为：工艺路线为：下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工轮齿高频淬轮齿高频淬火及回火火及回火精磨精磨l 正火处理：对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，正火处理：对锻造齿轮毛坯是必须的热处理工序，它可消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料具有相同它可消除锻造
39、应力，均匀组织，使同批坯料具有相同的硬度，便于切削加工，改善齿轮表面加工质量，对的硬度，便于切削加工，改善齿轮表面加工质量，对于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理于一般齿轮，正火也可作为高频淬火前的最后热处理工序。工序。l调质处理调质处理:可使齿轮具有较高的综合力学性能，心部可使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和有足够的强度和韧性，能承受较大的交变弯曲应力和冲击裁荷，并可减少齿轮的淬火变形。冲击裁荷，并可减少齿轮的淬火变形。l高频淬火及低温回火高频淬火及低温回火:是决定齿轮表面性能的关健工是决定齿轮表面性能的关健工序。通过高频淬火，轮齿表面
40、硬度可达序。通过高频淬火，轮齿表面硬度可达52HRC以上，以上，提高了耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从提高了耐磨性，并使轮齿表面有残余压应力存在，从而提高了抗疲劳破坏的能力。而提高了抗疲劳破坏的能力。l高频淬火后进行低温回火高频淬火后进行低温回火:为了消除淬火应力。为了消除淬火应力。2、汽车齿轮选材举例、汽车齿轮选材举例 汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱中，通汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱中，通过它改变发动机、曲轴和主铀齿轮的速比，在差速器中，通过齿过它改变发动机、曲轴和主铀齿轮的速比，在差速器中，通过齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿
41、轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传给车轴，推动汽车运行。所以，汽车齿轮受力较大，受冲击轮传给车轴，推动汽车运行。所以，汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度，心部强度以及冲击韧性等均要求比频繁，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。采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以，要用低机床齿轮高。采用调质钢高频淬火不能保证要求，所以，要用低碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国应用最多的是合金渗碳钢碳钢进行渗碳处理来作重要齿轮。我国应用最多的是合金渗碳钢20cr或或20crMnTi，并经渗碳、淬火和低温回火。，并经渗碳、淬火和低温回火。渗碳后表面碳
42、含量大大提高保证淬火渗碳后表面碳含量大大提高保证淬火后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳后得到高硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、抗力。由于合金元素提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击韧性。的冲击韧性。汽车后桥齿轮汽车后桥齿轮 l渗碳齿轮的工艺路线为：渗碳齿轮的工艺路线为：下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳、淬火渗碳、淬火及低温回火及低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工二、轴类零件选材l轴是机器上的最重要零件之一，一切回转运动的零件，轴是机器上的最重要零件之一，一切回转运动的零件，如齿轮、凸轮等都装在轴上，
43、如齿轮、凸轮等都装在轴上，所以，轴主要起传递运所以，轴主要起传递运动和转矩的作用动和转矩的作用1轴类件的工作条件轴类件的工作条件(1)轴类零件工作时主要至交变弯曲和扭转应力的复合作用轴类零件工作时主要至交变弯曲和扭转应力的复合作用(2)轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；轴与轴上零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；(3)轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷(4)多数轴会承受一定的过载载荷。多数轴会承受一定的过载载荷。2、轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式由于轴类零件的受力情况及工作条件较复杂，所以由于轴类零件的受力情况及工作
44、条件较复杂，所以其失效方式也是多样的。其失效方式也是多样的。(1)长期交变载荷下的疲劳断裂长期交变载荷下的疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂，劳断裂，见图见图)，(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形甚至断裂(图图)，(3)与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损与其他零件相对运动时产生的表面过度磨损(图图)等。等。3、轴类零件的性能要求、轴类零件的性能要求(1)良好综合机械性能：足够的强度、塑性和良好综合机械性能：足够的强度、塑性和一定的韧性，以防止过载断裂、冲击断裂；一定的韧性，以防止过载断裂、冲击断裂；(2)高的疲劳强度，对
45、应力集中敏感性低以高的疲劳强度，对应力集中敏感性低以防疲劳断裂；防疲劳断裂；(3)足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、足够的淬透性，热处理后表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨损失效；高耐磨性，以防磨损失效；(4)良好的切削加工性能，价格便宜良好的切削加工性能，价格便宜。4、轴类零件材料及选材方法、轴类零件材料及选材方法 1）材料）材料 经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感
46、性较小），如力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；等；可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。2）、选择原则）、选择原则 根据载荷大小、类型等决定。根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；主要受扭转、弯曲的轴，
47、可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。4典型轴典型轴机床主轴选材机床主轴选材l以以C620车床主铀为例进行选材。车床主铀为例进行选材。见简图见简图。l该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、项性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、项尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性
48、。l车床主轴可选用车床主轴可选用45钢钢.l工艺路线如下：工艺路线如下：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及低表面淬火及低温回火温回火磨削加工磨削加工。l 如果这类机床主轴的载荷较大，可用如果这类机床主轴的载荷较大，可用40Cr钢钢制造。制造。l当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采当承受较大的冲击载荷和疲劳载荷时，则可采用合金渗碳钢制造，如用合金渗碳钢制造，如20Cr或或20CrMnTi等。等。三、三、弹簧选材弹簧选材弹簧是一种重要的机械零件。它的基本弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构结构特点，在载荷
49、作用下产生变形时，把机械能特点，在载荷作用下产生变形时，把机械能或动能转变为形变能，在恢复变形时，把形或动能转变为形变能，在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。弹簧的种类很多，变能转变为动能或机械功。弹簧的种类很多，按形状分主要有螺旋弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭压缩、拉伸、扭转弹簧转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种(图图)。l主要用途：主要用途：(1)缓冲或减振缓冲或减振 如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。(2)定位定位 如机床及其夹具中利用弹簧定位销如机床及其夹具中利用弹簧定位销(或滚珠或滚珠)压在
50、定位孔压在定位孔(或槽或槽)中。中。(3)复原复原 外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。(4)储存和释放能量储存和释放能量 如钟表、玩具中的发条。如钟表、玩具中的发条。(5)测力测力 如弹簧称、测力计中使用的弹簧。如弹簧称、测力计中使用的弹簧。1、弹簧的工作条件弹簧的工作条件 (1)弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转 时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。(2)缓冲、减震或复原用的弹簧承受交变应缓冲、减震或复原用的弹簧承受交变应 力和冲击载荷的作用。力和冲
