1、第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋Ch11 材料的选择与应用材料的选择与应用 1 选用材料的一般原则选用材料的一般原则 2 零件的失效与选材零件的失效与选材 3 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺 4 可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择2022-10-231第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022-10-232第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022-10-233第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022-10-234第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022-10-235第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋概 述v材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重
2、要的基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。础环节，自始至终地影响整个设计过程。v选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证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。材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。v掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加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（路线）是对机械设计与制造工程人员（广义工方法（路线）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。基
3、本要求。2022-10-236第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 1 选材的原则v分析零件的工作条件，确定其使用性能：分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载如载荷性质（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；（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；工作环境：工作环境：如温度（常温、高温、低温或变如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；其它要求：其
4、它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面如导热性、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。韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。2022-10-237第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 1 选材的原则2022-10-238第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则 v材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工材料的工艺性能可定义
5、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。成本和生产效率等。v材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能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。也是选材时应考虑的因素。v理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即理想情况下，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。高，保证甚至提高产品
6、的质量。1 选材的原则2022-10-239第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）1.1.铸造性能铸造性能 凡相图上液凡相图上液-固相线间距越小、固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性越接近共晶成分的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、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，故高碳钢低碳钢的铸造性能又优于高碳
7、钢，故高碳钢较少用做铸件。较少用做铸件。1 选材的原则2022-10-2310第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）2.2.压力加工性能压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，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，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，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其压力加工性能变差；
8、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，压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。1 选材的原则2022-10-2311第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）3.焊接性能焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金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
9、此钢比铸铁易于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，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。弧焊）或特殊措施进行焊接。1 选材的原则2022-10-2312第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）4.机械加工性能机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其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
10、的硬度越高、加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、灰铸铁和硬度处于铸铁和硬度处于180180230230HBSHBS范围范围的钢具有较好的切的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、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。镁合金及部分铜合金具有优良
11、的切削加工性能。1 选材的原则2022-10-2313第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料）5.热处理工艺性能热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强化，如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。材料而言，热处理工艺性能相当的重要。1 选材的原则2022-10-2314第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（二、工艺性能选材原则
12、（高分子材料高分子材料）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，所用工具为性能良好，所用工具为成型成型模（其中主要为塑料模（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；也易于进行型、挤压成型等；也易于进行切削加工切削加工，但因其导，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料）现象。少数情
13、况下，高分子材料还可进行焊接焊接与热处理与热处理，其工艺简单易行。，其工艺简单易行。1 选材的原则2022-10-2315第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（二、工艺性能选材原则（陶瓷材料陶瓷材料 ）硬而脆且导热性较差。根据陶瓷制品的材料、性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，除极少数陶瓷外瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外(如如氮化硼陶瓷氮化硼陶瓷)，其它陶瓷
14、均不可切削加工；陶瓷虽，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硬材料砂轮(如金刚石砂轮如金刚石砂轮)。陶瓷也可进行热处理，。陶瓷也可进行热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小心，否则极易产生裂纹。心，否则极易产生裂纹。1 选材的原则2022-10-2316第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、经济性能选材原则三、经济性能选材原则 质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞质优、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争力的重
15、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。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，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，以达到最佳的对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。技术经济效益。1 选材的原则2022-10-2317第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、经济性能选材原则（举例）三、经济性能选材原则（举例）价值工程原理：价值价值工程原理：价值=功
16、能功能/成本成本Q235A-不锈钢不锈钢F-不锈钢不锈钢价格价格/使用年限使用年限5000元元/年年40000元元/10年年15000元元/6年年年成本年成本/材料损耗材料损耗5000400025003000元元/停产损失停产损失80004300300030000元元/停产损失停产损失3500070007500？1 选材的原则2022-10-2318第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋 一、基本概念一、基本概念2 零件的失效与 选材 在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工
17、作或无法工作或提前退役的能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为现象即称为失效失效。失效分析失效分析的目的就是要分析零件的失效原的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。指导意义。2022-10-2319第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、失效形式二、失效形式 2 零件的失效与 选材四类：四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级 对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；对结构材料的失效而言，前三
18、种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。断裂与腐蚀、磨损等问题。2022-10-2320第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、失效形式二、失效形式 2 零件的失效与 选材2022-10-2321第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、失效原因三、失效原因2 零件的失效与 选材四个主要方面：四
19、个主要方面：设计、材料、加工与使用设计、材料、加工与使用 2022-10-2322第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是金属材料、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。目前最主要的四大类工程材料。高分子材料高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且的强度与刚度低、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、重要的易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的钢的
20、1/101/10、铝的、铝的1/201/20），密度低、弹性较好且减振、），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，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、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。密封件和轮胎等。2022-10-2323第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 陶瓷材料陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作硬而脆、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重要的受力零件；目前主要应用领域
21、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，故有人认为术产品中占据重要地位，故有人认为2121世纪是世纪是“第二个石器时代第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。尚处开发应用阶段。2022-10-2324第十一章 材料的选用机电工程
22、赵华洋一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 复合材料复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要在航天航空、船舶、武器装备等国防工业
23、中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。应用潜力巨大、前景极其广阔。2022-10-2325第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、工程材料的应用概况一、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 金属材料金属材料、尤其是钢铁材料，与其它工程材料相、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，故金属材保持着最佳
24、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讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时铁器时代代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占。以载重汽车用材的重量为例，钢占6565、铸、铸铁占铁占2020、有色金属占、有色金属占3 3、非金属材料约占、非金属材料约占1212。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增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。加，但金属材料仍占主体。2022-10-2326第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（概述）
25、二、齿轮类零件选材（概述）3 典型零件选材与工艺分析 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭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。矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，不同的齿轮，其工作条件、失其工作条件、失效形式和性能要效形式和性能要求各有不同。求各有不同。2022-10-2327第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（性能要求）二、齿轮类零件选材（性能要求）3 典型零件选材与工艺分析 1 1工作条件工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；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
26、的交变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；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；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。蚀要求，抗磁性要求等。2022-10-2328第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（性能要求）二、齿轮类零件选材（性能要求）3 典型零件选材与工艺分析 2 2主要失效形式主要失效形式 断裂断裂包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和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；
27、冲击过载导致的崩齿与开裂；齿面损伤齿面损伤包括交变接触应力引起的表面接触疲包括交变接触应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；劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；其它其它特殊失效特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。2022-10-2329第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（性能要求）二、齿轮类零件选材（性能要求）3 典型零件选材与工艺分析 3 3主要性能要求主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。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、耐足够高的齿面接触疲劳极限
28、和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。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。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。2022-10-2330第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（1 1）锻钢）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并齿轮的主要材料。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。齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：主要包括：低碳钢及低碳合金钢低碳钢及低碳合金钢2020、2020CrCr、20CrMnT
29、i20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保善切削加工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56566262HRCHRC)和和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心高耐磨性、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。击的中载和重载齿轮。2022-10-2331第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二
30、、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（1 1）锻钢）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有齿轮的主要材料。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。锻钢制造。主要包括：主要包括：中碳钢表面淬火齿轮中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275Q275只只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；态直接使用；
31、4040、4545钢可用作低中速、轻中载、小冲击的钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；火状态下使用；4040CrCr、40MnB40MnB合金钢的综合力学性能优于合金钢的综合力学性能优于4040、4545碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态碳钢，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。使用，少数情况也可在调质状态使用。2022-10-2332第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零
32、件选材与工艺分析（1 1）锻钢）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的齿轮的主要材料。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。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。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：主要包括：中碳氮化钢中碳氮化钢4040CrCr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢，经调质处理后再表面渗氮处理，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、力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。高速齿轮。2022-10-2333第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材
33、（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（2 2）铸钢）铸钢 铸钢铸钢 齿齿 轮轮 的的 力力 学学 性性 能能 比比 锻钢差，锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大较少使用，但对某些尺寸大(500mm500mm)、形状复杂形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270ZG270500500、ZG310ZG310570570、ZG40CrZG40Cr等。铸钢齿轮加等。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、甚至性能要求不高、低速
34、齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。正火状态下使用。2022-10-2334第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（3 3）铸铁）铸铁 灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，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，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。故多用于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有常用牌号有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等；由于球墨铸铁等；由于球墨铸铁的强韧
35、性较好，故采用的强韧性较好，故采用QT600QT600-3 3、QT500QT500-7 7代替部分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齿轮。类似于铸钢齿轮。2022-10-2335第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（4 4）非铁金属）非铁金属 在仪器仪表及某些特殊条件下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等特殊要求，可采用一些耐磨性较
36、好的有色金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如黄铜黄铜(如如H62H62)、铝青铜铝青铜(如如QAl9-4QAl9-4)、锡青铜锡青铜(如如QSn6.5-0.1QSn6.5-0.1)、硅青铜硅青铜(如如QSi3-1QSi3-1)等。等。2022-10-2336第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（金属材料）二、齿轮类零件选材（金属材料）3 典型零件选材与工艺分析（5 5）粉末冶金材料）粉末冶金材料 粉末冶金齿轮材料可实现精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密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应
37、用，所制造的齿轮力学性能优良、技新技术的应用，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（材料生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料Fe-C0.9Fe-C0.9）、）、分电器齿轮（材料分电器齿轮（材料Fe-C0.9-Cu2.0Fe-C0.9-Cu2.0）、）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-CFe-Cu-C）、）、联合收割机中的油泵齿轮。联合收割机中的油泵齿轮。2022-10-2337第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（非金属
38、材料）二、齿轮类零件选材（非金属材料）3 典型零件选材与工艺分析 陶瓷材料陶瓷材料脆性大、工艺性能差，一般不用做脆性大、工艺性能差，一般不用做齿轮材料；齿轮材料；高分子材料高分子材料（如尼龙、（如尼龙、ABSABS、聚甲醛聚甲醛等）具有减摩耐磨（尤其是在无润滑或不良润滑等）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。刀机械传动齿轮等。
39、2022-10-2338第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（综述）二、齿轮类零件选材（综述）3 典型零件选材与工艺分析 对对开式传动开式传动齿轮，或低速、轻载、不受冲击齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸或冲击较小的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；对铁、碳钢等；对闭式传动闭式传动齿轮，或中高速、中重齿轮，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；在表面强化处理；在齿轮副齿轮副选材
40、时，为使两者寿命选材时，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。应选相好的材料、硬度要求较高一些。2022-10-2339第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（常用材料）二、齿轮类零件选材（常用材料）3 典型零件选材与工艺分析 2022-10-2340第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）3 典型零件选材与工艺分析 1.1.机床齿轮机床齿轮
41、 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转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。大多采用碳钢多采用碳钢(4040、4545钢钢)制造，经正火或调质处理后制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达5050HRCHRC，齿心硬度为齿心硬度为220220250250HBSHBS，可满足性能要求；对部分可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(4040CrCr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等)制造
42、，其齿面硬度可提高到制造，其齿面硬度可提高到5858HRCHRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精左右、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度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如如3535CrMoCrMo、38CrMoAlA38CrMoAlA等等)进行表面渗氮处理制造。进行表面渗氮处理制造。2022-10-2341第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）3 典型零件选材与工艺分析 机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的简明加工工艺路线：下 料下 料 锻 造锻 造 正 火正 火 粗 加 工粗
43、 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精磨精磨 正火正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的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。强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。低温回火的作用主要
44、是消除淬火应力。2022-10-2342第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）3 典型零件选材与工艺分析 2.2.汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动工作条件恶劣，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用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、2
45、0MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火低温制造，经渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达回火处理后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度心部硬度3045HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。来制造。2022-10-2343第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）二、齿轮类零件选材（典型齿轮选材）3 典型零件选材与工艺分析 采用采用20CrMnTi制造汽车齿轮制造汽车齿轮，简明，简明工艺路线工艺路线为：为：下料下料锻造锻造正火正火切削加
46、工切削加工渗碳渗碳淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高硬度提高13HRC，增加表层残余压应力，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。进而提高疲劳极限。2022-10-2344第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、轴类零件选材（综述）三、轴类零件选材（综述）3 典型零件选材与工艺分析 1 1工作条件工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉交变弯曲载荷，扭转载
47、荷或拉-压载荷；压载荷；相对运动表面相对运动表面(如轴颈、花键部位如轴颈、花键部位)发生摩擦；因发生摩擦；因机器开机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；停、过载等，承受一定的冲击载荷；2 2主要失效主要失效疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；磨损磨损 相对运动表面过度磨损；过量变形相对运动表面过度磨损；过量变形 极少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。度不足的过量弹性变形失效。3 3性能要求性能要求高的疲劳极限；综合力学性能好；高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承受摩擦部
48、分应具有较高的硬度和耐磨性。局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。2022-10-2345第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、轴类零件选材（实物）三、轴类零件选材（实物）3 典型零件选材与工艺分析 2022-10-2346第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、轴类零件选材（常用材料三、轴类零件选材（常用材料-钢铁）钢铁）3 典型零件选材与工艺分析 1锻钢锻钢 优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：的主体：35、40、45、50(45钢最常见钢最常见)等碳钢具有等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对较高的综合力学性能且价格低廉，故应
49、用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢制造；对受力等普通碳钢制造；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等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如氮化钢（如38CrMoAlA）制造。制造。2022-10-2347第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、轴类零件选材（常用材料三、轴类零件选材（常用材料-钢铁）
50、钢铁）3 典型零件选材与工艺分析 1锻钢锻钢(续续)中碳钢轴的热处理特点是：正火或调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质保证轴的综合力学性能(强韧性强韧性)，然后对易磨损，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等或表面滚压、形变强化等)。少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴少数情况下还可选用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，宜用低类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受渗碳制造；而当轴所受冲击作
