1、机电工程学院EngineeringMaterials1第十一章第十一章 金属材料的失效与选材金属材料的失效与选材 1机械零件的失效分析机械零件的失效分析 2 选用材料的一般原则选用材料的一般原则 3 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺机电工程学院EngineeringMaterials2概 述 材料的选择与应用是机械设计与制造工作中材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基重要的基础环节础环节，自始至终地影响整个设计过程。，自始至终地影响整个设计过程。选材的选材的核心问题核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证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
2、应。材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。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）的基本要求基本要求。机电工程学院EngineeringMaterials3 一、基本概念一、基本概念1 机械零件的失效分析 在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组在使用过程中，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能，使其低织结构发生变化而失去原有的
3、设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效失效。失效分析的目的失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提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，其结论对零件的设计、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指导意义。选材、加工与使用都有重大的指导意义。机电工程学院EngineeringMaterials4二、失效形式二、失效形式 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；其对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；
4、其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂受重视、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，物理性能降级失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。等问题。机电工程学院EngineeringMaterials5培养目标培养目标机电工程学院EngineeringMaterials6机电工程学院EngineeringMaterials7机电工程学院EngineeringMaterials8液态合金的充型
5、能力是指液态合金充满铸型型腔，获液态合金的充型能力是指液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。（2）合金的收缩性）合金的收缩性铸件在凝固和冷却至室温的过程中，其体积或尺寸减铸件在凝固和冷却至室温的过程中，其体积或尺寸减小的现象，称为收缩。收缩是合金固有的物理特性，小的现象，称为收缩。收缩是合金固有的物理特性，如果在铸造过程中不能对收缩现象进行有效控制，就如果在铸造过程中不能对收缩现象进行有效控制，就会导致铸件产生缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷。会导致铸件产生缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷。机电工程学院EngineeringMaterials9 缩孔和
6、缩松缩孔和缩松由于收缩造成铸件体积缩小，因此铸件在凝固过由于收缩造成铸件体积缩小，因此铸件在凝固过程中如得不到液体补充，就会在最后凝固部位出程中如得不到液体补充，就会在最后凝固部位出现集中孔洞现象，称为缩孔。现集中孔洞现象，称为缩孔。细小而分散的孔洞称为缩松。细小而分散的孔洞称为缩松。变形与开裂变形与开裂机电工程学院EngineeringMaterials10 以型砂为材料制备铸型的铸造方法称为砂型以型砂为材料制备铸型的铸造方法称为砂型铸造，即将熔化的金属浇注到砂型型腔内，待其冷铸造，即将熔化的金属浇注到砂型型腔内，待其冷却凝固后获得铸件的方法。在铸造生产中，用来形却凝固后获得铸件的方法。在铸
7、造生产中，用来形成铸件外轮廓的部分称为铸型，用来形成铸件内腔成铸件外轮廓的部分称为铸型，用来形成铸件内腔或局部外形的部分称为型芯。制造铸型的材料称为或局部外形的部分称为型芯。制造铸型的材料称为型砂，制造型芯的材料称为芯砂，型砂和芯砂统称型砂，制造型芯的材料称为芯砂，型砂和芯砂统称为造型材料。砂型铸造工艺过程如图为造型材料。砂型铸造工艺过程如图2.1.1所示。所示。机电工程学院EngineeringMaterials11机电工程学院EngineeringMaterials12机电工程学院EngineeringMaterials13机电工程学院EngineeringMaterials14下列任何一
8、种情况的发生，都下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：可以认为零件已经失效：p零件完全破坏，不能继续工作零件完全破坏，不能继续工作p零件严重损伤，不能保证工作安全零件严重损伤，不能保证工作安全p零件虽能安全工作，但工作低效零件虽能安全工作，但工作低效机电工程学院EngineeringMaterials15（一）、零件失效的基本形式（一）、零件失效的基本形式 零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤
9、失效三大类型。失效和表面损伤失效三大类型。表面损伤失效表面损伤失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效零件失效机电工程学院EngineeringMaterials16（二）、失效分析的主要方法（二）、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计机电工程学院Eng
10、ineeringMaterials17失效分析的主要方法失效分析的主要方法1.无损检测无损检测 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2.断口分析断口分析 断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口机电工程学院EngineeringMaterials183.金相分析金相分析 通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等
11、，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。4.化学分析化学分析 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。5.力学分析力学分析 检查分析失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。机电工程学院EngineeringMaterials19三、失效原因三、失效原因四个主要方面：四个主要方面：设计、材料、加工与使用设计、材料、加工与使用 机电工程学院EngineeringMaterials20材料选用原则材料选用原则(一)使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则（二）工艺性能原则（二）工艺性能原则（三）经济性原则（三）经济性原则（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则
12、根本原则根本原则2 选材的一般原则机电工程学院EngineeringMaterials21一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 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
13、要求：其它要求：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。机电工程学院EngineeringMaterials22机电工程学院EngineeringMaterials23二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则 材料的材料的工艺性能工艺性能可定义为材料经济地适应各种可定义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
14、力，加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、外部质因此工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。量以及生产成本和生产效率等。材料材料选择与工艺方法选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，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、材料即技术难度小、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。利用率高，保证甚至提高产品的质量。机电工程学院EngineeringMaterial
15、s24二、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、铸造铜合性能。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金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢材料中，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的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。碳钢，故高碳钢较少用做铸件。机电工程学院Engineering
16、Materials25 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。一围，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，而钢可以压力加工般来说，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，其压力加工性能变差；故高碳钢或的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工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，如高铬钢、高速钢等；高温合金因性能也较差，如高铬钢、高速钢等；
17、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，像低碳钢一样具有较好的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。压力加工性能。机电工程学院EngineeringMaterials26 3.焊接性能焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁金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、中碳易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的钢次之，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焊接性能一
18、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。接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。机电工程学院EngineeringMaterials27 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。一般来说材料的性，其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、硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180180230HBS230HBS范围范
19、围的钢具有较好的切削加工性的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢高速钢、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的切削加工性能。机电工程学院EngineeringMaterials28 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、单化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化
20、的材料而言，热处理对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。工艺性能相当的重要。机电工程学院EngineeringMaterials29三、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。所谓所谓经济性选材经济性选材原则，不仅是指选择价格原则，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
21、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。机电工程学院EngineeringMaterials30经济性能选材原则举例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？机电工程学院
22、EngineeringMaterials31四、环境与资源原则四、环境与资源原则 1.能源和资源消耗少 世界能源储藏量世界能源储藏量石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m31，039，272吨200万吨可开采年限45.5年64年219年74年主要产地及储量比例中东66.4%独联体、中东70%美、苏、中、澳 70%重要金属的世界储量重要金属的世界储量储量（106t）可用年数再生率(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751机电工程学院EngineeringMater
23、ials322.环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.52.8750139030561528混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000一定性能水平下的材料能耗一定性能水平下的材料能耗木材混凝土钢塑料铝、镁及钛合金E/b24145100500475-1002710-1029E生产每公斤材料的能耗材料密度 b抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量机电工程学院EngineeringMaterials33一、工程材料的应用概况一、
24、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。是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、差且易老化，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、生产能耗重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的较低（为钢的1/101/10、铝的、铝的1/201/20），密度低、弹性），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故较好且减振、耐磨，故适合于适合于制造受力不大的普
25、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、密封件和轮胎等。齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。机电工程学院EngineeringMaterials34陶瓷材料陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；的受力零件；目前目前主要应用领域主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。是建筑陶瓷和功能材料。陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐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，如燃烧器喷嘴、刀具热、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。
26、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，在由于陶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，故有人认为高新技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。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。料，目前尚处开发应用阶段。机电工程学院EngineeringMaterials35 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，具有高的比强能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特度、比刚度、
27、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，点。尤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。但复合材料价格可能是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、武器装备等国防工昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业业中的重要结构件上应用外，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，其应用潜力巨大、前景极其广阔。产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。机电工程学院EngineeringMaterials36 金属
28、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，故金间保持着最佳的平衡，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。从这个意属材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义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢。以载重汽车用材的重量为例，钢占占6565、铸铁占、铸铁占2020、有色金属占、有色金属占3 3、非金属材、非金属材料约占料约占1212。在
29、轻型汽车和轿车中，非金属材料。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。的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。机电工程学院EngineeringMaterials37二、齿轮类零件选材二、齿轮类零件选材 应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递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。扭矩（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。机电工程学院EngineeringMaterials38齿轮类零件的性能要求齿轮类零件的性能要求1 1工作条件工作
30、条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；力；齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较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；大的交变接触应力及强烈的摩擦；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；冲击力；有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温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。要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。机电工程学院EngineeringMaterials392 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包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲
31、击过载导致的崩齿与开裂；劳断裂和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接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；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，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。蚀现象。机电工程学院EngineeringMaterials403 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、足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。耐磨性，以防齿面损伤。足够的
32、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。机电工程学院EngineeringMaterials41（1 1）锻钢）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织齿轮的主要材料。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。途的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、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改善切削加等，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
33、温回火来保证齿轮工性能，通过渗碳后淬火低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度的使用性能。具有表面高硬度(565662HRC62HRC)和高耐和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部磨性、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。机电工程学院EngineeringMaterials42 中碳钢表面淬火齿轮中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275Q275只只宜制作
34、低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；在正火状态直接使用；4040、4545钢可用作低中速、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，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、表面淬火状态下使用；可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr40Cr、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，可碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，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。少数情况也可在调质状态使用。中碳氮化钢中
35、碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢，经钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变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、高速齿轮。形微小，主要用做高精度、高速齿轮。机电工程学院EngineeringMaterials43（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 锻钢锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大差，较少使用，但对某些尺寸大(500mm500mm)、形形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有号有ZG270ZG270500500、ZG310ZG310570570
36、、ZG40CrZG40Cr等。铸钢等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处齿轮加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，也可在调质理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。状态、甚至正火状态下使用。机电工程学院EngineeringMaterials44（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。常用牌号有轮。常
37、用牌号有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等；由于球等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用墨铸铁的强韧性较好，故采用QT600QT600-3 3、QT500QT500-7 7代代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热替部分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。处理方法类似于铸钢齿轮。机电工程学院EngineeringMaterials45（4 4）非铁金属）非铁金属 在仪器仪表及某些特殊条件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、下工作的轻载齿轮，由于有耐蚀、无磁、防爆等特殊要求，可采用一些耐磨性较好防爆等特殊要求，可采
38、用一些耐磨性较好的有色金属材料制造，其中最主要的是铜的有色金属材料制造，其中最主要的是铜合金，如黄铜合金，如黄铜(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。机电工程学院EngineeringMaterials46（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，特别是随着粉末精密的少、无切削加工方法，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良、技术
39、经济效益高。粉末冶金材料一般适用良、技术经济效益高。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于大批量生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料齿轮（材料Fe-C0.9Fe-C0.9）、）、分电器齿轮（材料分电器齿轮（材料Fe-Fe-C0.9-Cu2.0C0.9-Cu2.0）、）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料（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。机电工程学院EngineeringMaterials47对对开式传动开式传动齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击齿轮，或低速、轻载、不受冲击或冲击较小的齿轮，
40、宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳较小的齿轮，宜选相对价廉的材料，如铸铁、碳钢等；钢等；对对闭式传动闭式传动齿轮，或中高速、中重载、承受一定甚齿轮，或中高速、中重载、承受一定甚至较大冲击的齿轮，则宜选用相对较好的材料，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、并须进行表面强化处理；如优质碳钢或合金钢、并须进行表面强化处理；在在齿轮副齿轮副选材时，为使两者寿命相近并防止咬合现选材时，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料，且两者硬度要象，大、小齿轮宜选不同的材料，且两者硬度要求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、求也应有所差异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度
41、要求较高一些。硬度要求较高一些。机电工程学院EngineeringMaterials48机电工程学院EngineeringMaterials49 1.1.机床齿轮机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、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。转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢大多采用碳钢(4040、4545钢钢)制造，经正火或调质处理制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达50HRC50HRC，齿心硬度为齿心硬度为220220250HBS250HBS，可满足性能要可满足性能要求
42、；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢合金钢(40Cr40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB等等)制造，其齿面硬制造，其齿面硬度可提高到度可提高到58HRC58HRC左右、心部强韧性也有所改善；左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢氮化钢(如如35CrMo35CrMo、38CrMoAlA38CrMoAlA等等)进行表面渗氮处进行表面渗氮处理制造。理制造。机电工程学院EngineeringMaterials50 机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的
43、简明加工工艺路线：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、可作可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。为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。冲击载荷。表面淬火表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。能。低温回火低温回火的作
44、用主要是消除淬火应力。的作用主要是消除淬火应力。机电工程学院EngineeringMaterials51 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，变速时受到频繁系统中的齿轮；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、心部强韧的强烈冲击；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用的需性的要求高，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要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火低
45、温回制造，经渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达火处理后，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。机电工程学院EngineeringMaterials52 采用采用20CrMnTi制造汽车齿轮制造汽车齿轮，简明，简明工艺路工艺路线线为：为：下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火低温回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、高耐磨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
46、心部保持良好的强韧性；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，可使齿面硬度提高喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高13HRC，增加表层残余压应力，进而提高增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。疲劳极限。机电工程学院EngineeringMaterials53三、轴类零件选材三、轴类零件选材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；发生摩擦；因机器开因机器开-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
47、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；相对运动表面过度磨损；过量变形过量变形 极极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效少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。和刚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；高的疲劳极限；综合力学性能好；综合力学性能好；局部承受摩擦部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。机电工程学院EngineeringMaterials54轴类零件实物轴类零件实物机电工程学院EngineeringMaterials55三、轴
48、类零件常用材料三、轴类零件常用材料-钢铁钢铁 1锻钢锻钢 优质优质中碳中碳或或中碳合金调质钢中碳合金调质钢是轴类是轴类材料的主体：材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见钢最常见)等碳等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要制造；对受力较大、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轴，可选用综合力学性能更好的合金调
49、质钢来制造，如造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。制造。机电工程学院EngineeringMaterials56 中碳钢轴的中碳钢轴的热处理热处理特点是：正火或调质保证轴的特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能综合力学性能(强韧性强韧性)，然后对易磨损的相对运动，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮或表面滚表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等压、形变强化等)。少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。
50、如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用用低碳钢低碳钢（如（如20Cr、20CrMnTi）渗碳渗碳制造；而当制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9Mn2V等）。等）。机电工程学院EngineeringMaterials57 2铸钢铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如制造，如ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能性能(主要是韧性主要是韧性)要低。要低
