1、1安徽工程科技学院安徽工程科技学院机械工程系：龚建成机械工程系：龚建成机械基础机械基础课程课程CAICAI课件课件2第第4章章 机械工程常用材料及其工程性能机械工程常用材料及其工程性能4.1 概述概述材料材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料-塑料，橡胶，合成纤维塑料，橡胶，合成纤维非金属材料非金属材料黑色金属材料黑色金属材料铁基金属合金铁基金属合金有色金属材料有色金属材料34.2 金属材料的机械性能金属材料的机械性能机械性能机械性能强度强度刚度刚度塑性塑性材料抵抗材料抵抗塑性变形塑性变形和和断裂断裂的能力的能力材料抵抗材料抵抗弹性变形弹性变形的能力的能力在外力作用下
2、金属产生在外力作用下金属产生塑性变形塑性变形而不而不产生产生断裂断裂的能力的能力硬度硬度材料抵抗局部材料抵抗局部塑性变形塑性变形能力的性能指能力的性能指标标金属的疲金属的疲劳劳当应力的周期循环次数增加到某一当应力的周期循环次数增加到某一数值数值N后，材料也会产生后，材料也会产生断裂断裂线膨胀系线膨胀系数数0lla tt 4材料在轴向拉伸或压缩时的机械性质材料在轴向拉伸或压缩时的机械性质力力变形变形应力应力应变应变54.3 常用的工程材料常用的工程材料黑色金黑色金属属铸铁铸铁含碳量大于含碳量大于2.06的铁碳合金；的铁碳合金；制作底座、支架、工作台制作底座、支架、工作台合金钢合金钢为改善钢的性能
3、，在钢中加入一种或数种为改善钢的性能，在钢中加入一种或数种合金元素的钢合金元素的钢铬锰镍硅铝钨铬锰镍硅铝钨碳素钢碳素钢（含碳量（含碳量0.04%-1.7的铁碳合金的铁碳合金称为钢）称为钢）普通碳素结构钢普通碳素结构钢Q244、Q274制造强制造强度要求高的零件连杆、轴度要求高的零件连杆、轴优质碳素结构钢优质碳素结构钢钢号钢号10、14、20、84 一般零部件应用（一般零部件应用（0.01）碳素工具钢碳素工具钢T8、T12A（高级优质（高级优质碳素工具刚）碳素工具刚）一般零部件应用（一般零部件应用（0.1）6有色金有色金属属形状记忆形状记忆合金合金在宇航、电子、医疗等方面应用在宇航、电子、医疗等
4、方面应用铜及铜合铜及铜合金金不宜制造结构零件，常制作电不宜制造结构零件，常制作电元件和耐磨件，价格贵元件和耐磨件，价格贵纯铜纯铜铜与锌合金，铜与锌合金，H80、H49(铜含量铜含量)、HPb49-1、HMn48-2（特殊）（特殊）黄铜黄铜铜与锡铅等元素的合金铜与锡铅等元素的合金锡青铜（铜锡合金）锡青铜（铜锡合金）无锡青铜（含铝铍锰等元素）无锡青铜（含铝铍锰等元素）青铜青铜铝及铝合铝及铝合金金铸铝合金铸铝合金变形铝合金变形铝合金超硬铝合金超硬铝合金7非金属材非金属材料料工程塑料工程塑料陶瓷材料陶瓷材料密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易密度小，质量轻，耐腐蚀性好，易加工；加工；硬度高、耐高温、抗氧化、
5、耐腐蚀硬度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀人工合成人工合成矿物矿物宝石宝石石英石英橡橡 胶胶耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；耐腐蚀性好，耐磨损和耐放射性；84.4 金属材料的热处理与表面精饰金属材料的热处理与表面精饰热处理热处理普通热处普通热处理理钢的热处理：钢的热处理：将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，将钢在固态范围内施以不同形式的加热、保温和冷却，从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。从而改变（或改善）其组织结构以达到预期性能的操作工艺。表面热处表面热处理理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处化学热处理理火焰加热火焰加热感应加热感应加热渗碳渗碳氮化
6、氮化氰化氰化9普通热处普通热处理理退火退火将钢加热稍高于临界温度保持一定时间将钢加热稍高于临界温度保持一定时间缓慢冷却；缓慢冷却；目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒，目的：软化钢件，以利于切削，细化晶粒，改善组织以提高化学性能；消除残余应力，改善组织以提高化学性能；消除残余应力，以防止变形、干裂；以防止变形、干裂；正火正火淬火淬火回火回火将钢加热稍高于临界温度保持一定时间将钢加热稍高于临界温度保持一定时间在空气中冷却；在空气中冷却；目的：强度硬度比退火后高；利于切削加目的：强度硬度比退火后高；利于切削加工工将钢加热高于临界温度保温在水或油将钢加热高于临界温度保温在水或油中迅速冷却；中迅速冷却
7、；目的：提高零件硬度和耐磨性；目的：提高零件硬度和耐磨性；将淬火后零件重新加热低于临界温度将淬火后零件重新加热低于临界温度保温在水或油中迅速冷却；保温在水或油中迅速冷却；目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力；目的：消除淬火时冷却过快产生的内应力；是淬火后必须程序；是淬火后必须程序；104.4 金属材料的热处理与表面精饰金属材料的热处理与表面精饰表面热处表面热处理理表面淬火表面淬火化学热处化学热处理理快速加热迅速冷却快速加热迅速冷却目的：目的：使表面变硬；内部塑性和韧使表面变硬；内部塑性和韧性较好；齿轮、蜗杆、丝杆、性较好；齿轮、蜗杆、丝杆、轴颈；轴颈；将工件在一定介质中将工件在一定介质中加热和
8、保温加热和保温使使介质中介质中活性原子渗入活性原子渗入表层改变表层表层改变表层化学成分和组织化学成分和组织使具有特殊的使具有特殊的力学力学或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化或物理化学性能；渗碳；氮化；氰化金属零件的表金属零件的表面精饰面精饰电镀电镀化学处理化学处理涂漆涂漆目的：在金属表面加覆盖层，目的：在金属表面加覆盖层，以达到以达到防腐、改善性能和装防腐、改善性能和装饰饰作用；作用；11第第10章章 常用机械工程材料的选用常用机械工程材料的选用 10.1 机械零件的失效与分析 10.2 材料选择的一般原则、方法和步骤 10.3 典型零件的材料选择 第10章 常用机械工程材料的选用 10.1.1
9、 失效的概念失效的概念所谓失效，就是指机械零件失去正常条件下所应具有的工作能力的现象。零件失效一般分为下列三种情况：（1）完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作不安全；（3）轻微损坏，能安全地工作，但已达不到预定的精度或功能。10.1 机械零件的失效与分析第10章 常用机械工程材料的选用 10.1.2 机械零件失效的形式机械零件失效的形式 1.断裂失效 断裂失效是指机械零件在工作过程中由于应力的作用发生完全断裂的现象。（1）塑性断裂 塑性断裂是指零件承载截面上所受的应力超过了零件材料的屈服强度，产生塑性变形，直至发生断裂的现象。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）疲劳断裂 疲劳断
10、裂是指零件在交变循环应力多次作用下发生断裂的现象。疲劳断裂的主要特点是：引起疲劳断裂的应力较低，一般大大低于材料的屈服强度；断裂前没有明显的宏观塑性变形，在没有预兆的情况下突然发生断裂。第10章 常用机械工程材料的选用 （3）低应力脆性断裂 低应力脆性断裂是指零件在所受应力远低于材料屈服强度时发生断裂的现象。脆性断裂往往会带来灾难性的后果，是最危险的零件失效形式。（4）蠕变断裂 蠕变是指金属材料在较高温度（再结晶温度以上）与应力的作用下，缓慢地产生塑性变形，且变量随着时间的延长而增加的现象。零件由蠕变而引起的断裂称为蠕变断裂。第10章 常用机械工程材料的选用 2.过量变形失效 过量变形失效是指
11、机械零件在工作中受到外力作用，发生过量的弹性变形或塑性变形而失效的现象。（1）过量弹性变形失效 零件在工作时发生过量的弹性变形而造成的失效。（2）过量塑性变形失效 当受力超过了材料的屈服强度时，零件就会发生塑性变形。第10章 常用机械工程材料的选用 3.表面损伤失效 表面损伤失效是指机械零件在工作中，由于机械力或化学腐蚀的作用，使其工作表面产生磨损、疲劳点蚀、腐蚀等损伤的现象。根据损伤形式的不同，表面损伤失效一般分为磨损失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三大类。第10章 常用机械工程材料的选用 （1）磨损失效 磨损失效是指在机械力的作用下，相对运动的零件表面之间发生摩擦，材料以细屑的形式逐渐磨耗，使
12、零件的表面材料不断损失，从而导致零件最终失效的一种形式。磨损最常见的有磨粒磨损和黏着磨损两种主要类型。第10章 常用机械工程材料的选用 磨粒磨损 在零件相对摩擦时，由于硬质颗粒对金属表面的切削作用，造成被磨表面产生沟槽，磨面材料逐渐耗损的一种磨损。黏着磨损 在零件相对摩擦时，其表面微小的凸起部分，在压力和摩擦热的作用下发生焊合或黏着，当零件继续运动时，黏着部分又被撕开，使材料从一个表面转移到另一个表面所造成的表面磨损。黏着磨损又称咬合磨损。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）表面疲劳失效 表面疲劳失效是指相对滚动接触的零件，在工作过程中，由于交变接触应力的长期作用，使表层材料发生疲劳破坏而
13、剥落的现象，又称疲劳点蚀。采用表面淬火或化学热处理的方法，并使表面硬化层有一定的深度，提高零件的疲劳强度和表面硬度，可有效地提高零件的抗表面接触疲劳能力。第10章 常用机械工程材料的选用 （3）腐蚀失效 腐蚀失效是指零件表面由于和周围介质发生化学或电化学反应引起表面损伤的现象。它与材料本身的成分、结构和组织有关，也与介质的性质密切相关。同样的材料在不同的介质中，往往性能表现差异极大，如黄铜在海水和大气中具有良好的耐蚀性，但在含氨的环境中却极易腐蚀。第10章 常用机械工程材料的选用 10.1.3 机械零件失效的原因与分析方法机械零件失效的原因与分析方法1.零件失效的原因（1）结构设计方面 零件的
14、整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。零件的局部结构、形状和尺寸设计不合理，存在尖角、尖锐缺口和过小的过渡圆角等缺陷，往往是产生应力集中的重要原因。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）材料选择方面 在选择材料时只注意了材料的部分常规性能指标，而对零件的失效形式、实际性能指标要求的判断存在较大的偏差，造成选材错误。对产品本身的工作条件、性能特点理解不深，照搬同类产品的材料和处理工艺，忽略了产品间的差异，造成选材不当。选用的材料质量差，含有夹杂物、杂质元素或不良组织，使得零件达不到应有的性能指标。第10章 常用机械工程材料的选用 （3）加工工艺方面 在零件
15、加工和成形过程中，由于采用的工艺方法和工艺参数不正确，使零件产生各种各样的缺陷，最终导致零件失效。第10章 常用机械工程材料的选用 （4）装配安装使用方面 零件装配工艺或操作不当，零件装配或配合过紧、过松，或者机器安装时对中不准、固定不紧、润滑不良等都可造成失效。在使用过程中，由于操作、维护、保养不当，或不按要求违规使用，均由可能使零件失效。第10章 常用机械工程材料的选用 2.零件失效分析的方法（1）收集证据；（2）调查经过；（3）查阅资料；（4）试验分析；（5）综合分析。第10章 常用机械工程材料的选用 10.2 材料选择的一般原则、方法和步骤10.2.1 材料选择的一般原则材料选择的一般
16、原则1.材料的使用性能 材料的使用性能是指零件在工作时材料应具有的力学性能、物理性能和化学性能。材料的使用性能是材料选择时最主要的依据，其要求是根据零件的工作条件和失效形式提出的。第10章 常用机械工程材料的选用 零件的工作条件主要包括三个方面：（1）受力状态（2）工作环境（3）特殊要求 第10章 常用机械工程材料的选用 2.材料的工艺性能 材料的工艺性能是指材料加工成形的难易程度。（1）铸造性能 金属材料的铸造性能一般从流动性、收缩性、偏析倾向等方面进行综合评定。铸造性能好的材料通常具有流动性好、收缩率低和偏析倾向小的特点。在常用的铸造合金中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能较好，其次是铸铁，铸
17、钢的铸造性能较差。在各种铸铁中，又以灰铸铁的铸造性能最好。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）压力加工性能 压力加工性能主要包括锻造性能、冷冲压性能等，通常用材料的塑性和变形抗力来衡量。材料的塑性越好，变形抗力越小，则其压力加工性能也越好。一般来说，纯金属的压力加工性能优于其合金，单相固溶体优于多相合金，低碳钢优于高碳钢，非合金钢优于合金钢。第10章 常用机械工程材料的选用 （3）焊接性能 焊接性能一般用焊接接头的力学性能和焊缝处形成裂纹、脆性和气孔的倾向来衡量。低碳钢、低合金结构钢具有良好的焊接性能。中碳钢的焊接性能有所下降。铸铁由于碳的质量分数大，焊接时产生裂纹的倾向较大，焊缝处易形成
18、白口组织。铜合金和铝合金的导热性高，焊接时裂纹倾向大，易产生氧化、气孔等缺陷，焊接性能较差，需采用氩弧焊工艺进行焊接。第10章 常用机械工程材料的选用 （4）切削加工性能 切削加工性能一般从切削速度、切削抗力、零件表面粗糙度、断屑能力以及刀具磨损量等方面来评价。铝、镁、铜合金和易切削钢的切削加工性能较好，其次是碳钢和铸铁，钛合金、高温合金、奥氏体不锈钢等材料的切削加工性能则较差。第10章 常用机械工程材料的选用 （5）热处理工艺性能 热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、氧化脱碳倾向、过热敏感性、回火脆性和回火稳定性等。材料的选择和热处理工艺的制定往往是同时进行、综合考虑的结果。
19、第10章 常用机械工程材料的选用 3.材料的经济性（1）材料的价格（2）零件的加工费用（3）使用维修成本（4）资源供应状况 第10章 常用机械工程材料的选用 10.2.2 材料选择的方法与步骤材料选择的方法与步骤1.材料选择的方法（1）以综合力学性能为主 要求材料具有良好的综合力学性能，即材料的强度和疲劳极限要高，同时还要有较好的塑性与韧性。常选用中碳钢或中碳合金钢，正火或调质处理后使用，其中最常用的是45钢和40Cr钢。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）以疲劳强度为主选材时应重点考虑材料的抗疲劳性能。通常，材料的强度越高，其疲劳强度也越高；调质处理比正火和退火组织具有更高的疲劳强度。第
20、10章 常用机械工程材料的选用 （3）以磨损为主 磨擦剧烈，但受力较小，无大的冲击载荷的零件，如钻套、顶尖、量具等。对塑性和韧性要求不高，通常选用高碳钢或高碳合金钢，进行淬火+低温回火处理，得到高硬度的回火马氏体和碳化物组织，就可以满足使用要求。第10章 常用机械工程材料的选用 同时承受磨损和交变载荷，以及一定的冲击载荷的零件，要求材料表面具有较高的耐磨性，同时还要有较高的强度、塑性和韧性。材料本身应具有良好的综合力学性能，还要能通过表面热处理等强化方法提高其表面耐磨性。要求具有小的摩擦系数的零件，如滑动轴承、轴套等，可采用轴承合金、减磨铸铁、工程塑料等材料制造。第10章 常用机械工程材料的选
21、用 （4）以特殊性能为主 对于特殊条件下工作的零件，主要应考虑材料的特殊性能。如在高温下工作并承受较大载荷的零件，一般选用热强钢或高温合金；而受力不大的零件则可考虑采用耐热铸铁制造。对于在腐蚀性介质中工作的零件，主要应考虑其对相应介质的耐蚀能力。第10章 常用机械工程材料的选用 2.材料选择的步骤（1）分析零件的工作条件和失效形式，明确零件材料的主要性能要求。（2）对同类产品的材料选用情况进行调研，从各个方面进行综合分析评价。（3）查阅有关设计手册，通过相应的计算，确定零件应有的各种性能指标。（4）初步选择具体的零件牌号，并决定热处理工艺和其他强化方法。（5）根据试验结果，最终确定材料和热处理
22、工艺。第10章 常用机械工程材料的选用 10.3 典型零件的材料选择 10.3.1 轴类零件轴类零件 1.工作条件和失效形式（1）承受交变的弯曲载荷和扭转载荷的复合作用，易导致疲劳断裂。（2）承受过载和冲击载荷，易导致轴产生过量变形，甚至断裂。（3）轴颈或花键处承受局部摩擦和磨损，易导致磨损失效。第10章 常用机械工程材料的选用 2.材料应具备的性能（1）良好的综合力学性能，即具有足够的强度和一定的塑韧性，防止过量变形和断裂。（2）高的疲劳强度，防止疲劳断裂。（3）高的表面硬度和耐磨性，防止轴颈等处磨损。（4）在高温条件下、或腐蚀性介质中，还要求有高的抗蠕变能力和耐腐蚀性能。第10章 常用机械
23、工程材料的选用 3.材料选择与工艺路线（1）材料选择 载荷不大或不重要的轴，常选用Q235、Q275等碳素结构钢，不经热处理直接使用。承受一定的弯曲载荷和扭转载荷的轴，一般选用35、40、45、50等优质碳素结构钢，经调质或正火处理，并对有耐磨性要求的部分进行表面淬火处理。载荷较大、截面较大或承受一定冲击载荷的轴，可选用40Cr、35CrMo和40CrNiMo等合金调质钢，经调质处理，并对有耐磨性要求的部分进行表面淬火处理。第10章 常用机械工程材料的选用 耐磨性要求较高、承受较大冲击载荷的轴，可选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢，经渗碳、淬火、回火处理后使用。要求精度高、尺寸稳定性好
24、、耐磨性好的轴，可选用38CrMoAlA钢，进行调质处理和氮化处理后使用。对于形状复杂的轴，如曲轴，可采用QT600-3、QT700-2等球墨铸铁制造。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）工艺路线 中碳结构钢或合金结构钢主轴工艺路线：下料锻造正火或退火粗加工调质精加工表面淬火+回火粗磨低温回火精磨。合金渗碳钢主轴工艺路线：下料锻造正火精车渗碳、淬火+低温回火粗磨低温回火精磨。氮化钢主轴工艺路线：下料锻造退火粗车调质精车低温回火粗磨氮化精磨。第10章 常用机械工程材料的选用 4.轴类零件选材举例（1）机床主轴的选材 机床主轴一般承受中等的扭转和弯曲复合载荷，转速中等并承受一定的冲击载荷，局部
25、表面承受摩擦和磨损，因而要求其材料应具有优良的综合机械性能和良好的抗疲劳性能。机床主轴常选用45钢制造，经调质处理后，轴颈等处再进行局部表面淬火，载荷较大时可选用40Cr等合金钢制造。第10章 常用机械工程材料的选用 某机床主轴主要承受交变的弯曲载荷和扭转载荷的复合作用，其载荷不大、转速不高，有时受到不大的冲击载荷作用，具有一般的综合力学性能即可满足使用要求。其大端的内锥孔和外锥体在与顶尖和卡盘的装卸过程中有相对摩擦，花键部位与齿轮有相对滑动，为了防止这些部位表面磨损和划伤，要求有较高的硬度和耐磨性。第10章 常用机械工程材料的选用 该主轴可选用45钢制造。热处理工艺为整体调质处理，硬度为22
26、0250HBS；内锥孔和外锥体局部淬火，硬度为4550HRC；花键部位高频淬火，硬度为4853HRC。其加工工艺路线如下：下料锻造正火粗加工调质半精加工(除花键外)局部淬火+回火(内锥孔和外锥体)粗磨(外圆、外锥体和内锥孔)铣花键+花键高频淬火+低温回火精磨(外圆、外锥体和内锥孔)。第10章 常用机械工程材料的选用 正火：消除锻造应力，并得到合适的硬度（180220HBS），便于切削加工。同时也改善锻造组织，为调质处理做准备。调质：调质处理后组织为回火索氏体，硬度为220250HBS，使主轴得到良好的综合力学性能和疲劳强度。局部淬火：内锥孔和外锥体采用盐浴快速加热局部淬火，经回火后达到所要求的
27、硬度，可提高其耐磨性，保证装配精度。高频淬火+回火：花键部位采用高频淬火，变形较小，经回火后达到所要求的表面硬度。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）内燃机曲轴的选材 曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈磨损。疲劳断裂有弯曲疲劳和扭转疲劳断裂两种形式，磨损则以轴颈表面最为严重。曲轴材料主要应具有如下的性能：具有高的强度和一定的韧性。具有高的弯曲、扭转疲劳强度和足够的刚度。轴颈表面要具有高的硬度和耐磨性。第10章 常用机械工程材料的选用 锻钢曲轴：下料锻造正火粗加工调质半精加工局部表面淬火+低温回火(轴颈)精磨。正火：消除锻造应力，得到合适的硬度，同时改善组织，并为调质做组织准备。调质：获得回
28、火索氏体组织，使主轴具有良好的综合力学性能和疲劳强度。调质后硬度适中，切削加工性能良好。局部表面淬火：轴颈处采用中频淬火，提高表面硬度和耐磨性，获得较深的硬化层。第10章 常用机械工程材料的选用 铸造曲轴：球墨铸铁具有铸造性能好、减磨、吸振性能优良、缺口敏感性小等优点，广泛应用于曲轴的铸造，常用的材料有QT600-3、QT700-2等。第10章 常用机械工程材料的选用 其加工工艺路线如下：铸造毛坯高温正火高温回火切削加工轴颈气体氮化精磨。正火：采用950高温正火工艺，获得细珠光体基体组织，以提高其强度、硬度和耐磨性。高温回火：采用560高温回火工艺，消除正火时产生的内应力。氮化(570)：对轴
29、颈处采用570的气体渗氮工艺，以提高轴颈表面硬度和耐磨性。第10章 常用机械工程材料的选用 10.3.2 齿轮类零件齿轮类零件 1.工作条件和失效形式（1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力，易导致齿根部位发生疲劳断裂。（2）齿面相互滚动和滑动，承受很大的接触压应力和摩擦力，易产生齿面磨损和齿面接触疲劳破坏。（3）换挡、启动或啮合不均时，轮齿承受一定冲击载荷，易使齿面产生塑性变形。（4）瞬时过载、润滑油腐蚀和外部硬质颗粒的侵入，齿轮的工作条件更加恶化，易造成轮齿折断、齿面腐蚀、磨损加剧等破坏。第10章 常用机械工程材料的选用 2.材料应具备的性能（1）高的弯曲疲劳强度，以防轮齿疲劳断裂。
30、（2）齿面具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性，以防疲劳点蚀和齿面过量磨损。（3）齿轮心部具要有足够的强度和韧性，防止轮齿因过载而断裂。（4）良好的工艺性能，如切削加工性好、热处理变形小且变形有一定规律、淬透性好等，保证齿轮的加工精度和质量。第10章 常用机械工程材料的选用 3.材料选择与工艺路线（1）调质钢 工艺路线一般为锻造毛坯经粗加工后进行调质或正火处理，再经精加工后进行表面淬火和低温回火。（2）渗碳钢 工艺路线一般为锻造毛坯经正火处理后进行精加工，然后进行渗碳、淬火+低温回火处理，表面具有很高的硬度和耐磨性，心部具有良好的韧性，其齿面接触疲劳强度和耐磨性、齿根弯曲疲劳强度和心部强度和
31、冲击韧性均优于表面淬火齿轮。第10章 常用机械工程材料的选用 （3）铸钢和铸铁 铸钢的工艺路线一般为铸造毛坯先正火处理，经切削加工后进行表面淬火和低温回火。铸铁的工艺路线一般为铸造毛坯先退火或正火处理，经切削加工后进行表面淬火和低温回火。（4）非铁金属（5）工程塑料 第10章 常用机械工程材料的选用 4.齿轮类零件选材举例（1）机床齿轮的选材 某机床变速箱齿轮，采用45钢制造，其加工工艺路线如下：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火+低温回火精磨。第10章 常用机械工程材料的选用 正火：消除锻造应力，使组织均匀并细化，得到合适的硬度，便于切削加工。正火后材料具有一定的综合力学性能，对于一般用途
32、的齿轮，可省略调质处理。调质：获得回火索氏体组织，使齿轮心部具有良好的综合力学性能，使齿轮能承受较大的交变弯曲载荷和冲击载荷。高频淬火和低温回火：高频淬火可提高齿轮表面硬度，从而提高耐磨性和点蚀疲劳抗力；使齿轮表面具有一定的残余压应力，以进一步提高疲劳强度。低温回火可消除淬火应力，防止磨削裂纹的产生，提高抗冲击能力。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）汽车齿轮的选材 如某汽车变速箱齿轮，采用20CrMnTi钢制造，其加工工艺路线如下：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火+低温回火喷丸处理精磨。第10章 常用机械工程材料的选用 热处理工艺分析：正火 消除锻造应力，均匀和细化组织，降低硬度，改善切削
33、加工性能。渗碳、淬火+低温回火 渗碳、淬火+低温回火处理后，渗碳层深度为1.21.6mm，表面碳的质量分数为0.81.1，表面硬度为5862HRC，心部硬度为3045HRC，这样齿面具有高硬度和高耐磨性，而心部具有较高的强度和足够的韧性。第10章 常用机械工程材料的选用 10.3.3 箱体类零件箱体类零件 箱体类零件大多形状结构复杂、体积较大、壁厚较薄，所以一般采用铸造方法生产。根据其工作条件的不同，可选用灰铸铁、铸钢、铸造铝合金等材料制造。（1）灰铸铁：对于载荷不大、工作平稳的箱体，可选用灰铸铁，如HT150、HT200等。若与其他零件有相对运动，存在摩擦和磨损的，则应选用抗拉强度较高的灰铸
34、铁HT250 或孕育铸铁HT300、HT350 等。加工工艺路线一般为：铸造毛坯去应力退火划线切削加工。第10章 常用机械工程材料的选用 （2）铸钢：对于载荷较大、要求高强度、高韧性，或在高温高压下工作的箱体，应选用铸钢，如ZG230-450、ZG310-570等。（3）铸造铝合金：对于载荷不大，要求重量轻且热导性好的小型箱体，如摩托车发动机曲轴箱、汽缸头等，可选用铸造铝合金，如 ZL105、ZL201等。（4）工程塑料：对于载荷很小，有一定的耐磨、耐蚀要求，重量轻的箱体零件，可选用工程塑料，如ABS、尼龙、有机玻璃等。第10章 常用机械工程材料的选用 （5）结构钢：对于载荷较大、并承受较大冲
35、击载荷，或单件生产的箱体零件，可采用焊接结构，如选用焊接性能良好的普通碳素结构钢Q235或低合金高强度结构钢Q345等钢焊接而成。第10章 常用机械工程材料的选用 箱体类零件应根据其材料和毛坯成形方法的不同，制定不同的加工工艺路线，并采取相应的热处理工艺。铸钢箱体一般存在组织偏析、晶粒粗大、铸造应力较大的缺陷，可采用完全退火或正火处理。铸铁件为了消除铸造应力，可进行去应力退火或自然时效。铸造铝合金则应进行退火或淬火+时效处理，以改善力学性能。焊接箱体应进行去应力退火，以消除焊接应力。第二章 机械工程常用材料及钢的热处理参考文献史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2003齐宝森等，机械
36、工程材料，哈尔滨工业大学出版社，2003戈晓岚等，工程材料，东南大学出版社，2004其他与金属材料及热处理的相关书籍主要内容第一节 概述第二节 金属材料的力学性能第三节 常用的工程材料第四节 钢的热处理第五节 表面精饰第六节 精密仪器材料选用原则第一节 概述机械工机械工程材料程材料金属金属材料材料非金属非金属材料材料黑色金属黑色金属钢钢有色金属有色金属铸铁铸铁合金钢合金钢无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料塑料塑料橡胶橡胶陶瓷陶瓷合成纤维合成纤维铝合金铝合金铜合金铜合金其他有色合金其他有色合金应力极限弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强
37、度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段第二节第二节 金属材料的力学性金属材料的力学性能能强度：材料抵抗破坏的能力刚度：材料抵抗变形的能力（E、G）塑性：材料破坏时，遗留变形的大小 伸长率、断面收缩率硬度：材料抵抗硬物压入的能力 布氏硬度HBW、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV第二节第二节 金属材料的力学性金属材料的力学性能能影响力学性能的主要因素 1、含碳量 含碳量越高，强度和硬度越高，但塑性显著降低。2、杂质元素：有益Si、Mn，有害S、P 3、合金元素 加入某些合金元素，可提高和改善其综合力学性能，并获得某些特殊的物理和化学性能。4、温度 一般，低温条件下强度有所增加，塑性和冲击韧性下降，高温条件
38、下相反。5、热处理工艺第二节第二节 金属材料的力学性金属材料的力学性能能钢铁材料（黑色金属）1、非合金钢（碳钢）含碳2以下的铁碳合金、少量杂质 按质量分数分类：低碳钢、中碳钢、高碳钢 按质量等级分类：普通质量、优质和特殊质量 按用途分类：碳素结构钢、碳素工具钢第三节第三节 常用工程材料常用工程材料2、合金钢 人为加入Cr、Mn、Ni、Ti、Mo等，具有高的强度、韧性、硬度，以及某些特殊性能（如耐腐蚀性、高温强度等）。3、铸铁：良好的铸造性能、减摩性能、吸振性能、切削加工性能、低的缺口敏感性，生产工艺简单、成本低廉。灰铸铁：C自由状态的片状石墨形式 球墨铸铁：C球状石墨形式，较高的强度，良好的塑
39、性和韧性。第三节第三节 常用工程材料常用工程材料有色金属1、铜及其合金：工业纯铜、黄铜（铜锌二元合金）、青铜（锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜等）2、铝及其合金：纯铝、硬铝、铸铝3、钛及其合金：纯钛、钛合金第三节第三节 常用工程材料常用工程材料非金属1、工程塑料 特点：密度小，比强度高，良好的抗蚀 型，优良的电绝缘性，耐磨、减摩、自润滑性好，工艺性好 分类：热固性塑料、热塑性塑料2、橡胶：高弹性、绝缘性密封件、缓冲件、绝缘件 上述二者易老化，难回收（污染）3、人工合成矿物：刚玉、石英第三节第三节 常用工程材料常用工程材料钢的热处理 加热、保温、冷却改变金属整体或表面组织，获得所需性能。种
40、类 1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火 2、表面热处理和化学热处理：感应加热、火焰加热、电接触加热、电解加热、渗碳、氮化、碳氮共渗 3、其他热处理第四节第四节 钢的热处理钢的热处理退火：加热、保温、随炉冷却目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力，预先热处理正火：加热、保温、空气冷却目的：同退火，更高的力学性能淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。方法：单介质淬火；双介质淬火第四节第四节 钢的热处理钢的热处理回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。目的：达到设计图纸要求的硬度，消除内应力。回火工艺的
41、种类：1、低温回火（150250C）2、中温回火（350500C）3、高温回火（500650C）调质处理淬火高温回火第四节第四节 钢的热处理钢的热处理表面热处理：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。方式：感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度。火焰加热：利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理化学热处理 将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。第四节第四节 钢的热处理钢的热处理表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，以达到防蚀、装饰等目的。种类电镀：镀铬、镀镍、镀锌、镀镉、镀银化学处理：氧化和磷化涂漆第五节第五节 表面精饰表面精饰第六节第六节 精密仪器材料选用精密仪器材料选用原则原则使用要求、工艺要求、经济要求使用要求、工艺要求、经济要求FeFe3C相图奥氏体连续冷却时的组织转变感应加热感应加热火焰加热火焰加热气体渗碳法示意气体渗碳法示意
