工程材料基础教学课件作者张文灼赵振学主编第9章机械零件材料的选材课件.ppt

机械零件材料选择 机械零件的失效 失效 产品在使用过程中失去原设计所规定的功能称为失效 失效常见特征 零件完全破坏已不能正常工作；(主轴断裂） 零件工作不能达到设计的功效。（轮齿磨损不能正常啮合） 零件已严重损伤继续工作不安全； 机械零件的失效 失效类型（同一零件可能有几种失效形式 ） 断裂失效 机械零件的失效 失效类型 过量变形失效 机械零件的失效 失效类型 表面损伤失效 机械零件的失效 失效类型 裂纹失效 失效原因 设计不合理 失效原因 选材不合理 所选用的材料性能达不到使用要求，或材质较差 加工工艺不当 工艺方法、工艺参数不正确 热加工中产生的过热、过烧和带状组织等； 冷加工不良时粗糙度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等； 热处理中产生的脱碳、变形及开裂等 失效原因 安装使用不正确 安装时配合过松、过紧，对中不准 使用中不按工艺规程操作和维修，保养不善或过载使用等 选材一般原则 使用性能 机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能 步骤 分析零件的服役条件、形状尺寸及应力状态 调查出现的主要失效形式 找出失效抗力指标 进行力学计算，确定性能指标 结合其它因素对比选择最优材料 工艺性能 工艺性能 铸造性 材料在铸造生产工艺过程中所表现出的工艺性能 主要包括流动性、收缩性，还有吸气、氧化、偏析 铸铁、合金、铸钢 工艺性能 锻造性 锻造该材料的难易程度 影响因素主要是材料的化学成分、内部组织结构以及变形条件 低碳钢、高碳钢、合金钢 工艺性能 焊接性 一定的焊接工艺条件下材料获得优质焊接接头的难易程度 低碳钢、中碳钢、高碳钢 低合金钢、中合金钢、高合金钢 工艺性能 切削加工性 材料切削加工的难易程度 一般用切削抗力大小、刀具磨损程度、切屑排除的难易及加工出的零件表 面质量来综合衡量 易切削钢、中碳钢、一般有色金属的切削加工性好，而高强度钢、耐热钢、不锈钢的切削加工性较差 工艺性能 热处理性能 材料对热处理加工的适应性能 淬透性、淬硬性、氧化和脱碳倾向、变形开裂倾向、过热过烧倾向、回火 脆性倾向 工艺性能 粘接固化性 材料在成型过程中各组分之间的粘结固化倾向 多用于高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料 考虑 经济性 尽可能选用货源充足、价格低廉、加工容易的材料 应尽量减少所选材料的品种、规格，以简化供应、保管等工作 尽量提高该产品的性价比 选材实例 轴类零件（主轴） 主轴工作条件 承受弯曲、扭转，冲击等多种载荷的作用 某些部位承受着不同程度的摩擦 主要失效形式：疲劳断裂、过量变形、表面过渡磨损 性能要求 较高的综合力学性能 ：防止过载断裂、冲击断裂 较高的硬度和耐磨性 ：防止磨损失效 高疲劳强度：防疲劳断裂 轴类零件（主轴） 选材原则 一般使用碳素钢（35、45、50 ），正火或调质处理 合金钢多用于有特殊要求的轴（载荷大、限制尺寸、有很高耐磨要求） 如：40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi 表面要求耐磨的部位，应调质后再进行表面淬火 主轴承受重载荷、高转速且冲击与变动载荷很大时，应选用合金渗碳钢 在高温、高速和重载条件下工作的主轴常采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等合金结构钢 工作条件分析 该主轴承受交变弯曲应力与扭转应力，但载荷不大，转速较低，受冲击较小，故材料具有一般综合力学性能即可满足要求。主轴大端的内锥孔和外锥体，经常与卡盘、顶尖有相对磨擦，花键部位与齿轮有相对滑动，因此这些部位硬度及耐磨性有较高要求。该主轴在滚动轴承中运转，为保证主轴运转精度及使用寿命，轴颈处硬度为220~250HBS。 选材 45钢调质 内锥孔与外锥体淬火后低温回火，硬度为45~50HRC 花键部位采用高频感应表面淬火以减少变形并达到表面淬硬的目的 锥部淬火应与花键部位淬火分开进行，以减少淬火变形 粗磨纠正淬火变形 花键精磨消除变形 内燃机曲轴选材（175A型农用柴油机曲轴选材 ） 齿轮类零件 工作条件 齿轮根部受交变弯曲应力 在换挡、启动或啮合不均匀时，齿轮常受到冲击 齿面承受滚动、滑动造成的强烈摩擦磨损和交变的接触应力 失效形式：齿面磨损和齿根疲劳断裂、齿面剥落 、断齿 齿轮类零件 性能要求 高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度 高的硬度和耐磨性 足够的强度和冲击韧性 高的抗齿面疲劳剥落性能 常用材料 中碳钢或中碳合金钢用来制作中、低速和承载不大的中、小型传动齿轮 低碳钢和低碳合金钢适合于高速、能耐猛烈冲击的重载齿轮 直径较大（大于600 mm）形状复杂的齿轮毛坯，采用铸钢制作 轻载、低速、不受冲击、精度要求不高的齿轮，用铸铁制造 接触腐蚀