第十章

機械零件的選材§1材料選用的一般原則使用性能選材原則受力情況：如載荷性質（靜載、動載、交變載荷）、形式（拉壓、彎曲、扭轉、剪切）、分布（均勻分布、集中分布）與大小，應力狀態(tài)；工作環(huán)境：如溫度（常溫、高溫、低溫或變溫），介質（有無腐蝕介質、潤滑劑）；其它要求：如導熱性、密度與磁性等。在全面分析工作條件的基礎上確定零件的使用性能，如交變載荷下要求疲勞性能、沖擊載荷下工作要求韌性、酸堿等腐蝕介質中工作則要求耐蝕性等工藝性能選材原則材料的工藝性能可定義為材料經(jīng)濟地適應各種加工工藝而獲得規(guī)定的使用性能和外形的能力，因此工藝性能影響了零件的內(nèi)在性能、外部質量以及生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率等。理想情況下，所選材料應具有良好的工藝性能，即技術難度小、工藝簡單、能量消耗低、材料利用率高，保證甚至提高產(chǎn)品的質量。鑄造性能凡相圖上液-固相線間距越小、越接近共晶成分的合金均具有較好的鑄造性能。因此鑄鐵、鑄造鋁合金、鑄造銅合金的鑄造性能優(yōu)良；在應用最廣泛的鋼鐵材料中，鑄鐵的鑄造性能優(yōu)于鑄鋼，在鋼的范圍，中、低碳鋼的鑄造性能又優(yōu)于高碳鋼，故高碳鋼較少用做鑄件。壓力加工性能包括變形抗力，變形溫度范圍，產(chǎn)生缺陷的可能性及加熱、冷卻要求等。一般來說，鑄鐵不可壓力加工，而鋼可以壓力加工但工藝性能有較大差異，隨著鋼中碳及合金元素的含量增高，其壓力加工性能變差；故高碳鋼或高碳高合金鋼一般只進行熱壓力加工，且熱加工性能也較差，如高鉻鋼、高速鋼等；高溫合金因合金含量更高，故熱壓力加工性能更差。變形鋁合金和大多數(shù)銅合金，像低碳鋼一樣具有較好的壓力加工性能。焊接性能鋼鐵材料的焊接性隨其碳和合金元素含量的提高而變差，因此鋼比鑄鐵易于焊接，且低碳鋼焊接性能最好、中碳鋼次之，高碳鋼最差。鋁合金、銅合金的焊接性能一般不好，應采用一些高級的焊接方法（如氬弧焊）或特殊措施進行焊接。機械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般來說材料的硬度越高、加工硬化能力越強、切屑不易斷排、刀具越易磨損，其切削加工性能就越差。在鋼鐵材料中，易切削鋼、灰鑄鐵和硬度處于180～230HBS范圍的鋼具有較好的切削加工性能；而奧氏體不銹鋼、高碳高合金鋼(高鉻鋼、高速鋼、高錳耐磨鋼)的切削加工性能較差。鋁、鎂合金及部分銅合金具有優(yōu)良的切削加工性能。熱處理工藝性能必須首先區(qū)分是否可進行熱處理強化，如純鋁、純銅、部分銅合金、單相奧氏體不銹鋼一般不可熱處理強化；對可熱處理強化的材料而言，熱處理工藝性能相當?shù)闹匾?。?jīng)濟性能選材原則所謂經(jīng)濟性選材原則，不僅是指選擇價格最便宜的材料、或是生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品，而是指運用價值分析的方法，綜合考慮材料對產(chǎn)品的功能與成本的影響，以達到最佳的技術經(jīng)濟效益。選擇材料的基本過程§2零件的失效分析§3典型零件的選材及工藝分析齒輪類零件工作條件 傳遞扭矩，齒根部承受較大的交變彎曲應力；齒面嚙合并發(fā)生相對滑動與滾動，承受較大的交變接觸應力及強烈的摩擦；啟動、換檔或嚙合不良，齒輪承受一定的沖擊力；有時有其它特殊條件要求，如耐高、低溫要求，耐蝕要求，抗磁性要求等。2．主要失效形式①

斷裂——包括交變彎曲應力引起的輪齒疲勞斷裂和沖擊過載導致的崩齒與開裂；②齒面損傷——包括交變接觸應力引起的表面接觸疲勞（麻點剝落）和強烈摩擦導致的齒面過度磨損；③

其它特殊失效，如腐蝕介質引起的齒面腐蝕現(xiàn)象。3．主要性能要求①高的彎曲疲勞強度，防止輪齒的疲勞斷裂。②足夠高的齒面接觸疲勞極限和高的硬度、耐磨性，以防齒面損傷。③足夠的齒心部強韌性，以防沖擊過載斷裂。（1）鍛鋼齒輪的主要材料。鍛造可改善鋼的組織并形成有益的加工流線，力學性能優(yōu)良。重要用途的齒輪大多采用鍛鋼制造。低碳鋼及低碳合金鋼20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通過退火或正火來改善切削加工性能，通過滲碳后淬火＋低溫回火來保證齒輪的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的彎曲疲勞極限和接觸疲勞極限，心部具有足夠高的強韌性；故適合于制造高速、大沖擊的中載和重載齒輪。中碳鋼表面淬火齒輪的工作速度、載荷及受沖擊的程度應低于低碳鋼滲碳淬火齒輪。其中Q275只宜制作低速、輕載、無沖擊的非重要齒輪，一般在正火狀態(tài)直接使用；40、45鋼可用作低中速、輕中載、小沖擊的齒輪，依據(jù)具體工作條件不同，可在正火、調(diào)質、表面淬火狀態(tài)下使用；40Cr、40MnB合金鋼的綜合力學性能優(yōu)于40、45碳鋼，可用做相對重要的齒輪，多在表面淬火狀態(tài)使用，少數(shù)情況也可在調(diào)質狀態(tài)使用。中碳氮化鋼40Cr、35CrMo、38CrMoAl鋼，經(jīng)調(diào)質處理后再表面滲氮處理，力學性能優(yōu)良、變形微小，主要用做高精度、高速齒輪。（2）鑄鋼鑄鋼齒輪的力學性能比鍛鋼差，較少使用，但對某些尺寸大(＞Ф500mm)、形狀復雜的齒輪，采用鑄鋼較為合理。常用鑄鋼牌號有ZG270—500、ZG310—570、ZG40Cr等。鑄鋼齒輪加工后一般也是進行表面淬火＋低溫回火處理，但對性能要求不高、低速齒輪，也可在調(diào)質狀態(tài)、甚至正火狀態(tài)下使用。（3）鑄鐵灰鑄鐵齒輪具有優(yōu)良的減摩性、減振性，工藝性能好且成本低，其主要缺點是強韌性欠佳，故多用于制作低速、輕載、不受沖擊的非重要齒輪。常用牌號有HT200、HT250、HT350等；由于球墨鑄鐵的強韌性較好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分鑄鋼齒輪的趨勢越來越大。鑄鐵齒輪的熱處理方法類似于鑄鋼齒輪。機床齒輪運行平穩(wěn)無強烈沖擊、載荷不大、轉速中等，對表面耐磨性和心部韌性要求不太高。大多采用碳鋼(40、45鋼)制造，經(jīng)正火或調(diào)質處理后再進行表面淬火＋低溫回火，其齒面硬度可達50HRC，齒心硬度為220～250HBS，可滿足性能要求；對部分性能要求較高的齒輪，也可選用中碳合金鋼(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齒面硬度可提高到58HRC左右、心部強韌性也有所改善；極少數(shù)高速、高精度、重載齒輪，還可選用中碳氮化鋼(如35CrMo、38CrMoAlA等)進行表面滲氮處理制造。機床齒輪的加工工藝路線：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質→精加工→表面淬火＋低溫回火→精磨

正火可使鍛造組織均勻化、便于切削加工、可作為表面淬火前的預備組織、并保證齒心的強韌性。調(diào)質處理可使齒輪具有較高的綜合力學性能，改善齒心的強韌性進而使齒輪能承受較大的彎曲載荷和沖擊載荷。表面淬火可提高齒輪表面的硬度，耐磨性和疲勞性能。低溫回火的作用主要是消除淬火應力。汽車、拖拉機齒輪工作條件惡劣，特別是主傳動系統(tǒng)中的齒輪；受力較大，易過載，變速時受到頻繁的強烈沖擊；對材料的耐磨性、疲勞性能、心部強韌性的要求高，采用中碳鋼表面淬火已難滿足使用的需要；通常選用合金滲碳鋼(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，經(jīng)滲碳淬火＋低溫回火處理后，齒面硬度可達58～62HRC，心部硬度30～45HRC。對飛機、坦克等特別重要齒輪，則可采用高淬透性滲碳鋼（如18Cr2Ni4WA）來制造。采用20CrMnTi制造汽車齒輪，工藝路線為：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火＋低溫回火→噴丸→磨削加工滲碳淬火處理可使齒面具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞性能，而心部保持良好的強韌性；噴丸作為進一步強化手段，可使齒面硬度提高1～3HRC，增加表層殘余壓應力，進而提高疲勞極限。軸類零件選材工作條件①交變彎曲載荷，扭轉載荷或拉-壓載荷；②相對運動表面(如軸頸、花鍵部位)發(fā)生摩擦；③因機器開-停、過載等，承受一定的沖擊載荷；主要失效①疲勞斷裂為多數(shù)、沖擊過載斷裂為少數(shù)；②磨損相對運動表面過度磨損；③過量變形極少數(shù)情況下會發(fā)生因強度不足的過量塑性變形失效和剛度不足的過量彈性變形失效。性能要求①高的疲勞極限；②綜合力學性能好；③局部承受摩擦部分應具有較高的硬度和耐磨性。鍛鋼優(yōu)質中碳或中碳合金調(diào)質鋼是軸類材料的主體：35、40、45、50(45鋼最常見)等碳鋼具有較高的綜合力學性能且價格低廉，故應用廣泛；對受力不大或不重要的軸，為進一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳鋼制造；對受力較大、尺寸較大、形狀復雜的重要軸，可選用綜合力學性能更好的合金調(diào)質鋼來制造，如40Cr、40MnVB等，對其中精度要求極高的軸要采用專用氮化鋼（如38CrMoAlA）制造。中碳鋼軸的熱處理特點是：正火或調(diào)質保證軸的綜合力學性能(強韌性)，然后對易磨損的相對運動部位進行表面強化處理(表面淬火、滲氮等)。少數(shù)情況下還可選用低碳鋼或高碳鋼來制造軸類零件。如當軸受到強烈沖擊載荷作用時，宜用低碳鋼（如20Cr、20CrMnTi）滲碳制造；而當軸所受沖擊作用較小而相對運動部位要求更高的耐磨性時，則宜用高碳鋼制造（如GCr15、9Mn2V等）。鑄鋼形狀復雜、尺寸較大的軸，可采用鑄鋼來制造，如ZG230-450。鑄鋼軸比鍛鋼軸的綜合力學性能(主要是韌性)要低。鑄鐵由于大多數(shù)軸很少以沖擊過載而斷裂的形式失效，故近幾十年來愈來愈多地采用球墨鑄鐵(如QT700-2)和高強度灰鑄鐵(HT350、KTZ550—06等)來代替鋼作為軸(尤其是曲軸)的材料。鑄鐵軸的剛度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、減振減摩、切削加工性好且生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，選材時值得重視。機床主軸