金屬材料與熱處理主編課題6金屬材料的工程選用課題引入

課題說明

課題目標

6.1機械零件的選材原則

6.2軸類零件的選材

6.3齒輪類零件的選材

6.4模具的選材

6.5刃具的選材

6.6彈簧的選材

6.7熱處理工藝位置安排及方案選擇

6.1思考題6.1機械零件的選材原則6.1.1零件的失效

6.1.2零件選材的基本原則6.1.1零件的失效1.失效的概念

2.失效形式

3.失效原因1.失效的概念零件質(zhì)量的重要評價標準即為零件的服役時間的長短。要合理正確地選材，必須首先了解各類零件的主要失效形式。機械零件的失效是指零件由于某種原因喪失了正常的工作能力。具體表現(xiàn)為：①零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；②零件嚴重損傷，繼續(xù)工作不安全；③不能滿意地達到預期的作用。零件的失效，特別是沒有預兆的提前失效，往往會帶來巨大的損失，甚至導致嚴重事故。因此，對零件的失效進行分析，找出失效的原因，是零件設(shè)計和選材的基礎(chǔ)。2.失效形式(1)彈性變形失效一些細長的軸、桿件或薄壁筒零部件，在外力作用下將發(fā)生彈性變形，如果彈性變形過量，會使零部件失去有效工作能力。

(2)塑性變形失效零部件承受的靜載荷超過材料的屈服強度時，將產(chǎn)生塑性變形。圖6-1韌窩狀斷口2.失效形式(3)韌性斷裂失效材料在斷裂之前有明顯的宏觀塑性變形或能吸收較大的能量的斷裂形式稱為韌性斷裂失效。

(4)脆性斷裂失效材料在斷裂之前沒有塑性變形或塑性變形很小(<2%～5%)的斷裂稱為脆性斷裂。圖6-2解理斷口圖圖6-3沿晶斷口(5)表面損傷失效由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必需的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效，稱為表面損傷失效。3.失效原因(１)設(shè)計不合理零部件設(shè)計不合理主要表現(xiàn)在零部件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，例如過渡圓角太小，尖銳的切口、尖角等會造成較大的應力集中而導致失效。

(２)選材錯誤選材所依據(jù)的性能指標，不能反映材料對實際失效形式的抗力，不能滿足工作條件的要求，錯誤地選擇了材料。

(３)加工工藝不當零部件在加工或成形過程中，由于采用的工藝不當而產(chǎn)生的各種質(zhì)量缺陷。

(４)裝配使用不當在將零部件裝配成機器或裝置的過程中，由于裝配不當、對中不好、過緊或過松都會使零部件產(chǎn)生附加應力或振動，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。6.1.2零件選材的基本原則1.使用性能原則

2.工藝性能原則

3.經(jīng)濟性原則1.使用性能原則(１)分析零部件的工作條件，確定使用性能零部件的工作條件是復雜的。

(２)分析零部件的失效原因，確定主要使用性能對零部件使用性能的要求，往往是多項的。表6-1幾種常用零部件的工作條件、失效形式及對性能的要求(3)將對零部件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為對材料性能指標的要求有了對零部件使用性能的要求，還不能馬上進行選材。(4)材料的預選根據(jù)對零部件材料性能指標數(shù)據(jù)的要求查閱有關(guān)手冊，找到合適的材料，根據(jù)這些材料的大致應用范圍進行判斷、選材。2.工藝性能原則材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。任何零部件都要通過一定的加工工藝才能制造出來。因此在滿足使用性能選材的同時，必須兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。當工藝性能與使用性能相矛盾時，有時正是從工藝性能考慮，使得某些使用性能合格的材料不得不被放棄。工藝性能經(jīng)常成為選擇材料的主導因素，對大批量生產(chǎn)的零部件尤其如此，因為在大批量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。金屬材料的工藝性能是指金屬適應某種加工工藝的能力。主要是切削加工性能、材料的成形性能（鑄造、鍛造、焊接）和熱處理性能（淬透性、變形、氧化和脫碳傾向等）。鑄造性能主要指流動性、收縮性、熱裂傾向性、偏析和吸氣性等。接近共晶成分合金的鑄造性能最好。鑄鐵、鋁硅合金等一般都接近共晶成分。鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。鍛造性能主要指冷、熱壓力加工時的塑性變形能力以及可熱壓力加工的溫度范圍，抗氧化性和對加熱、冷卻的要求等。低碳鋼的鍛造性最好，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。低合金鋼的鍛造性接近中碳鋼。高碳高合金鋼（高速鋼、高鎳鉻鋼等）由于導熱性差、變形抗力大、鍛造溫度范圍小，其鍛造性能較差，不能進行冷壓力加工。變形鋁合金和銅合金的塑性好，其鍛造性較好。鑄鐵、鑄造鋁合金不能進行冷熱壓力加工。切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的難易程度以及對刃具的磨損程度來衡量。材料硬度在160～230HBW范圍內(nèi)時，切削加工性能好。硬度太高，切削抗力大，刃具磨損嚴重，切削加工性下降；硬度太低，則不易斷屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳鋼具有球狀碳化物組織時，其切削加工性優(yōu)于層片狀組織。馬氏體和奧氏體的切削加工性差。高碳高合金鋼（高速鋼、高鎳鉻鋼等）切削加工性也差。焊接性能是指金屬接受焊接的能力。一般以焊接接頭形成冷裂或熱裂以及氣孔等缺陷的傾向大小來衡量。碳的質(zhì)量分數(shù)大于045%的碳鋼和碳的質(zhì)量分數(shù)大于038%的合金鋼，其焊接性能較差，碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差，鑄鐵則很難焊接。鋁合金和銅合金，由于易吸氣、散熱快，其焊接性比碳鋼差。熱處理工藝性能主要指淬透性、變形開裂傾向及氧化、脫碳傾向等。鋼和鋁合金、鈦合金都可以進行熱處理強化。合金鋼的熱處理工藝性能優(yōu)于碳鋼。形狀復雜或尺寸大、承載高的重要零部件要用合金鋼制作。碳鋼含碳量越高，其淬火變形和開裂傾向越大。選滲碳用鋼時，要注意鋼的過熱敏感性；選調(diào)質(zhì)鋼時，要注意鋼的高溫回火脆性；選彈簧鋼時，要注意鋼的氧化、脫碳傾向。3.經(jīng)濟性原則選材的經(jīng)濟性原則是在滿足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的總成本，包括材料的價格、加工費、試驗研究費、維修管理費等達到最低，以取得最大的經(jīng)濟效益。為此，材料選用應充分利用資源優(yōu)勢，盡可能采用標準化、通用化的材料，以降低原材料成本，減少運輸、實驗研究費用。選用一般碳鋼和鑄鐵能滿足要求的，就不應選用合金鋼。在滿足使用要求的條件下，可以鐵代鋼，以鑄代鍛，以焊代鍛，有效地降低材料成本、簡化加工工藝。例如用球墨鑄鐵代替鍛鋼制造中、低速柴油機曲軸、銑床主軸，其經(jīng)濟效益非常顯著。對于要求表面性能高的零部件，可選用低廉的鋼種進行表面強化處理來達到要求。當然，選材的經(jīng)濟性原則并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、成本分析等方法，綜合考慮材料對產(chǎn)品功能和成本的影響，從而獲得最優(yōu)化的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。例如，一些能影響整體生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵零部件，如果選用便宜材料制造，則需經(jīng)常更換，其換件時停車所造成的損失可能大得多，這時選用性能好、價格高的材料，其總成本仍可能是最低的。6.2軸類零件的選材1.軸的工作條件

2.軸的主要失效形式

3.對軸用材料的性能要求

4.典型軸的選材1.軸的工作條件(1)傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用。

(2)軸頸承受較大的摩擦。

(3)承受一定的過載或沖擊載荷。2.軸的主要失效形式(1)疲勞斷裂由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。

(2)斷裂失效由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。

(3)磨損失效軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。3.對軸用材料的性能要求(1)高的疲勞強度，以防止疲勞斷裂。

(2)良好的綜合力學性能，以防止沖擊或過載斷裂。

(3)良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。4.典型軸的選材(1)機床主軸機床主軸是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。

(2)汽輪機主軸汽輪機主軸尺寸大，工作負荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用，如圖6-6所示。

(3)內(nèi)燃機曲軸曲軸是內(nèi)燃機的脊梁骨，工作時受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動和沖擊力的作用。(1)機床主軸機床主軸是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。圖6-4機床主軸圖6-5C620車床主軸簡圖表6-2機床主軸的選材及其熱處理工藝(1)機床主軸機床主軸是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。表6-2機床主軸的選材及其熱處理工藝(1)機床主軸機床主軸是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸，通常由主軸、軸承和傳動件(齒輪或帶輪)等組成主軸部件。表6-2機床主軸的選材及其熱處理工藝(2)汽輪機主軸汽輪機主軸尺寸大，工作負荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用，如圖6-6所示。圖6-6汽輪機主軸(3)內(nèi)燃機曲軸曲軸是內(nèi)燃機的脊梁骨，工作時受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動和沖擊力的作用。圖6-7內(nèi)燃機曲軸6.3齒輪類零件的選材6.3.1齒輪的工作條件、主要失效形式及性能要求

6.3.2典型齒輪的選材6.3.1齒輪的工作條件、主要失效形式及性能要求１.齒輪的工作條件

２.齒輪的主要失效形式

３.對齒輪材料的性能要求１.齒輪的工作條件(１)嚙合齒表面承受較大的既有滾動又有滑動的強烈摩擦和接觸疲勞壓應力。

(２)傳遞動力時，輪齒類似于懸臂梁，輪齒根部承受較大的彎曲疲勞應力。

(３)換擋、起動、制動或嚙合不均勻時，承受沖擊載荷。２.齒輪的主要失效形式(１)斷齒除因過載(主要是沖擊載荷過大)產(chǎn)生斷齒外，大多數(shù)情況下的斷齒，是由于傳遞動力時，在齒根部產(chǎn)生的彎曲疲勞應力造成的。

(２)齒面磨損由于齒面接觸區(qū)的摩擦，使齒厚變小、齒隙加大。

(３)接觸疲勞在交變接觸應力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，逐漸剝落，形成麻點。３.對齒輪材料的性能要求(１)高的彎曲疲勞強度。

(２)高的耐磨性和接觸疲勞強度。

(３)輪齒心部要有足夠的強度和韌性。6.3.2典型齒輪的選材1.機床齒輪

2.汽車、拖拉機齒輪1.機床齒輪圖6-8機床傳動齒輪1.機床齒輪表6-3機床齒輪的選材及熱處理2.汽車、拖拉機齒輪圖6-9汽車、拖拉機齒輪2.汽車、拖拉機齒輪表6-4汽車、拖拉機齒輪常用鋼種及熱處理2.汽車、拖拉機齒輪表6-4汽車、拖拉機齒輪常用鋼種及熱處理6.4模具的選材6.4.1冷作模具材料的種類

6.4.2冷作模具材料選用

6.4.3塑料模具選材

6.4.4熱作模具的選材6.4.1冷作模具材料的種類表6-5常用冷作模具材料的牌號及性能比較6.4.2冷作模具材料選用1.冷作模具材料選用原則

2.冷沖裁模材料選用

３.拉深模材料選用

4.冷鐓模材料選用

5.冷擠壓模材料選用1.冷作模具材料選用原則表6-6冷作模具材料具體選用原則及要求1.冷作模具材料選用原則圖6-10多工位級進沖裁模2.冷沖裁模材料選用(1)首先考慮模具壽命的長短但壽命的長短不是唯一的選用依據(jù)。

(2)考慮模具形狀、尺寸及載荷形狀簡單、載荷輕，盡量選用成本低的碳素工具鋼；形狀較復雜、尺寸大、載荷輕，則選用低合金工具鋼制造。

(3)考慮沖壓件的材質(zhì)不同材質(zhì)的沖壓件，其沖壓難易程度相差很大。

(4)考慮沖壓件的產(chǎn)量如批量不大，就沒有必要選用高性能的模具材料。2.冷沖裁模材料選用(5)考慮材料價格及模具材料費占模具總費用的份額如模具形狀復雜、加工較難，加工費占模具總費用的比例很高，而模具材料費只占模具總費用很小比例(10%～18％)，就應選用高性能的模具材料。表6-7沖裁模具材料的選用2.冷沖裁模材料選用表6-8沖裁模結(jié)構(gòu)零件的材料選用及對熱處理的硬度要求３.拉深模材料選用(1)對于小批量生產(chǎn)，可選用表面淬火鋼或鑄鐵。

(2)對于大批量生產(chǎn)的拉深模，則要求其有很高的磨損壽命，應對模具進行滲氮、滲硼、滲釩、鍍鉻，對中碳合金鋼模具進行滲碳等表面處理。

(3)輕載拉深模(拉深材料較薄、強度較低)，可選用T10A、CrWMn、GD、9Mn2V、65Nb等鋼。

(4)重載拉深模(拉深材料較厚、強度較高)，可選用強度較高的Cr12、Cr12MoV、D2、Cr5Mo1V、GM、ER5等鋼。4.冷鐓模材料選用(1)一般載荷冷鐓模用材一般載荷冷鐓模主要用于形狀簡單、負荷較小、變形量不大、冷鐓速度不很高的低碳鋼或中碳鋼冷鐓件。

(2)重載荷冷鐓模用材重載荷冷鐓模主要用于形狀較復雜、生產(chǎn)變形量大、強度較高的合金鋼或中、高碳鋼冷鐓件。

(3)切裁工具和頂出桿用材切裁工具必須硬而耐磨，并需要一定的熱硬性，可選用T10A、Cr4W2MoV等；頂出桿既要韌性好，又要耐磨，可視具體情況選用CrWMn、9CrWMn、6W6Mo5Cr4V等。4.冷鐓模材料選用表6-9冷鐓模材料的選用及工作硬度4.冷鐓模材料選用表6-9冷鐓模材料的選用及工作硬度5.冷擠壓模材料選用(1)碳素工具鋼(如T10A)和低合金工具鋼(如CrWMn)的淬硬性、強韌性和耐磨性較差，只宜作擠壓應力較小，批量不大的正擠壓模具。

(2)Cr12型鋼是正擠壓模具普遍采用的鋼材，由于韌性低，碳化物偏析嚴重，脆性大，因而正逐步被新型冷作模具鋼替代。

(3)高速鋼因高的抗壓強度、耐磨性，適宜制作承受高擠壓負荷的反擠壓凸模，但與Cr12型鋼類似，韌性低、脆性大，生產(chǎn)中常用低溫淬火來提高鋼的斷裂抗力。

(4)降碳型高速鋼(如6W6Mo5Cr4V)、基體鋼(如LD、65Nb)用于冷擠壓模具效果十分顯著，降碳型高速鋼主要用于冷擠壓沖頭，但對于大批量生產(chǎn)的模具，這兩類鋼的耐磨性欠缺。

(5)對于大批量生產(chǎn)的冷擠壓模具，應選用硬質(zhì)合金。5.冷擠壓模材料選用表6-10冷擠壓模材料的選用及工作硬度5.冷擠壓模材料選用表6-10冷擠壓模材料的選用及工作硬度5.冷擠壓模材料選用圖6-11典型結(jié)構(gòu)的注塑模6.4.3塑料模具選材1.塑料模成型件的材料選用

2.輔助零件的材料選用6.4.3塑料模具選材表6-11塑料模具鋼的分類及常用鋼種1.塑料模成型件的材料選用(1)生產(chǎn)批量不大，沒有特殊要求的小型塑料成型模具可采用價格便宜，加工性能好，來源方便的碳素結(jié)構(gòu)鋼(如45鋼、50鋼、55鋼和20鋼、15鋼)、碳素工具鋼(如T8鋼、T10鋼)制造。

(2)型腔表面要求耐磨，心部要求較高韌性的模具這類模具一般選用滲碳鋼，碳的質(zhì)量分數(shù)一般為0.1%～0.2%左右，硬度低，切削加工性好，塑性好。

(3)形狀復雜的大、中型精密塑料制件成型模具一般選用預硬型塑料模具用材料的選用。

(4)復雜、精密、長壽命的塑料模具為了避免在淬火熱處理中產(chǎn)生的變形，發(fā)展了一系列的時效硬化塑料模具鋼。1.塑料模成型件的材料選用(5)成型含氯、氟等元素塑料的模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生化學腐蝕介質(zhì)的塑料制品(如聚氯乙烯、含氟塑料、阻燃塑料等)時，模具材料必須具有較好的抗蝕性能。

(6)成型熱固性塑料制品的壓縮?；虺尚鸵圆ＡЮw維為添加劑的熱塑性塑料注塑模這類模具要求所選材料具有高硬度、高耐磨性、高的高壓強度和較高韌性，以防止塑料把模具型腔面過早磨毛。

(7)成型透明塑料的模具這類模具要求所選材料具有良好的鏡面拋光性能和高的耐磨性。1.塑料模成型件的材料選用表6-12常用塑料成型模具鋼的選用2.輔助零件的材料選用塑料模具的輔助零件，因其拋光性、耐蝕性等要求較低，所以可選用常用的塑料模具鋼材，經(jīng)過合理的熱`處理，使用性能完全能達到要求，因此降低了模具造價。部分模具零件的材料選用舉例及熱處理要求見6.4.4熱作模具的選材1.壓鑄模材料的選用

2.熱錘鍛模材料的選用

3.熱擠壓模材料的選用6.4.4熱作模具的選材表6-13部分模具零件的材料選用舉例及熱處理要求1.壓鑄模材料的選用圖6-12典型結(jié)構(gòu)的壓鑄模(1)鋅合金壓鑄模鋅合金的熔點為400～430℃，1.壓鑄模材料的選用鋅合金壓鑄模型腔的表層溫度不會超過400℃。

(２)鋁合金壓鑄模鋁合金壓鑄模的工作條件較為苛刻，鋁合金溶液的溫度通常在650～700℃左右，以40～180m/s的速度壓入模具型腔。

(３)銅合金壓鑄模銅合金壓鑄模工作條件極為苛刻，銅液溫度通常高達870～940℃,以0.3～4.5m/s的速度壓入銅合金壓鑄模型腔。

(4)鋼鐵材料壓鑄模鋼的熔點為1450～1540℃，使鋼鐵材料壓鑄模的工作溫度高達1000℃,致使模具型腔表面受到嚴重的氧化、腐蝕及沖刷，模具壽命很低。1.壓鑄模材料的選用表6-14壓鑄模成形部分零件的材料選用舉例2.熱錘鍛模材料的選用表6-15錘鍛模材料選用舉例及硬度要求3.熱擠壓模材料的選用表6-16熱擠壓模具的材料選用及硬度要求6.5刃具的選材6.5.1刃具的工作條件、主要失效形式及性能要求

6.5.2刃具的選材6.5.1刃具的工作條件、主要失效形式及性能要求1.刃具的工作條件

２.刃具的失效形式

3.刃具材料的性能要求6.5.1刃具的工作條件、主要失效形式及性能要求圖6-13機械加工常用的刃具1.刃具的工作條件(1)刃具切削材料時，受到被切削材料的強烈擠壓，刃部受到很大的彎曲。

(2)刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500～600℃。

(3)機用刃具往往承受較大的沖擊與震動。２.刃具的失效形式(1)磨損由于摩擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低被加工零件表面質(zhì)量，也由于刃部形狀變化，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

(2)斷裂刃具在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)刃部軟化由于刃部溫度升高，若刃具材料的熱硬性低或高溫性能不足，使刃部硬度顯著下降，喪失切削加工能力。3.刃具材料的性能要求(1)高硬度刀具材料的硬度必須高于工作材料的硬度，否則切削難以進行，在常溫下，一般要求其硬度在60HRC以上。

(2)高耐磨性為承受切削時的劇烈摩擦，刀具材料應具有較強的抵抗磨損的能力，以提高加工精度及使用壽命。

(3)高熱硬性切削時由于金屬的塑性變形、彈性變形和強烈摩擦，會產(chǎn)生大量的切削熱，造成較高的切削溫度，因此刀具材料必須具有高的熱硬性，在高溫下仍能保持高的硬度、耐磨性和足夠的堅韌性。

(4)良好的強韌性為了承受切削力、沖擊和振動，刃具材料必須具備足夠的強度和韌性才不致被破壞。6.5.2刃具的選材１.簡單的手用刃具

2.低速切削、形狀較復雜的刃具

３.高速切削用的刃具１.簡單的手用刃具手鋸鋸條、銼刀、木工用刨刀、鏨子等簡單、低速的手用刃具，熱硬性和強韌性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具鋼制造。如T8鋼、T10鋼、T12鋼等。碳素工具鋼價格較低,但淬透性差，如用于制作形狀較復雜的刃具，會出現(xiàn)淬不透或者由于淬火應力過大而變形甚至開裂。2.低速切削、形狀較復雜的刃具絲錐、板牙、拉刀等可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造。因鋼中加入了鉻、鎢、錳等元素,使鋼的淬透性和耐磨性大大提高,耐熱性和韌性也有所改善,可在<300℃的溫度下使用。３.高速切削用的刃具(１)高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)高速鋼具有高硬度、高耐磨性、高的熱硬性、好的強韌性和高的淬透性的特點,因此在刃具制造中廣泛使用,用來制造車刀、銑刀、鉆頭和其他復雜、精密刀具。

(２)硬質(zhì)合金刃具常用硬質(zhì)合金的牌號有YG6、YG8、YT6、YT15等。

(３)陶瓷陶瓷硬度極高、耐磨性好、熱硬性極高,也用來制造刃具。6.6彈簧的選材6.6.1彈簧的類型及用途

6.6.2彈簧的工作條件及失效形式

6.6.3彈簧材料的性能要求

6.6.4彈簧的成形方法

6.6.5彈簧的選材6.6.1彈簧的類型及用途(1)緩沖或減振如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位如機床及其夾具中利用彈簧將定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復原外力去除后自動恢復到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。6.6.1彈簧的類型及用途圖6-14各類彈簧6.6.2彈簧的工作條件及失效形式1.彈簧的工作條件

2.彈簧的失效形式1.彈簧的工作條件(1)彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)時，材料將承受彎曲或扭轉(zhuǎn)作用。

(2)緩沖、減振或復原用的彈簧承受交變應力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質(zhì)和高溫的作用。2.彈簧的失效形式(1)塑性變形在外載荷作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生的正應力或切應力超過材料本身的屈服應力后，彈簧發(fā)生塑性變形。

(2)疲勞斷裂在交變應力作用下，彈簧表面缺陷(裂紋、折疊、刻痕、夾雜物)處產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴展后造成斷裂失效。

(3)快速脆性斷裂某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)、加工缺陷(如折疊、劃痕)、熱處理缺陷(淬火溫度過高導致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠)等，當受到過大的沖擊載荷時，發(fā)生突然脆性斷裂。

(4)腐蝕斷裂及永久變形在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧易產(chǎn)生應力腐蝕斷裂失效。6.6.3彈簧材料的性能要求1.高的彈性極限σe和高的屈強比σs/σb

２.高的疲勞強度

３.好的材質(zhì)和表面質(zhì)量

４.某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性1.高的彈性極限σe和高的屈強比σs/σb彈簧工作時不允許有永久變形，因此要求彈簧的工作應力不超過材料的彈性極限。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。對于承受重載荷的彈簧，如汽車用板簧、火車用螺旋彈簧等，其材料需要高的彈性極限。當材料直徑相同時，碳素彈簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的抗拉強度相差很小，但屈強比差別較大。65鋼為07，60Si2Mn鋼為075、50CrVA鋼為09。屈強比高，彈簧可承受更高的應力。２高的疲勞強度材料的彎曲疲勞強度σ-1和扭轉(zhuǎn)疲勞強度τ-1越大，則彈簧的抗疲勞性能越好。３好的材質(zhì)和表面質(zhì)量材料夾雜物含量少，晶粒細小，表面質(zhì)量好，缺陷少，對于提高彈簧的疲勞壽命和抗脆性斷裂十分重要。４某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性保證在腐蝕性介質(zhì)和高溫條件下的彈簧具備良好的使用性能。6.6.4彈簧的成形方法(1)熱軋彈簧通過熱軋方法加工成圓鋼、方鋼、盤條、扁鋼，制造尺寸較大，承載較重的螺旋彈簧或板簧。

(2)冷軋(拔)彈簧以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應，用來制作小型冷成形螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧等。6.6.5彈簧的選材1.彈簧鋼

２.不銹鋼

３.黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅1.彈簧鋼表6-17常用彈簧鋼的牌號、特點及應用6.7熱處理工藝位置安排及方案選擇6.7.1熱處理工藝的位置安排

6.7.2常用熱處理方案的選擇

6.7.3零件熱處理技術(shù)條件的標注6.7.1熱處理工藝的位置安排1.預先熱處理的工藝位置

2.最終熱處理工藝位置1.預先熱處理的工藝位置(1)退火、正火的工藝位置退火、正火一般用于改善毛坯組織，消除內(nèi)應力，為最終熱處理作準備，其工藝位置一般安排在毛坯生產(chǎn)之后，機械加工之前。

(2)調(diào)質(zhì)的工藝位置調(diào)質(zhì)主要是用來提高零件的綜合力學性能，或為以后的最終熱處理作好組織準備。2.最終熱處理工藝位置(1)淬火、回火的工藝位置淬火的作用是充分發(fā)揮材料潛力，極大幅度地提高材料硬度和強度。

(2)滲碳的工藝位置滲碳是最常用的化學熱處理方法，當工作某些部位不需滲碳時，應在設(shè)計圖樣上注明，采取防滲措施，并在滲碳后淬火前去掉該部位的滲碳層。6.7.2常用熱處理方案的選擇1.確定預備熱處理

2.采用合理的最終熱處理1.確定預備熱處理常用預備熱處理方法有三大類：退火、正火、調(diào)質(zhì)、鋼材通過預備熱處理可以使晶粒細化，成分、組織均勻，內(nèi)應力得到消除，為最終熱處理作好組織準備。因此，它是減少應力，防止變形和開裂的有效措施。一般地，零件預先熱處理大都采用正火。但對成分偏析較嚴重，毛坯生產(chǎn)后內(nèi)應力較大以及正火后硬度偏高時，應采用退火工藝。共析鋼及過共析鋼多采用球化退火；亞共析鋼則應采用完全退火（現(xiàn)一般用等溫退火來代替）；對毛坯中成分偏析嚴重的應采用均勻化高溫擴散退火；消除內(nèi)應力較徹底的應采用去應力退火。如果對零件綜合力學性能要求較高時，預先熱處理則應采用調(diào)質(zhì)。2.采用合理的最終熱處理最終熱處理的方法很多，主要包括淬火、回火、表面淬火及化學熱處理等。工件通過最終熱處理，獲得最終所需的組織及性能，滿足工件使用要求。因此，它是熱處理中保證質(zhì)量的最后一道關(guān)口。一般地，根據(jù)工件的材料類型，形狀尺寸，淬透性大小及硬度要求等選擇合適的淬火方法。如對于形狀簡單的碳鋼件可采用單液水中淬火；對于合金鋼制工件多采用單液油中淬火。為了有效地減小淬火內(nèi)應力，防止工件變形、開裂，可采用預冷、雙液、分級、等溫淬火方法。對于某些只需局部硬化的工件可針對相應部位進行局部淬火。對于精密零件和量具等，為穩(wěn)定尺寸，提高耐磨性可采用冷處理或長時間的低溫時效處理。淬火后的工件應及時回火，而且回火應充分。對于要求高硬度的耐磨工件應采用低溫回火；對于高韌性，較高強度的工件則進行中溫回火；而對于要求具備較高綜合力學性能的工件應進行高溫回火。有時，工作條件要求零件表層與心部具有不同性能，這時可根據(jù)材料化學成分和具體使用性能的不同，選擇相應的表面熱處理方法。如對于表層具有高硬度、高強度、耐磨性及疲勞極限，而心部具有足夠塑性及韌性的中碳鋼或中碳合金鋼工件，可采用表面淬火法；對于低碳鋼或低碳合金鋼工件，可采用滲碳法；而對于承載力不大但精度要求較高的合金鋼，多采用滲氮。為了提高化學熱處理的效率，生產(chǎn)中還可采用低溫氣體碳氮共滲及中溫氣體碳氮共滲。另外，還可根據(jù)需要對工件進行其他滲金屬或非金屬的處理。如為提高工件高溫抗氧化性可滲鋁；為提高工件耐磨性和熱硬性可滲硼等。還有，為了提高零件表面硬度，耐磨性，減緩材料的腐蝕，可在零件表面涂覆其他超硬、耐蝕材料。當然，在實際生產(chǎn)過程中，由于零件毛坯的類型及加工工藝過程的不同，在具體安排熱處理方法及工藝位置時并不一定要完全按照上述原則，而應根據(jù)實際情況進行靈活調(diào)整。如：對于精密零件，為消除機械加工造成的殘留應力，可在粗加工，半精加工及精加工后安排去應力退火工藝。另外，對于淬火、回火后殘留奧氏體較多的高合金鋼，可在淬火或第一次回火后進行深冷處理，以盡量減少殘留奧氏體量并穩(wěn)定工件形狀及尺寸。6.7.3零件熱處理技術(shù)條件的標注１.文字和數(shù)字說明

2.熱處理代號

1.工作條件及失效形式分析

２.材料的選用

3.凸輪軸的熱處理工藝

４.工藝說明

１.工作條件和要求

２.材料的選用

３.制造及熱處理工藝

４.失效形式１.文字和數(shù)字說明零件經(jīng)熱處理后應達到的力學性能指標，一般只需標出硬度值，且標定的硬度值可允許有一個波動范圍，一般布氏硬度范圍為30～40單位左右；洛氏硬度范圍在5個單位左右。如：淬火、回火48～53HRC；調(diào)質(zhì)220～250HBW。但對于某些力學性能要求較高的重要零件，如重型零件、關(guān)鍵零件等則還需根據(jù)需要標出強度、塑性、韌性等指標，有的還對顯微組織有相應要求。如連桿，其熱處理技術(shù)條件為：調(diào)質(zhì)260～315HBW；組織為回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體。另外，對于表面淬火零件應標明淬硬層硬度、深度及淬硬部位，有的對表面淬火后的變形量有要求。對滲碳、滲氮零件則應標明化學熱處理后的硬度，滲碳或氮的部位