机械零件的选材

第十章机械零件的选材§1材料选用的一般原则1.使用性能选材原则①受力情况：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（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③其它要求：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2.工艺性能选材原则材料的工艺性能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力，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。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、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。1.铸造性能凡相图上液-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碳钢，故高碳钢较少用做铸件。2.压力加工性能包括变形抗力，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，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。3.焊接性能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、铜合金的焊接性能一般不好，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。4.机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。一般来说材料的硬度越高、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。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180～230HBS范围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(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)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。5.热处理工艺性能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、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。三．经济性能选材原则所谓经济性选材原则，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，而是指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，以达到最佳的技术经济效益。选择材料的基本过程§2零件的失效分析断裂失效失效形式磨损腐蚀表面损伤失效过量变形失效过量弹性变形低应力断裂脆性断裂过量塑性变形疲劳断裂蠕变断裂韧性断裂应力腐蚀断裂接触疲劳§3典型零件的选材及工艺分析一．齿轮类零件1.工作条件①传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；②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；③启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；④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。2．主要失效形式①断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；②齿面损伤——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面过度磨损；③其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。3．主要性能要求①高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。②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。③足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。（1）锻钢齿轮的主要材料。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。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。①低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA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＋低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、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、大冲击的中载和重载齿轮。②中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状态直接使用；40、45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，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可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。③中碳氮化钢40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢，经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。（2）铸钢铸钢齿轮的力学性能比锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大(＞Ф500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270—500、ZG310—570、ZG40Cr等。铸钢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，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。（3）铸铁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，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HT200、HT250、HT350等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用QT600-3、QT500-7代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。机床齿轮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。大多采用碳钢(40、45钢)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50HRC，齿心硬度为220～250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。机床齿轮的加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→精磨正火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。调质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冲击载荷。表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。汽车、拖拉机齿轮工作条件恶劣，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要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火＋低温回火处理后，齿面硬度可达58～62HRC，心部硬度30～45HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。采用20CrMnTi制造汽车齿轮，工艺路线为：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火＋低温回火→喷丸→磨削加工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1～3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。二．轴类零件选材1.工作条件①交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；②相对运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；③因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；2.主要失效①疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；②磨损相对运动表面过度磨损；③过量变形极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。3.性能要求①高的疲劳极限；②综合力学性能好；③局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。1.锻钢优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见)等碳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，为进一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢制造；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造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能(强韧性)，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮等)。少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9Mn2V等）。2.铸钢形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。3.铸铁由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸铁(HT350、KTZ550—06等)来代替钢作为轴(尤其是曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。机床主轴机床主轴承受弯-扭复合交变载荷、转速中等并承受一定的冲击载荷，一般选用45钢或40Cr钢制造(40Cr用于载荷较大、尺寸较大的轴)；对于承受重载、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴(如镗床主轴)，则须用38CrMoAlA钢经渗氮处理制造。45钢(或40Cr钢)机床主轴的简明加工路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火＋低温回火→精磨→成品