选材及热处理

教学重点典型零件的选材和热处理工艺分析。教学难点本章重点与难点零件材料的选用和热处理工艺分析。第一节零件的失效分析失效是指零件在使用过程中丧失或达不到原来设计的效能。一、零件的失效1、过量变形失效——是指零件的变形量超过了允许的范围。过量变形的主要原因是零件或工具材料的强度较低。造成强度低的原因有：1）设计的尺寸偏小；2）选用材料不当；3）热处理工艺不当；4）在使用过程中内部组织发生变化，等等。2、断裂失效——是指零件完全断裂而无法工作的失效。根据断裂前变形量的大小和断口形状，断裂可分为脆性断裂和塑性（韧性）断裂两种。发生断裂的原因有：1）设计计算的承载能力小于实际工作时所施加的载荷；2）材料的力学性能未达到预定的要求；3）短时间过载；4）金属材料内部组织的变化或微裂纹的扩展、疲劳应力、蠕变等。3、表面损伤失效——是指零件在工作中，因机械和化学作用，使其表面损伤而造成的失效。可分为三大类：磨损失效、腐蚀失效及表面疲劳失效。（1）磨损失效磨损失效主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨损，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。（2）腐蚀失效腐蚀失效是由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件或工具的失效。可在大气、海水、土壤、化工原料、机械应力、磨损、辐射和微生物等因素联合作用发生腐蚀。（3）表面疲劳失效表面疲劳失效是相互接触的两个运动表面在工作过程中承受交变接触应力的作用，使表面层材料发生疲劳破坏而脱落造成的失效。分为麻点与剥落两种形式。1）设计原因对零件的工作条件估计错误，安全系数过小、计算错误等，零件的结构形状、尺寸等设计不合理。2）选材问题选择材料错误，容易造成所选材料的性能不能满足使用要求；所选材料质量不合格等原因引起零件的失效。3）加工工艺不当采用的工艺方法、工艺参数、技术措施不正确，可能产生铸造缺陷、锻造缺陷、焊接缺陷、切削加工缺陷和热处理缺陷。4）安装使用不正确机械在装配、安装过程中不按技术要求，使用过程中不按规程操作、保养、维修，超载使用等。二、零件的失效原因1、使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能，对于一般的机械零件主要是力学性能。（1）基本原则分析零件的工作条件、常见的失效形式，并通过力学计算确定零件应具有的主要力学性能，作为选材的依据。（2）应注意的问题1）综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。2）合理地选定硬度值。3）选用材料的力学性能判据数值时应注意的几个问题。一、选材的基本原则第二节零件材料的选用选材的基本原则是，首先满足使用性能要求，同时要考虑到材料的工艺性和经济性。2、工艺性工艺性能是指材料是否容易加工成形的性能，决定了所选材料能否顺利加工制造成所需的零件。1）铸造性能2）锻压性能3）焊接性能4）切削加工性5）热处理工艺性3、经济性经济性是指所选材料加工成零件后的成本高低。主要包括：材料费用、加工费用、管理费用、运输费、安装费、维修保养费用等。1、按力学性能选材的基本方法1）以综合力学性能为主时的选材主要失效形式是过量变形，一般可选用中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理或正火处理。2）以疲劳强度为主时的选材主要失效形式是疲劳破坏，对承载较大的零件选用淬透性要求较高的材料。调质钢进行表面淬火、渗碳钢进行渗碳淬火、氮化钢进行氮化以及喷丸、滚压等处理。3）以磨损为主时的选材对于受力较小而磨损大的零件高碳钢和合金工具钢；对于磨损大而又承受较大冲击载荷的零件选用低碳钢和合金渗碳钢。二、选材的方法和步骤2、选材的基本步骤1）分析零件的工作条件、失效形式，确定零件的性能。2）对同类产品进行调研，分析选材的合理性。3）找出关键的性能要求，确定零件应具有的力学性能判据或理化性能指标。4）选择合适的材料，确定热处理方法或其他强化方法。5）通过试验，检验所选材料及热处理方法能否达到各项性能要求。此外，高应力和很大冲击载荷作用下的零件，如坦克履带、铁路道岔等，即要求材料具有高硬度，又要求有很好的韧性，可选用高锰耐磨钢。1、齿轮的作用传递扭矩、调节速度、改变运动方向。2、工作条件（1）齿根受很大交变弯曲应力作用、齿面受较大接触应力并有强烈的摩擦和磨损。（2）承受一定的冲击载荷。3、失效形式轮齿折断、齿面磨损、齿面剥落、齿面点蚀、过载断裂等。4、力学性能要求（1）高的弯曲疲劳强度（2）齿面应具有高的接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性（3）齿轮心部应具有良好的综合力学性能或较好的强韧性一、齿轮类零件第三节典型零件的选材及热处理1、轴类零件的作用支承传动零件、传递运动和动力。2、工作条件（1）承受较大的交变弯曲应力、扭转应力（2）轴颈和花键部位承受较大的摩擦（3）一定的冲击载荷3、失效形式疲劳断裂、过量的弯曲变形和扭转变形、过量磨损。4、力学性能要求（1）良好的综合力学性能（2）轴颈等部位应具有高的硬度和良好的耐磨性（3）高的疲劳强度二、轴类零件1、丝锥和板牙的作用丝锥的作用是加工内螺纹，板牙的作用是加工外螺纹。2、工作条件柄部和心部承受较大的扭转应力，齿刃部承受较大的摩擦和磨损，高速切削时齿刃部还要承受较高的工作温度。3、失效形式磨损和扭断。4、力学性能要求齿刃部应具有高硬度（59～64HRC）和高耐磨性，一定的热硬性（视切削速度而定）；柄部和心部应具有足够的强度和韧性，硬度为35～45HRC。三、丝锥和板牙5、丝锥和板牙的常用材料及热处理（1）手用丝锥和板牙热硬性不作要求，选用T10A和T12A钢制造，并经淬火和低温回火。（2）机用丝锥和板牙要求有较高的热硬性，可选用9SiCr、9Mn2V、CrWMn钢或W18Cr4V钢制造，并经适当的热处理。①注意手册中各性能数据的测试条件与零件实际情况的差异。零件的实际尺寸较大，存在缺陷（孔洞、夹杂物、表面损伤等）的可能性增加，对碳钢和低淬透性钢就有可能淬不透，故导致材料实际使用的性能数据一般应随零件尺寸的增大而减小②实际零件材料的成分、热处理工艺参数等与标准试样相比可能存在一定的偏差，从而导致零件的力学性能波动。③同种材料采用的工艺不同，其性能数据也会不同。例如，同种材料用锻压成形的坯料就比用铸造成形的坯料力学性能好。总之，应根据所选材料的具体情况对手册中的数据作一定的修正，必要时可进行零件的强度和寿命模拟试验，确保提供的数据可靠。