第九章 选材与热处理应用

第一节概述一、材料的使用性能第九章选材及热处理应用金属材料的使用性能包括力学性能和物理化学性能。使用性原则：材料制成零件后，能否保证其使用性能要求分析零件工作条件，提出使用性能要求工作条件：零件的功用，受力性质和大小，运动形式和速度，温度和介质等环境状况，电、磁、热等特殊状况，若材料性能不能满足零件的工作条件，零件就不能正常工作或早期失效。使用性能：材料的力学性能，其性能参数与零件尺寸参数、形状相配合，即构成零件的承载能力。1、充分考虑尺寸效应对力学性能的影响。截面尺寸越大，尺寸效应越明显，尺寸效应不仅与材料内部的冶金缺陷有关，还与钢材的淬透性有关。2、综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。①强度设计一般以σs为依据。提高强度指标可以减轻机器的自重，延长使用寿命，但会使塑性和韧性降低，选材时应综合考虑。②塑性的主要作用是避免应力集中，增强零件的抗过载能力，提高零件的安全性，一般凭经验估算。③韧性值一般不直接用于设计计算，只有在承受大能量动载荷作用，且零件局部应力集中时，才给予考虑。3、合理选用硬度值。一般情况下，零件图上只标出所要求的硬度值，来综合体现零件所要求的全部力学性能。选材时，必须注意以下几个问题二、材料的工艺性能铸造性能、压力加工性、切削加工性、焊接性、热处理工艺性材料的工艺性能是指材料本身适应某种加工的能力，包括：1、铸造性能：常用流动性、收缩等来综合评定。有色金属的铸造性能优于黑色金属。铸铁优于铸钢。综合考虑，灰铸铁的铸造性能最好。同一种材料中，成分靠近共晶点的合金铸造性能最好。2）压力加工性：常用塑性和变形抗力来综合评定。塑性好，则易成形，加工面质量好，不易产生裂纹。变形抗力小，金属易于充满模膛，不易产生缺陷。碳钢比合金钢的锻造性能好，低碳钢优于高碳钢。4、焊接性能：一般由焊接处出现裂纹、脆性、气孔及其他缺陷的倾向来衡量。通常分为良好、一般、较差和低劣四个等级。低碳钢、低合金高强度结构钢的焊接性能好。5、热处理工艺性能：常用淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、氧化脱碳的倾向来评定。碳钢的淬透性差，加热时易过热，淬火时易变形开裂。合金钢的淬透性优于碳钢。一般由最高切削速度、切削力大小、加工面的粗糙度值、断屑难易程度和刀具磨损来综合评断定。材料硬度值在170～230HBS范围内，切削加工性好。3、切削加工性：三、材料的经济性材料的经济性是在满足力学性能要求的条件下首先选用价格便宜的材料。3、对于某些重要、精密、加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，选材时不能单纯考虑材料本身价格，而应注意制件质量和使用寿命1、在满足使用性原则和工艺性原则前提下，应尽量降低零件的总成本。零件的成本：材料的价格、加工费、管理费、运输费、安装费等。2、碳钢、铸铁的价格低，加工方便，在满足使用性能前提下，尽量使用。低合金高强度结构钢的价格低于合金钢。有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高，尽量少用。四、选材的基本步骤1、分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求。2、对同类零件的用材进行分析，找出类似点，以作为选材的参考。3、从确定零件性能要求中，找出最关键的技术要求，通过计算或试验等方法，确定零件应具有的力学性能和理化性能指标。4、合理选材，确定热处理方法或其他强化方法。5、试验并小批量试制。6、关键零件投产前应对所选材料进行试验，试验结果满意后可大批产生。第二节零件的失效分析失效及其形式例：齿轮在工作过程中磨损而不能正常啮合及传递动力。主轴在工作过程中变形而失去精度。弹簧因疲劳或受力过大而失去弹性。零件的失效，尤其是无明显预兆的失效，会带来巨大的危害1、失效：零件严重损伤，完全破坏，丧失使用价值或继续工作不安全。或能安全工作，但不能保证工作精度以及达不到预期工效。2、失效形式3）表面损伤失效：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。主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效同一零件可能有几种失效形式，但不可能几种形式同时起作用，其中必然有一种起决定性的作用2）断裂失效：零件完全断裂而无法工作的失效。断裂方式有塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力断裂。1）过量变形失效：零件变形量超过允许范围而造成的失效。主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。一、零件失效的原因1、设计工作条件估计错误计算错误结构外形不合理材质低劣选材不当2、材料3、加工工艺铸锻造缺陷冷加工缺陷焊接缺陷热处理缺陷操作失误过载使用保护不良安装不良4、安装使用零件失效腐蚀高温蠕变低温脆性5、环境因素二、零件失效方式的分类零件失效变形失效断裂失效表面损伤失效腐蚀失效表面疲劳失效磨损失效介质加速断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆性失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效几种零件工作条件、失效形式及要求的力学性能零件工作条件应力载荷其它力学性能失效形式紧固螺栓传动轴传动齿轮弹簧拉、剪弯、扭压、弯扭、弯循环冲击静循环冲击循环冲击振动强烈摩擦振动轴颈处摩擦振动磨损疲劳麻点断齿过量变形断裂弹性极限、屈强比疲劳强度表面高硬度和疲劳极限心部强度、韧性综合力学性能强度、塑性弹性丧失疲劳损坏疲劳破坏过量变形轴颈磨损三、失效分析的一般方法1、现场调查2、残骸分析3、实验研究（1）零件结构、工艺及受力情况分析（2）材料分析（3）断口分析（4）模拟试验4、综合分析、作出结论和写出报告案例：飞机失事断裂失效事故事故现场调查微区成分分析工作状态分析裂纹和断口分析破坏过程和机理分析收集情况制造工艺、原材料成分、性能、设计资料、使用情况结构、受力、应力状态分析正在使用件的分析材料、性能及组织分析残骸分析最先破坏件分析故障再现和解决方案和实验正在使用件和延寿方案新生产件和改进方案使用考验台架实验案例：飞机失事第三节热处理技术条件的标注和工序位置一、热处理技术条件的标注1、在图纸上标注热处理方法和热处理后应达到的力学性能指标，供热处理生产及检验使用。2、一般图纸上仅标注热处理后的硬度值，对渗碳件和表面淬火件要标明渗碳层与淬硬层深度、部位，对要求较高的零件还要标注强度、塑性、韧性等其它指标。3、标注热处理技术条件时，可以用文字在图纸上说明。常用热处理符号退火：Th正火：Z调质：T淬火：C高频淬火：G火焰淬火：H氮化：D渗碳淬火：S-C热处理技术条件标注示例（一）热处理技术条件标注示例（二）热处理技术条件：S1.2-C62发蓝二、热处理工序位置的安排1、退火、正火工艺路线：毛坯生产→退火或正火→机械加工目的：消除毛坯中产生的缺陷、消除内应力，细化、均匀组织，改善切削加工性，为最终热处理作组织准备。2、调质工艺路线：下料→锻造→正火或退火→机械粗加工→调质→→机械精加工目的：提高零件的综合力学性能，为表面淬火、精密零件氮化作组织准备。工艺路线：下料→锻造→正火或退火→机械粗加工、半精加工→→淬火、回火→磨削。3、表面淬火、整体淬火4、渗碳、氮化渗碳工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→→磨削。氧化工艺路线：下料→锻造→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→去应力退火→→粗磨→氧化→精磨。第四节制定热处理工艺的原则及热处理结构工艺性一、制定热处理工艺的原则1、毛坯的热处理一般采用退火或正火。共析、过共析钢采用球化退火。低、中碳钢采用不完全退火。2、中碳钢大多采用调质处理。为获得较高的强度也可采用淬火、中温或低温回火。3、整体承受冲击、表面要求耐磨的零件，可以采用高频淬火、渗碳、氮化处理。4、弹簧件采用淬火后中温回火。5、要求高强度、高硬度、高耐磨性的工具，均采用淬火，低温回火。高精度工具还要进行时效处理。要求高红硬性的工具回火温度较高，以产生二次硬化。6、非金属材料一般采用再结晶退火、去应力退火或固溶时效强化。二、热处理零件的结构工艺性1、零件的尖角、棱角尖角和棱角处容易产生应力集中，引起淬火开裂2、避免厚薄悬殊危险截面截面不均匀，热处理时冷却不均匀，易产生变形与开裂3、采用封闭、对称结构形状不对称，会使应力分布不均匀，易产生变形4、采用组合结构对于形状复杂的零件，在可能的情况下采用组合结或镶拼结构。5、切实制定技术要求原设计要求：整体HRC＞55，淬火后，槽口处开裂。修改：槽口处HRC＞55，其余部位HRC≥40。既不开裂，又符合要求。第五节典型零件的选材及热处理一、齿轮1、工作条件、失效形式、材料性能要求1）工作条件：①通过齿面接触传递动力，在齿面啮合处既有滚动，又有滑动②接触处有承受较大的接触压应力与强烈的摩擦和磨损③齿根承受较大的交变弯曲应力④由于换挡、启动或啮合不良，齿轮受到冲击力⑤因加工、安装不当或齿、轴变形引起的齿面接触不良⑥外来灰尘、金属屑末等硬质微粒的侵入，会产生附加载荷2）失效形式：①轮齿折断（疲劳折断、冲击过载断裂）②齿面损伤（齿面磨损、齿面疲劳剥落）③过量塑性变形①良好的切削加工性，以保证齿轮加工后的精度和粗糙度。②优良的热处理性能，保证有良好的热处理质量和最小的淬火变形。③材质纯净，其等级符合有关标准规定的要求。④价格适宜、材料来源充足。3）对材料性能的要求2、常用材料的种类、性能和热处理方法1）锻钢：①低、中速和受力不大的中、小型传动齿轮材料：Q275钢、40钢、40Cr钢、45钢、40MnB钢热处理：调质或正火后，进行表面淬火、低温回火②高速、耐强烈冲击的重载齿轮材料：20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢、20MnVB钢热处理：渗碳后，进行淬火、低温回火2）铸钢：尺寸较大，形状复杂的齿轮毛坯材料：ZG270—500、ZG310—570热处理：正火后，进行表面淬火3）铸铁：轻载、低速、不受冲击、精度要求不高的不重要齿轮材料：HT200、HT250、HT300、QT600—3、QT500—7热处理：去应力退火或正火后，进行表面淬火3、选材示例：机床齿轮工作条件：受力不大、运动平稳，工作条件较好性能要求：轮齿的耐磨性及抗冲击性能要求不高选材：中碳合金钢，高频淬火及回火热处理：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨二、轴类零件1、工作条件、失效形式及材料的性能1）工作条件：承受弯曲应力、扭转应力或拉压应力有相对运动的表面摩擦的磨损较大承受一定的冲击力2）失效形式：疲劳断裂、过量变形、过度磨损3）性能要求：①足够的强度、刚度和适当的韧性。②高的疲劳极限，对应力集中的敏感性低。③热处理后，局部淬硬的部位达到较高的硬度和耐磨性，较低的淬火开裂敏感性。④有一定的淬透性⑤切削加工性能良好，价格低廉1）在滚动轴承中回转的主轴，因摩擦已转移给滚动体和套圈，其轴颈部位不需特别高的硬度。一般采用45、45Mn2、40Cr等调质钢制造，经正火或调质处理后，局部淬火。2、材料及热处理2）在滑动轴承中运转的主轴，其轴颈直接与轴瓦接触，耐磨性要求较成高，因而轴颈硬度要求较高，同时滑动轴承比滚动轴承的承载能力高。一般采用15Cr、20Cr等渗碳钢或中碳调质钢制造。3）对于要求更高表面硬度和耐磨、耐疲劳性能好的精密主轴，其精度和尺寸稳定性要求极高，采用38CrMoAlA等渗氮钢制造。4）要求刚性好，精度高的磨床或镗床主轴，采用9Mn2V、GCr15等钢制造，进行高频表面处理。5）重型机床的低速主轴，结构尺寸较大，可以采用球墨铸铁制造。3、选材示例：车床主轴工作条件：受弯曲和扭转应力作用，承受的应力和冲击力不大。性能要求：有相对滑动的部位，应具有较高的硬度和耐磨性热处理：选用45钢，整体调质（220～250HBS）锥孔和外圆锥面局部淬火（45～50HRC）花键部位，高频感应淬火（48～53HRC）加工路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→局部淬火、回火→→粗磨→铣花键→花键高频感应淬火、回火→精磨三、丝锥1、性能要求及失效形式1）性能要求：刃部要求有高的硬度和耐磨性心部和柄部有足够的强度、韧性和较高的硬度2）失效形式：磨损、扭断2、材料及热处理1）手用丝锥：选用T10A钢、T12A制造，并经淬火、低温回火处理2）机用丝锥：选用9SiCr钢、9Mn2V钢、CrWMn钢制造，经淬火、低温回火处理。手用丝锥刃部柄部