1、第第1414章章 機(jī)械零件材料機(jī)械零件材料及毛坯選擇及毛坯選擇14.1 選材原則選材原則選材的動(dòng)機(jī)選材的動(dòng)機(jī) 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代。開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代。選材原則選材原則使用使用 、工藝性能、工藝性能經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性環(huán)境與資源原則環(huán)境與資源原則一、材料的使用性能一、材料的使用性能 首要原則首要原則.零件的工作條件和失效形式零件的工作條件和失效形式 零件失效類(lèi)型零件失效類(lèi)型 變形變形 彈、塑性變形。彈、塑性變形。 斷裂斷裂 脆、塑性，疲勞斷裂。脆、塑性，疲勞斷裂。 表面損傷表面損傷 磨損、腐蝕等。磨損、腐蝕等。 零件零件工作條件工作條件常見(jiàn)失效形式常見(jiàn)失效形式性能要求性能要求

2、應(yīng)力應(yīng)力種類(lèi)種類(lèi)載荷載荷性質(zhì)性質(zhì)受載受載狀態(tài)狀態(tài)螺栓螺栓拉、剪拉、剪靜載靜載-過(guò)量變形，斷裂過(guò)量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性強(qiáng)度，塑性傳動(dòng)軸傳動(dòng)軸彎、扭彎、扭循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊軸頸軸頸摩擦摩擦疲勞斷裂，過(guò)量變形疲勞斷裂，過(guò)量變形，軸頸磨損，軸頸磨損綜合力學(xué)性能綜合力學(xué)性能傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)齒輪壓、彎壓、彎循環(huán)循環(huán)沖擊沖擊摩擦摩擦振動(dòng)振動(dòng)斷齒，磨損，斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限表面高硬度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性，心部強(qiáng)度及韌性彈簧彈簧扭、彎扭、彎交變交變沖擊沖擊振動(dòng)振動(dòng)彈性失穩(wěn)，彈性失穩(wěn)，疲勞破壞疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限，疲勞極限零件失效的原因

3、零件失效的原因 設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝和使用。設(shè)計(jì)、材料、加工、安裝和使用。.工作環(huán)境工作環(huán)境 溫度，介質(zhì)（如腐蝕，摩擦）。溫度，介質(zhì)（如腐蝕，摩擦）。.特殊功能要求特殊功能要求 導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。.性能要求的指標(biāo)化性能要求的指標(biāo)化 如強(qiáng)硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。如強(qiáng)硬度、塑韌性等的具體數(shù)值。手冊(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式的局限性手冊(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)公式的局限性 力學(xué)性能與零件尺寸有關(guān)力學(xué)性能與零件尺寸有關(guān)40鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能鋼不同尺寸毛坯的力學(xué)性能 熱處理?xiàng)l件熱處理?xiàng)l件毛坯尺寸毛坯尺寸/ /mmmmb / MPa/ %AKU / J850淬火淬

4、火580016120307501580500回火回火5070015561006001340二、工藝性能二、工藝性能 鑄、鍛、焊、機(jī)加工、熱處理鑄、鍛、焊、機(jī)加工、熱處理零件的加工工藝路線零件的加工工藝路線一般零件一般零件 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工軸、齒輪軸、齒輪 等等毛坯毛坯 預(yù)先熱處理（正火、退火）預(yù)先熱處理（正火、退火） 粗加工粗加工 最終熱處理（淬火最終熱處理（淬火回火，時(shí)效，滲回火，時(shí)效，滲C等）等）精加工精加工精密絲杠精密絲杠毛坯毛坯 預(yù)先熱處理預(yù)先熱處理 粗加工粗加工 最終熱處理最終熱處理 半精加工半精加工時(shí)效（或時(shí)效（或 N化）化） 精加工精加工 時(shí)效時(shí)效

5、三、經(jīng)濟(jì)性三、經(jīng)濟(jì)性 根本原則根本原則.產(chǎn)品成本分析產(chǎn)品成本分析基本材料的成本（價(jià)格、利用率）基本材料的成本（價(jià)格、利用率） 占總成本的占總成本的3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 約占零件成本的約占零件成本的30%加工成本加工成本 = 工具與設(shè)備費(fèi)用工具與設(shè)備費(fèi)用 + 每件產(chǎn)品成本每件產(chǎn)品成本 生產(chǎn)批量生產(chǎn)批量材材 料料美元美元 / t材材 料料美元美元 / t鉑鉑26,000,000 工業(yè)金剛石工業(yè)金剛石900,000,000 金金19,100,000 硼硼環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料330,000 鎢鎢26,000 碳纖維復(fù)材料碳纖維復(fù)材料200,000 鈦合金鈦合金10,1

6、9012,720 玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料24003300 黃銅（型材）黃銅（型材）16502336 尼龍尼龍663289 鋁合金（型材）鋁合金（型材）20002440 環(huán)氧樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂1650 低碳鋼（型材）低碳鋼（型材）440480 天然橡膠天然橡膠1430 鑄鐵鑄鐵260 氧化鋁氧化鋁1100-1760 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金66,000 玻璃玻璃1500四、環(huán)境與資源原則四、環(huán)境與資源原則 貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過(guò)程貫穿材料生產(chǎn)、使用、廢棄的全過(guò)程.減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。重要金屬的世界儲(chǔ)量重要金屬的世界儲(chǔ)量 .環(huán)境污

7、染小環(huán)境污染小廢氣排放少?gòu)U氣排放少材料回收及降解材料回收及降解 儲(chǔ)量（儲(chǔ)量（10106t）可用年數(shù)可用年數(shù)再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti1475114.2 典型零件的選材與工藝典型零件的選材與工藝一、齒輪選材一、齒輪選材性能要求性能要求 齒面硬度（決定齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度彎曲、接觸疲勞強(qiáng)度，耐磨性耐磨性）強(qiáng)度，韌性。強(qiáng)度，韌性。 選材選材調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) + 表面淬火表面淬火 + 低溫回火低溫回火 滲滲C鋼鋼 硬度、韌性高。硬度、韌性

8、高。實(shí)例實(shí)例 載重汽車(chē)變速箱齒輪載重汽車(chē)變速箱齒輪性能指標(biāo)性能指標(biāo) b1000MPa，aKU250J ，齒面硬度齒面硬度HRC55 。選材選材 20CrMnTi，b 1080MPa ， aKU2 55J，齒面齒面HRC5863 。最終熱處理工藝最終熱處理工藝 930滲滲C + 預(yù)冷預(yù)冷830油淬油淬 + 200回火回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火M + F齒面：回火齒面：回火M + 碳化物碳化物 + A 工藝路線工藝路線 鍛造鍛造正火正火機(jī)加工機(jī)加工滲滲C、淬火低溫回火淬火低溫回火噴丸噴丸磨削磨削二、機(jī)床主軸選材二、機(jī)床主軸選材性能要求性能要求 強(qiáng)度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。強(qiáng)

9、度、塑韌性，疲勞強(qiáng)度，軸頸耐磨性。普通車(chē)床（輕載）主軸普通車(chē)床（輕載）主軸 45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）主軸銑床（中載）主軸 40Cr等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。等調(diào)質(zhì)，軸頸高頻表面淬火。組合機(jī)床（重載）主軸組合機(jī)床（重載）主軸 20CrMnTi ，經(jīng)滲經(jīng)滲C、淬火、回火處理。淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸精密鏜床（高精度）主軸 38CrMoAl ，調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) + N化化 + 時(shí)效。時(shí)效。實(shí)例實(shí)例 C620 車(chē)床車(chē)床主軸主軸，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。，綜合機(jī)械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。 性能指標(biāo)性能指標(biāo) 硬度硬度

10、220250HB，軸頸軸頸52HRC 。選材選材 45鋼鋼熱處理工藝熱處理工藝 830水淬水淬 + 500回火回火 + 軸頸高頻淬火軸頸高頻淬火 + 200回火回火最終組織最終組織 心部：回火心部：回火S軸頸表面：回火軸頸表面：回火M 工藝路線工藝路線 鍛造鍛造正火正火粗加工粗加工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工表面淬火低溫回火表面淬火低溫回火磨削磨削三、內(nèi)燃機(jī)曲軸選材三、內(nèi)燃機(jī)曲軸選材性能要求性能要求 強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸耐磨性。強(qiáng)度，韌性，彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸耐磨性。選材選材 調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。調(diào)質(zhì)鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實(shí)例實(shí)例 175A型農(nóng)用型農(nóng)用柴油機(jī)曲

11、軸柴油機(jī)曲軸性能指標(biāo)性能指標(biāo) b750MPa，整體硬度整體硬度240260HBS，軸頸表面硬度軸頸表面硬度625HV (HRC55), 2%, aKU150kJ/m2。選材選材 QT700-2熱處理工藝熱處理工藝 880920正火正火 + 500600回火回火 + 軸頸軸頸 N化化最終組織最終組織 P + G + 少量少量F 工藝路線工藝路線 鑄造鑄造高溫正火高溫正火高溫回火高溫回火機(jī)加工機(jī)加工軸頸軸頸 N化化小結(jié)小結(jié)重點(diǎn)要求重點(diǎn)要求在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。一般要求一般要求 1. 1. 選材原則選材原則

12、 材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。材料的使用性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。 2. 2. 典型零件的加工工藝路線。典型零件的加工工藝路線。 3. 3. 零件失效的概念。零件失效的概念。本章是本課程的綜合及實(shí)際應(yīng)用本章是本課程的綜合及實(shí)際應(yīng)用作業(yè)作業(yè)5 5材料的選用材料的選用 week14, Nov 301. 欲做下列零件：小彈簧、高速軸承、螺釘、手鋸條、齒輪，試為其各選一材欲做下列零件：小彈簧、高速軸承、螺釘、手鋸條、齒輪，試為其各選一材料（待選材料：料（待選材料： ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10 ）。）。2. 某汽車(chē)變速箱齒輪，要求某汽車(chē)變速箱齒輪，要求b1080MPa

13、，aKU255J，齒面硬度齒面硬度HRC58 ，試選一試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。3. 某某連桿螺栓連桿螺栓，要求，要求b950MPa , s700MPa，aKU2 45J ，試選一材料，制定試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。最終熱處理工藝，指出最終組織。（第（第2、3題的待選材料：題的待選材料： H70 、 20CrMnTi 、 T10 、 GCr15 、 60Si2Mn 、45 、Q390 、 2Cr13 、 LC4 、40Cr 、 Cr12MoV ）滲滲C鋼鋼的牌號(hào)（摘自的牌號(hào)（摘自GB/T3077-1999）（滲滲C

14、 C: 930，回火：回火：200 ）p172主主 要要 化化 學(xué)學(xué) 成成 分分, %預(yù)備處理預(yù)備處理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00 880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30 850 油油880 870 油油鋼號(hào)鋼號(hào)20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.25

15、1.653.253.75950 850空空 880 780油油機(jī)械性能機(jī)械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863backback調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)（摘自的牌號(hào)（摘自GB/T30771999） p174淬淬透透性性鋼號(hào)鋼號(hào)主主 要要 成成 分分, , %淬火淬火回火回火CMnSiCr低低450.420.500.500.800.170.37830840水水580640空空40Cr0.370.450.500.80Cr 0.81.10850油油500 水，油水，油中中高高35CrMo0.320.400.40

16、0.70Cr 0.81.10850油油550 水，油水，油38CrMoAlA0.350.42Al 0.71.1Cr 1.351.65940水，油水，油640水，油水，油40CrMnMo0.370.450.901.20Cr 0.91.20850油油600 水，油水，油機(jī)械性能機(jī)械性能 bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.370.441.101.400.200.40850油油500 水，油水，油9807854798078547980835639808357198078563backback調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼回火時(shí)性能的變化回火時(shí)性能的變化 p130backbackC620 車(chē)床主軸車(chē)

17、床主軸 p336backback球墨鑄鐵球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能的牌號(hào)、性能p211牌號(hào)牌號(hào)基體基體機(jī)械性能機(jī)械性能 bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HB QT400-17F F40025017600179 QT420-10F42042027010300207QT500-5F+P5003505147-241QT600-2P6004202 160160229-302QT700-2P7004902 160160229-302QT800-2P8005602 160160241-321 QT1200-1下下B B12008401300 38HRC熱處理熱處理 p213backback175A型農(nóng)用柴

18、油機(jī)型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸曲軸 p339backback作業(yè)作業(yè)3 3c c 3.4 有色金屬及其合金有色金屬及其合金參考答案參考答案1.1.說(shuō)出下列材料常用的強(qiáng)化方法：說(shuō)出下列材料常用的強(qiáng)化方法：H70；45鋼；鋼；HT350；LY12 ；ZL102 。答：答：H70 冷變形強(qiáng)化（加工硬化）冷變形強(qiáng)化（加工硬化）45鋼鋼 固溶強(qiáng)化（淬火）固溶強(qiáng)化（淬火）HT350 變質(zhì)（孕育）處理變質(zhì)（孕育）處理LY12 時(shí)效強(qiáng)化時(shí)效強(qiáng)化ZL102 變質(zhì)處理變質(zhì)處理2.2.指出下列材料牌號(hào)或代號(hào)的含義：指出下列材料牌號(hào)或代號(hào)的含義： H59；ZQSn10；QBe2；ZChSnSb11-6；LF21；LC4；ZL102 。答：答：H59 含含59%Cu的普通黃銅的普通黃銅ZQSn10 含含10%Sn的鑄造的鑄造Sn青銅青銅QBe2 含含2%Be的的Be青銅青銅ZChSnSb11-6 含含11%Sb