第九章 典型零件的选材及工程材料的应用

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1、第十二章机械设计与选材选材的动机首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代；零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。一、过量变形失效1.过量弹性变形失效2.过量塑性变形失效3.蠕变变形失效零件的失效形式零件的失效有三种形式，即过量变形、断裂和表面损伤失效。1.过量弹性变形失效零件由于产生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。例如对于受弯扭的轴类零件，其过大变形量会造成轴上啮合零件的严重偏载甚至啮合失常，进而导致传动失效。2.过量塑性变形失效零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形，过量的塑性变形会使零件的相对位

2、置发生变化，使整个机器运转不良。3.蠕变变形失效受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现象）。如锅炉、汽轮机、航空发动机及其它热机的零部件，常由于蠕变产生的塑性变形和应力松弛而失效。二、断裂失效断裂失效是机械零件的主要失效形式，根据断裂的性质和断裂的原因，可分为下列几种。（1）韧性断裂失效零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。（2）低温脆性断裂失效失效零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆

3、性断裂而失效。（3）疲劳断裂失效零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂为脆性断裂。（4）蠕变断裂失效在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。（5）环境断破失效在负载荷条件下，由于环境因素（例如腐蚀介质）的影响，往往出现低应力下的延迟断裂使零件失效。环境破断失效应包括应力腐蚀、氢脆、腐蚀、疲劳等。三、表面损伤失效磨损实效相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或产生塑变，使金属状态和尺寸改变的

4、现象。2.腐蚀失效零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学和电化学作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。3.表面疲劳失效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而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。实际上零件的失效形式往往不是单一的，随外界条件的变化，失效形式可以从一种形式转变为另一种形式。如齿轮的失效，往往先有点蚀、剥落，后出现断齿等多种形式。选材的一般原则选用材料应考虑的一般原则是：使用性原则是保证零件完成规定功能的必要条件。工艺性原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。经济性原则是选材的重要原则之

5、一，一般包括材料的价格、零件的成本与国家的资源等。典型零件的选材及工艺路线设计一、齿轮类零件的选材1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。（1）工作时的受力情况1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。（2）主要失效形式1）疲劳断裂。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。2）齿面磨损。3）齿面接触疲劳破坏。4）过载断裂。（3）齿轮用材性能要求1）高的弯曲疲劳强度2）高的接

6、触疲劳强度和耐磨性3）齿轮心部要有足够的强度和韧性2.齿轮零件的选材3.典型齿轮选材举例（1）机床齿轮（2）汽车齿轮（1）机床齿轮机床齿轮的选材及热处理机床齿轮运转平稳、负荷一般不大，工作条件较好，选用中碳钢或中碳合金钢，如选用45,40Cr等。工艺路线是：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→精磨。（2）汽车齿轮汽车、拖拉机变速箱齿轮的选材及热处理此类齿轮受力较大，高速运转且频受冲击，性能要求更高，选用合金渗碳钢，如：20CrMnTi等。工艺路线是：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳+淬火+低温回火→喷丸→精磨。二、轴类零件的

7、选材1.轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）一般轴的工作条件1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。2）轴颈承受较大的摩擦3）承受一定的冲击载荷（2）主要失效形式1）疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用2）断裂失效大载荷或冲击载荷作用3）磨损失效轴颈或花键处过度磨损（3）对轴用材料性能要求1）良好的综合力学性能2）高的疲劳强度3）良好的耐磨性2.轴类零件的选材(1)不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴(2)主要受弯曲，扭转的轴(3)同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴3.典型轴选材举例（1）机床主轴选材以C620车床主轴为例进行选材。

8、该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。但大端的轴颈、