第6章工程设计制造中材料选择

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1、第6章工程设计制造中的材料选择6.1零件的失效与失效类型6.2零件设计中的材料选择6.3零件制造加工过程中的热处理选择和安排6.4热处理结构工艺性与零件变形开裂倾向第6章工程设计制造中的材料选择1.建立失效和失效分析的基本概念2.熟悉机械零件选材的一般原则掌握典型零件的选材、热处理方法及技术要求确定、加工工艺路线分析本章重点第6章工程设计制造中的材料选择6.1零件的失效与失效类型1、概念：指零件在使用过程中，由于某种原因不能工作或虽能继续工作但已失去应有功能的现象，称为该零件失效。2、失效形式：三种（1）过量

2、变形失效；（2）断裂失效；（3）表面损伤失效。3、失效原因（1）设计方面；（2）选材方面；（3）加工工艺是否合理；（4）安装如何；（5）操作规程。1、选材原则1）使用性能原则：从零件工作环境、工作条件，考虑材料的力学性能、物理性能、化学性能，满足使用要求。6.2零件设计中的材料选择2）工艺性原则（1）铸造性能；流动性、收缩性来衡量。铸铁中，灰铸铁好。（2）锻造性能；塑性变形抗力衡量。低碳钢性能优于高碳钢。（3）焊接性；铝、铜合金焊接性差，铸铁基本不能焊，钢材可焊。（4）切削加工性；硬度是否在170HBS—23

3、0HBS内，高速钢、耐热钢差。（5）热处理工艺；淬透性，淬火是否变形、开裂。合金钢好于碳钢。一定按工艺要求操作，如加热温度高或低的问题。3）经济性原则考虑材料的价格、成本。如：材料本身价格，碳钢低于合金钢低于有色金属；加工费用——设备简单、工序少、少切削加工，提高经济效益。在大量生产中，设备寿命、加工质量等，合金钢比碳钢更经济。2、选材方法1）以综合力学性能为主时的选材如：结构零件：轴、杆、套类，承受动、静载荷作用。选：中碳钢，中碳合金钢——调质处理。2）以疲劳强度为主时选材如：曲轴，齿轮，弹簧，滚动轴承等承

4、受交变载荷。通过热处理工艺提高性能；合理的零件结构；正确加工方法；减少应力集中。选中碳钢——调质或淬火+中温回火；高碳钢——淬火+低温回火；3）以磨损为主时的选材两种情况（1）磨损较大，受力较小——选高碳钢或高合金钢——淬火+低回。（2）磨损同时受较大冲击力作用——选低碳钢或低碳合金钢——渗碳、淬火+低回。一般称“外硬而里韧”；如冷冲模，锯；汽车变速齿轮。3、选材步骤1)分析零件工作条件，提出关键性能要求；2)同类产品的用材情况比较，进行调查研究；3)确定零件应具有的力学性能指标；4)初步选出所用材料的牌号，

5、确定热处理方法，进行强化。5)对关键性零件投产前应先在实验室试验，是否达到各项指标；必要时，还进行破坏性试验，检验材料性能。轴类零件1）工作条件：（1）承受载荷传递动力——综合力学性能好。（2）交变弯曲应力，扭转应力——疲劳强度高。（3）冲击、震动（有时过载）——足够的韧性。（4）高速旋转、较大摩擦—较高硬度、耐磨性，刚度好。2）选材方法：P1814、典型零件的选材齿轮1）工作条件（1）整体受冲击力；（2）齿面受接触压力；（3）齿根弯曲力；（4）表面磨损。2）工作要求（1）表面有足够的硬度、耐磨性；（2）心部

6、有足够的强度、韧性；（3）弯曲疲劳强度要高。3、选材方法：见P182-184（1）低速、轻载荷齿轮——如机床中不重要的齿轮。选：中碳钢45钢或40Cr钢——正火处理；低速中等、较大载荷，选：45或40Cr——调质处理。重载：选45、40Cr——调质—高频表面淬火处理。（2）中速：圆周速度6~10m/s一般载荷下：选45钢、40Cr——调质、高频表面淬火处理。比如：一般机床中的变速齿轮等。重载荷下：选20Cr、20CrMnTi经渗碳、淬火处理。比如：拖拉机驱动齿轮等。（3）高速、重载荷、较大冲击：选低碳合金钢；

7、如：20CrMnTi;20Mn2B——渗碳、淬火+低回。比如汽车、拖拉机变速齿轮、后桥齿轮；精密机床中的传动齿轮等。另：低速、轻载大齿轮——选灰铸铁或球墨铸铁。无润滑条件下工作，同时受力不大——选工程塑料；尼龙；聚碳酸脂。要求耐磨、速度又小（如手表、仪表齿轮）——不锈钢、青铜合金件。举例：普通车床C6140型的变速箱齿轮；工作条件：承受载荷不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击。性能要求：齿面：50HRC~53HRC；心部：220HBS~245HBS；要求（1）选何种材料；（2）写出加工工艺路线；（3）说明各

8、热处理工艺的作用。解：1、根据已知条件，选45钢；（因价格较低，而不选40Cr）2、工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗加工→调质→精加工→齿面表面淬火→精磨3、热处理工序作用：正火——细化晶粒，调整硬度，消除应力。调质——提高综合力学性能，硬度达到心部硬度要求。表面淬火——采用高频淬火+低回，提高齿面硬度，要求。箱体类零件1）工作条件：支承、封闭作用——足够的抗压强度和刚度，良好的减振性。2）选材方