工程材料第8章

第8章工程材料的选用8.18.28.3零件的失效分析典型零件的选材选材的原则、方法和步骤第8章工程材料的选用学习目的本章重点内容通过本章学习，掌握工程材料的选择方法，熟悉典型零件的的材料和加工工艺的选择方法。1.熟悉齿轮类零件的工作条件及性能要求，掌握其材料和加工工艺的选择方法。2.熟悉轴类零件的工作条件及性能要求，掌握其材料和加工工艺的选择方法。3.了解箱座类零件的选材方法。8.1.18.1零件的失效分析8.1.1失效的概念第8章失效的概念零件的失效分析8.11机械零件丧失正常的工作能力称为失效。具体表现为：①完全破坏不能工作；②虽然能工作但达不到预定的功能或不能保证工作精度；③损坏不严重但继续工作不安全。上述情况中任何一种发生，都认为零件已失效。例如，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失去精度等均属于失效。8.1.28.1.2零件的失效形式第8章零件的失效形式21.过量变形失效过量变形失效是指零件变形量超过允许范围而造成的失效。过量变形失效主要有过量弹性变形、过量塑性变形、蠕变变形而造成的失效。2.断裂失效断裂失效是指零件完全断裂而无法工作的失效。断裂形式主要有塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂等。3.表面损伤失效零件在工作中，因机械或化学作用，使其表面损伤而造成的失效。表面损伤失效主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效(疲劳点蚀)。8.1.38.1.3零件失效的原因第8章零件失效的原因31.设计因素零件的结构、形状和尺寸设计不合理，存在尖角、尖锐缺口和过小的过渡圆角等缺陷。2.材料因素材料的成分与设计要求不符，选用的材料质量差，内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良组织等各种冶金缺陷，使得零件达不到应有的性能指标；混料或错料。3.加工工艺因素零件在加工过程中，工艺方法、工艺参数不正确等。如零件在机械加工过程中，表面粗糙度值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较高的残余应力或裂纹；铸件中有气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造温度过高产生的过热、过烧，温度过低因材料塑性下降而产生的开裂；钢中含硫量过多，出现的热脆；锻造流线分布不合理等都会造成零件的失效。4.安装使用因素机器在装配和安装过程中，由于装配过紧、过松，在使用过程中，操作、维护、保养不当或违规使用。8.1.3零件失效的原因第8章48.2.18.2选材的原则、方法和步骤8.2.1选材的原则第8章选材的原则选材的原则、方法和步骤8.251.充分考虑材料的使用性在进行零件选材时，应根据零件的工作条件和失效形式确定材料应具有的主要性能指标。零件的工作条件主要指：(1)受力情况：包括受力形式(拉伸、压缩、弯曲、扭转等)、载荷性质(静载、循环变载、冲击、载荷分布等)、受摩擦情况等；(2)工作环境：如工作温度、环境介质的性质，是否有腐蚀性等；8.2.1选材的原则第8章6(3)特殊性能要求：如导电、导热、密度、外观、色泽等。2.必须兼顾材料的工艺性工艺性是指材料能否保证顺利地加工制造成零件。3.注重材料的经济性经济性：加工成零件后价格便宜，成本低廉。零件的总成本包括材料本身价格、加工费、管理费、运输费和安装费等。碳钢、铸铁价格较低，加工方便，在满足使用性能前提下，应优先选用。低合金高强度结构钢价格低于合金钢，有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高，应尽量少用。生产中，应尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削加工等措施，以降低加工费用。8.2.28.2.2选材的方法和步骤第8章选材的方法和步骤71.选材的方法(1)以综合力学性能为主时的选材承受冲击力和循环载荷的零件，如连杆、锤杆、锻模等，其性能要求主要是综合力学性能要好，根据零件的受力和尺寸大小，常选用中碳钢或中碳合金钢，并进行调质或正火处理。(2)以疲劳强度为主时的选材疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是由疲劳破坏引起的。这类零件的选材，应主要考虑疲劳强度。8.2.2选材的方法和步骤第8章8(3)以磨损为主时的选材①磨损较大，受力较小的零件和各种量具，如钻套、顶尖等，可选用高碳钢或高碳合金钢进行淬火和低温回火；②受磨损和交变应力的零件，应选用能进行表面淬火或渗碳、渗氮等的钢材。例如机床中重要的齿轮和主轴，应选用中碳钢或中碳合金钢，经正火或调质后再进行表面淬火，获得较好的综合力学性能；③对于承受大冲击力和要求耐磨性高的汽车、拖拉机变速齿轮，应选用低碳钢经渗碳后淬火、低温回火；④要求硬度、耐磨性更高以及热处理变形小的精密零件，如高精度磨床主轴及镗床主轴等，常选用氮化用钢进行渗氮处理。8.2.2选材的方法和步骤第8章92.选材的步骤(1)分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求(使用性能和工艺性能)。(2)对同类零件情况进行调查研究，从使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考；(3)通过力学计算或试验等方法，确定零件应具有的力学性能指标或理化性能指标；(4)合理选择材料；(5)确定热处理方法或其他强化方法；(6)审核所选材料的经济性；(7)零件投产前应对所选材料进行试验，以验证所选材料与热处理方法能否达到各项性能指标要求，当试验结果基本满意后，可小批投产。8.3.18.3典型零件的选材8.3.1齿轮类零件的选材第8章齿轮类零件的选材典型零件的选材8.3101.齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求(1)齿轮的工作条件主要用于传递动力和运动，改变速度和方向。由于传递扭矩，齿轮的根部受交变弯曲应力；齿面相互接触产生相对滚动与滑动，承受大的接触应力并产生强烈的摩擦；在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷；加工、安装不当或齿轮轴变形等引起齿面接触不良；外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入使工作条件恶化。因此，齿轮的工作条件和受力情况是较复杂的。8.3.1齿轮类零件的选材第8章11(2)齿轮的主要失效形式齿轮主要失效形式是：断齿、齿面剥落、磨损及过量塑性变形等。(3)齿轮对材料性能的要求根据齿轮的受力情况和失效形式，要求制造齿轮的材料应具备：①良好的切削加工性能和热处理性能；②高的接触疲劳强度；③高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；④高的齿面硬度和耐磨性；⑤适当的心部强度和足够的韧性；⑥淬火变形小及组织内部缺陷在允许的范围内等。(1)低、中碳钢或低、中碳合金钢机床、汽车、航空齿轮的选材常选用低、中碳钢或低、中碳合金钢并对轮齿表面进行强化处理。2.齿轮类零件常用材料及选用齿轮的选材主要依据工作条件(如圆周速度、载荷性质与大小以及精度要求等)来确定。8.3.1齿轮类零件的选材第8章12(2)非铁金属及非金属材料承受载荷较轻，速度较小的齿轮，还常选用非铁金属材料，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等；(3)铸铁材料对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿轮，常采用灰铸铁并适当热处理；对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。8.3.1齿轮类零件的选材第8章13一些尺寸较大、形状复杂、不易锻造、用铸铁又满足不了性能要求的齿轮可采用铸钢制作。随着高分子材料性能的不断完善，工程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。8.3.1齿轮类零件的选材第8章143.应用举例图8-1汽车变速箱齿轮8.3.1齿轮类零件的选材第8章15(1)工作条件及性能要求使用中齿轮受一定冲击，负载较重，轮齿表面要求耐磨.为防止在冲击力的作用下轮齿折断，要求齿轮心部有高的强度和韧性。其热处理技术条件是：轮齿表层碳的质量分数wC＝0.80%～1.05%，齿面硬度为58～63HRC，齿心部硬度为33～45HRC，心部强度≥1000MPa，≥440MPa，aK≥95J·cmb1-2(2)材料选择45，40Cr：表面硬度只能达50～56HRC38CrMoAl：氮化钢，氮化层较薄，适合应用于转速高，压力小，不受冲击20Cr：淬透性低，易过热，淬火变形开裂倾向较大合金渗碳钢20CrMnTi经渗碳热处理后，齿面可获得高硬度(58～63HRC)，高耐磨性，并且该钢含有Cr、Mn元素，具有较高的淬透性，油淬后可保证轮齿心部获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，同时含有Ti，不易过热，渗碳后仍保持细晶粒，可直接淬火，变形较小。8.3.1齿轮类零件的选材第8章168.3.1齿轮类零件的选材第8章17(3)加工工艺路线下料→齿坯锻造→正火(950～970℃空冷)→机加工→渗碳(920～950℃渗碳6～8h)→预冷淬火(预冷至870～880℃油冷)→低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。另外，20CrMnTi钢的渗碳速度较快，表面碳的质量分数适中，过渡层平缓，渗碳处理后，具有较高的疲劳强度，故可满足使用要求。因此该载货汽车变速箱齿轮选用20CrMnTi钢制造比较适宜。(4)热处理工序的作用①正火均匀组织、细化晶粒、为以后的热处理作组织准备；消除锻造应力，调整硬度，改善切削加工性。②渗碳提高轮齿表层碳的质量分数，保证渗碳层深度。③淬火、低温回火淬火是使齿面达到所要求的高硬度和高耐磨性，而心部具有较高的强度和足够的韧性；低温回火是为了消除淬火应力及减少脆性。喷丸可增大渗层表面的压应力，提高疲劳强度，消除氧化皮。8.3.1齿轮类零件的选材第8章188.3.28.3.2轴类零件的选材第8章轴类零件的选材191.轴类零件工作条件、失效形式及性能要求(1)工作条件轴主要用于支承传动零件、传递运动和动力。主要受弯曲和扭转应力的复合作用，有时也承受拉压应力；轴与轴上零件间存在摩擦和磨损；轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷。(2)失效方式疲劳断裂(包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂)、过量变形、断裂以及轴颈及花键表面的过量磨损。8.3.2轴类零件的选材第8章20(3)性能要求良好的综合力学性能，高的疲劳强度，足够的刚度，表面高硬度、高耐磨性，(特殊性能要求——抗蠕变性能要好，耐蚀性好等)。2.轴类零件常用材料及选用(1)主要承受弯曲、扭转的轴如机床主轴、曲轴、汽轮机主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等。这类轴在载荷作用下，应力在轴的截面上分布是不均匀的，表面部位的应力值最大，愈往中心应力愈小，至心部达到最小。故不需要选用淬透性很高的材料，一般只需淬透轴半径的1/2～1/3即可。8.3.2轴类零件的选材第8章21(2)同时承受弯曲、扭转及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，整个截面上应力分布基本均匀，应选用淬透性较高的材料，常选用30CrMnSi钢、40MnB钢、40CrNiMo钢等。调质处理+高频感应加热淬火、低温回火。故常选45钢、40Cr钢、40MnB钢和45Mn2钢等，调质处理+轴颈处高、中频感应加热淬火及低温回火。(3)主要要求刚性好的轴，可选用优质碳素结构钢(如20钢、35钢、45钢)经正火后使用。若还有一定耐磨性要求时，则选用45钢，正火后在轴颈处进行高频感应加热淬火、低温回火。对于受载较小或不太重要的轴，也常用Q235或Q275等碳素结构钢。8.3.2轴类零件的选材第8章22(4)要求轴颈耐磨的轴，常选中碳钢高频淬火。(5)承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的形状复杂的轴，如汽车、拖拉机的变速轴等，可选低碳合金钢(18Cr2NiWA、20Cr、20CrMnTi等)，经渗碳、淬火、低温回火处理。(6)要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，且在热处理时变形量小，长期使用过程中尺寸稳定，如高精度磨床主轴，应选用渗氮钢38CrMoAlA，进行氮化处理。8.3.2轴类零件的选材第8章233.应用举例图8-2车床主轴8.3.2轴类零件的选材第8章24(1)工作条件及性能要求该轴在工作中主要承受扭转力和弯曲力的作用，且整个截面上受力不均，表面应力大、心部应力小，冲击力较小，运转较平稳；主轴大端内锥孔、外圆锥面工作时需经常与顶尖、卡盘有相对摩擦；花键部位与齿轮有相对滑动或碰撞。性能要求:整体要求具有良好的综合力学性能，硬度为220~250HBS；锥孔与外圆锥面