机械零件选材原则,一、机械零件正确选材的使用性能原则 使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。,使用性能原则,二、零件使用时的工作条件 （1）受力状况 主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。 （2）环境状况 主要是温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求 如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。,三、零件根据使用性能选材的步骤 第一步:通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求； 第二步:利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标； 第三步:根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布； 第四步:由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值； 第五步:利用手册根据使用性能选材。,常用零件的工作和失效形式,由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况： 材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。 材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。,工艺性能原则,材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。,1. 性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。 2. 性能要求较高的金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工零件。 3. 性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理或氮化精加工稳定化处理零件。 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。,经济性原则,一、材料的价格 零件材料的价格无疑应该尽量低。 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。 二、零件的总成本 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。 三、国家的资源 随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,典型工件的选材及工艺路线设计,主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件(齿轮、轴类零件、弹簧和刃具)的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。,一、 齿轮选材 1.齿轮的工作条件 (1) 由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力； (2) 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷； (3) 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。 2.齿轮的失效形式 (1) 疲劳断裂 主要从根部发生； (2) 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；,疲劳断裂,齿面磨损,(3) 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)； (4) 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。,齿面剥落,轮齿冲击断裂,3 齿轮材料的性能要求 (1) 高的弯曲疲劳强度； (2) 高的接触疲劳强度和耐磨性； (3) 较高的强度和冲击韧性。 此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,4 齿轮类零件的选材 齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。 从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的材料。,5 典型齿轮选材举例 一、机床齿轮,机床变速箱齿轮,机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。因此，一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。,工艺路线为： 下料-锻造-正火-粗加工-调质-精加工-高频淬火及低温回火-精磨。,冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外, 有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮, 工作时传动平稳, 噪声减少, 长期使用磨损很小。,二、汽车齿轮,汽车后桥齿轮,渗碳齿轮的工艺路线为： 下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬火及低温回火-喷丸-磨削加工。,汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。,二、轴类零件选材 1 轴类零件的工作条件 (1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用； (2) 轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损； (3) 轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷； (4) 多数轴会承受一定的过载载荷。,2 轴类零件的失效方式 (1)长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）； (2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂； (3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。,转轴弯曲疲劳断口形貌,直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损,3 轴类零件的性能要求 (1) 良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性, 以防过载断裂、冲击断裂； (2) 高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂； (3) 足够淬透性, 热处理后表面要有高硬度、高耐磨性, 以防磨损失效； (4) 良好切削加工性能, 价格便宜。,4 轴类零件材料及选材方法 一、材料 经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。 二、选择原则 根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。,5 典型轴的选材 一、机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。,C620车床主轴简图,主轴用45钢制造。, 做一做：制定工艺路线 载荷较大的主轴用40Cr钢制造。 承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）制造。,其它机床主轴选材 二、内燃机曲轴选材 1. 曲轴的工作条件、性能要求、材料 （1）工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。 （2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。,（3）曲轴材料 锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等； 铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。,2. 175A型农用柴油机曲轴选材,175A型柴油机曲轴简图,（1）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求b750 MPa, 整体硬度240 HBS260 HBS, 轴颈表面硬度625 HV, 2%, ak150 kJ/m2。 （2）曲轴材料 QT700-2 （3）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。 汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后, 在轴颈部位进行表面淬火。,三、 弹簧选材 弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。 弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。,(a) 压缩螺旋弹簧,(b) 拉伸螺旋弹簧,(c) 扭转螺旋弹簧,(d) 板弹簧,(e) 片弹簧,弹簧有下列用途： (1) 缓冲或减振 如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。 (2) 定位 如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。 (3) 复原 外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。 (4) 储存和释放能量 如钟表、玩具中的发条。 (5) 测力 如弹簧称、测力计中使用的弹簧。,1 弹簧的工作条件 (1) 弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。 (2) 缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。 (3) 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。,2 弹簧的失效形式 (1) 塑性变形 在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。 (2) 疲劳断裂 在交变应力作用下，弹簧表面缺陷(裂纹、折迭、刻痕、夹杂物)处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。 (3) 快速脆性断裂 某些弹簧存在材料缺陷(如粗大夹杂物，过多脆性相)、加工缺陷(如折迭、划痕)、热处理缺陷(淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够)等，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。 (4) 腐蚀断裂及永久变形 在腐蚀性介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。,3 弹簧材料的性能要求 (1) 高的弹性极限e和高的屈强比s/b 弹簧工作时不允许有永久变形，因此要求弹簧的工作应力不超过材料的弹性极限。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。对于承受重载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材料需要高的弹性极限。 当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗拉强度相差很小，但屈强比差别较大。65钢为0.7，60Si2Mn钢为0.75、50CrVA钢为0.9。屈强比高，弹簧可承受更高的应力。,(2) 高的疲劳强度 弯曲疲劳强度-1和扭转疲劳强度-1越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。 (3) 好的材质和表面质量 夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。 (4) 某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性 保证在腐蚀性介质