第5章材料的选用 51选材原则 5.2典型零件的选材与工艺
5.1 选材原则 5.2 典型零件的选材与工艺 第5章 材料的选用
5.1选材原则 选材的动机—开发新产品、产品的改进和更新换代。 选材原则 使用、工艺性能 经济性 环境与资源原则
5.1 选材原则 选材的动机—— 开发新产品、产品的改进和更新换代。 选材原则 使用、工艺性能 经济性 环境与资源原则
材料的使用性能—首要原则 零件的工作条件和失效形式 零件失效类型 变形—弹、塑性变形。 断裂—脆、塑性,疲劳断裂。 表面损伤—磨损、腐蚀等。 零件失效的原困作条计、材料、加工、安装和使用。 零件 应力载荷受载 常见失效形式 性能要求 种类性质状态 螺栓拉、剪静载 过量变形,断裂 强度,塑性 传动轴弯、扭循环轴颈疲劳断裂,过量变形 冲击摩擦 轴颈磨损 综合力学性能 传动齿轮压、弯环摩擦 断齿,磨损, 表面高硬度及疲劳极限 冲击振动疲劳断裂,接触疲劳 心部强度及韧性 弹簧扭、交变 振动 弹性失稳, 弹性极限,屈强比 冲击 疲劳破坏 疲劳极限
一、材料的使用性能—— 首要原则 １. 零件的工作条件和失效形式 零件失效类型 变形 —— 弹、塑性变形。 断裂 —— 脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤—— 磨损、腐蚀等。 零件 工作条件 应力 常见失效形式 性能要求 种类 载荷 性质 受载 状态 螺栓 拉、剪 静载 -- 过量变形，断裂 强度，塑性 传动轴 弯、扭 循环 冲击 轴颈 摩擦 疲劳断裂，过量变形 ，轴颈磨损 综合力学性能 传动齿轮 压、弯 循环 冲击 摩擦 振动 断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲劳 表面高硬度及疲劳极限 ，心部强度及韧性 弹簧 扭、弯 交变 冲击 振动 弹性失稳， 疲劳破坏 弹性极限，屈强比 ，疲劳极限 零件失效的原因—— 设计、材料、加工、安装和使用
2.工作环境—温度,介质(如腐蚀,摩擦)。 3.特殊功能要求—导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 4.性能要求的指标化—如强硬度、塑韧性等的具体数值。 手册数据、经验公式的局限性—力学性能与零件尺寸有关 40钢不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条件 毛坯尺寸/m o b/ MPa8/% 800 120 850淬火 30 750 700 6 500回火 100 600 13
２. 工作环境—— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。 ３. 特殊功能要求—— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 ４. 性能要求的指标化—— 如强硬度、塑韧性等的具体数值。 手册数据、经验公式的局限性—— 力学性能与零件尺寸有关 40钢不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条件 毛坯尺寸/mm σb / MPa δ/ % AKU / J 850淬火 5 800 16 120 30 750 15 80 500回火 50 700 15 56 100 600 13 40
工艺性能—铸、锻、焊、机加工、热处理 零件的加工工艺路线 一般零件—毛坯→正火或退火→切削加工 轴、齿轮等 毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗加工 →最终热处理(淬火十回火,时效,渗C等)→精加工 精密丝杠 毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→ 时效(或N化)→精加工→时效 最终热处理 零件
二、工艺性能—— 铸、锻、焊、机加工、热处理 零件的加工工艺路线 一般零件—— 毛坯 → 正火或退火→ 切削加工 轴、齿轮等 毛坯→ 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工 → 最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工 精密丝杠 毛坯→ 预先热处理→ 粗加工 → 最终热处理→ 半精加工→ 时效（或N化）→ 精加工→ 时效
、经济性—根本原则 产品成本分析 基本材料的成本(价格、利用率)—占总成本的30-70% 制造(加球弒本—十約愙件成本的%材 元/t 加工成=只喃萱师每件产品成金刚产批量「使用成0 金 000硼一环氧树脂复合材料 LouU 2D0.000 可变成本 钛合金 1固定成本 材料 2护费300 〔生产成本) 尼龙66 维修费289 常开2440 环氧树脂 保险费 50 本 钢型 行政费 480 天然橡胶 折旧罗 430 精造成本 批发与零售费 氧化铝 1100-1760 研究与开发费 硬质合金 66000 玻璃 1500
三、经济性—— 根本原则 １. 产品成本分析 基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70% 制造（加工）成本—— 约占零件成本的30% 加工成本= 工具与设备费用+ 每件产品成本× 生产批量 材 料 美元 / t 材 料 美元 / t 铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000 金 19,100,000 硼―环氧树脂复合材料 330,000 钨 26,000 碳纤维复材料 200,000 钛合金 10,190～12,720 玻璃纤维复合材料 2400～3300 黄铜（型材） 1650～2336 尼龙66 3289 铝合金（型材） 2000～2440 环氧树脂 1650 低碳钢（型材） 440～480 天然橡胶 1430 铸铁 260 氧化铝 1100-1760 硬质合金 66,000 玻璃 1500
四、环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用 重要金属的世界储量 储量(10t)可用年数再生率(%) 环境污染小 Fe 1×106 109 31.7 废气排放少 Al 1170 16.9 材料回收及降解 Cu 308 24 40.9 123 21.2 Mo 5.4 A g 0.2 14 41.0 C 112 TI 147 51
四、环境与资源原则 —— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程 １. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。 重要金属的世界储量 ２. 环境污染小 废气排放少 材料回收及降解 储量（106 t） 可用年数 再生率(%) Fe 1×106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51
52典型零件的选材与工艺 齿轮选材 性能要求—齿面硬度(决定弯曲、接触疲劳强度,耐磨性) 强度,韧性。 选材 调质钢—调质+表面淬火+低温回火 渗C钢—硬度、韧性高 实例—载重汽车变速箱齿轮 性能指标—0>1000MPa,aku250J,齿面硬度≥HRC55 选材—20 CrMnTi,ob>1080MPa,aku2≥55J,齿面HRC≥58-63。 最终热处理工艺—930℃渗C+预冷830℃油淬+200℃回火 最终组织—心部:回火M+F齿面:回火M+碳化物+A 工艺路线—锻造→正火→机加工→渗C、淬火+低温回火→喷丸→磨削
5.2 典型零件的选材与工艺 一、齿轮选材 性能要求—— 齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性） 强度，韧性。 选材 调质钢—— 调质 + 表面淬火+ 低温回火 渗C钢—— 硬度、韧性高。 实例 —— 载重汽车变速箱齿轮 性能指标——σb>1000MPa，aKU2≥50J，齿面硬度≥HRC55。 选材 —— 20CrMnTi，σb> 1080MPa， aKU2≥ 55J，齿面HRC≥58~63 。 最终热处理工艺—— 930℃渗C + 预冷830℃油淬+ 200℃回火 最终组织—— 心部：回火M + F 齿面：回火M + 碳化物 + A' 工艺路线—— 锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削
、机床主轴选材 性能要求—强度、塑韧性,疲劳强度,轴颈耐磨性。 普通车床(轻载)主轴—45钢调质或正火,轴颈高频表面淬火。 铣床(中载)主轴—40Cr等调质,轴颈高频表面淬火 组合机床(重载)主轴—20CMni,经渗C、淬火、回火处理。 精密镗床(高精度)主轴——38 TMOA,调质+N化+时效。 实例1—C620车床主轴,综合机械性能一般;大端轴颈等部位耐磨性高。 性能指标—硬度220~250HB,轴颈52HRC。 选材—45钢 热处理工艺—830℃水淬+500℃回火+轴颈高频淬火+200℃回火 最终组织—心部:回火S轴颈表面:回火M 工艺路线—锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火+低温回火→磨削
二、机床主轴选材 性能要求—— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。 普通车床（轻载）主轴—— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。 铣床（中载）主轴—— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。 组合机床（重载）主轴—— 20CrMnTi，经渗C、淬火、回火处理。 精密镗床（高精度）主轴—— 38CrMoAl ，调质 + N化 + 时效。 实例１—— C620 车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。 性能指标—— 硬度220～250HB，轴颈52HRC。 选材 —— 45钢 热处理工艺—— 830℃水淬+ 500℃回火+ 轴颈高频淬火+ 200℃回火 最终组织—— 心部：回火S 轴颈表面：回火M 工艺路线—— 锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削
、内燃机曲轴选材 性能要求—强度,韧性,弯曲、扭转疲劳强度和刚度,轴颈耐磨性。 选材—调质钢(韧性高)、球墨铸铁 实例—175A型农用柴油机曲轴 性能指标—0>750MPa,整体硬度240~260HBS 轴颈表面硬度>625HV(HRCS5).82%,aku2150k/m2 选材—QT700-2 热处理工艺880~920℃正火+500~600℃回火+轴颈N化 最终组织—P+G+少量F 工艺路线—铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈N化
三、内燃机曲轴选材 性能要求—— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。 选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。 实例 —— 175A型农用柴油机曲轴 性能指标——σb>750MPa，整体硬度240～260HBS， 轴颈表面硬度≥625HV (HRC55), δ≥2%, aKU≥150kJ/m2 。 选材 —— QT700-2 热处理工艺—— 880~920℃正火 + 500～600℃回火+ 轴颈 N化 最终组织—— P + G + 少量F 工艺路线—— 铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈N化