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1、工程材料及机械制造基础 讨论 材料的性能由什么决定 强化材料的方法有哪些 一般的车床主轴可用什么材料 第13章材料的选用 概述 13 1 机械零件的选材 13 2 众所周知 机器零件的正确选材与合理用材是广大工程技术人员的基本任务之一 也是本课程教学的主要目的 因此本章被列为本课程的重点 本章学习重点有 掌握材料合理选用的基本原则和方法 明确机械零件失效的基本形式 了解有关失效分析的一般步骤与方法 熟悉齿轮和轴这两类典型零件的选材分析 包括工作条件 常见失效形式 其性能要求等 初步做到能正确 合理地选用材料 安排其大致加工工艺路线 制定其相应的热处理工艺 判断其所得组织等 13 1概述 一 选
2、材的一般原则1 使用性原则满足机械性能和物理 化学性能的要求2 工艺性原则适应各种冷 热加工要求的能力3 经济性原则保证使用性能要求及加工质量的前提下 a 材料价格b 材料加工费用c 使用寿命 维修等附加费用 13 2机械零件的选材 二 材料的使用性能 1 根据零件的服役条件和可能的失效或形式 给出选材的主要性能 机械性能物理性能 指标 以保证零件的使用性能 常用零件的服役条件 失效形式及主要性能指标 自学 13 2机械零件的选材 三 材料的工艺性能材料工艺性能即加工成零件的难易程度 金属材料加工方法有铸造 压力加工 焊接 切削加工及热处理 从工艺性考虑 铸件 最好选择共晶合金 锻件 冲压件
3、最好选择固溶体合金 低碳铜和低合金钢锻造性能好 高碳钢较差 高合金钢很差 焊接结构 选择低碳钢或低合金钢 不应选铸铁 铜合金及铝合金的焊接性能均不好 切削加工 是材料被切削的难易程度 希望钢铁材料的硬度控制在170 230HBS 热处理工艺性 碳钢的淬透性差 加热易过热而晶粒长大 淬火是容易变形与开裂 制造高强度及大截面 形状复杂的零件 需选用合金钢 13 2机械零件的选材 1 机床类齿轮由于工作条件较好 无强烈冲击 工作平稳 大多可选调质钢 等 制造 经调质 或正火 处理十高频淬火 低温回火 这是一般规律 特例 当高速且承受冲击载荷较大时 如立式车床上的重要齿轮 宜选20CrMnTi 20
4、r 等渗碳钢制造 经渗碳十淬火十低温回火处理 四 典型零件的选材及热处理 13 2机械零件的选材 2 对于汽车 拖拉机的变速齿轮 由于承载较重 受冲击频繁 其耐磨性 疲劳强度 心部强度以及冲击韧度等 均要求比机床齿轮高 故一般均采用渗碳钢制造 经渗碳 淬火 低温回火处理 表层碳含量大大提高 保证淬火后高硬度 高耐磨性和高的接触疲劳抗力 由于合金元素提高淬透性 所以经淬 回火后可使工件心部获得较高的强度和足够的冲击韧度 但其中对于如汽车 拖拉机的油泵齿轮等承载轻 受冲击小的场合 亦可选调质钢经调质处理使用 这是特例 13 2机械零件的选材 3 根据轴类零件 机床主轴 曲轴等 的工作条件 用材及热
5、处理情况 同时兼顾轴类零件的强度和韧性 考虑其疲劳抗力 一般选用调质钢制造 采用调质 局部表面淬火 低温回火处理 特例 当承受重载 高速 且承受冲击载荷较大时可选用渗碳钢 如20CrMnTi等 经渗碳 淬火 低温回火处理 13 2机械零件的选材 近年来在国内 外使用球墨铸铁代钢作汽车 拖拉机与农用柴油机曲轴的愈来愈多 第二代解放牌汽车 130汽车 东风及东风 型内燃机车的曲轴均使用球墨铸铁 或合金球墨铸铁 制造 虽然球墨铸铁的塑 韧性远低于锻钢 但在一般发动机中当对塑韧性要求并不太高 而且球墨铸铁的缺口敏感性小 实际球墨铸铁的疲劳强度并不明显低于锻钢 而且可通过表面强化 如滚压 喷丸等 处理大
6、大提高其疲劳强度 其效果优于锻钢 因而在性能上完全可代替调质碳钢 13 2机械零件的选材 例题11 1 1 C618机床变速箱齿轮 该齿轮尺寸不大 其厚度为15mm 工作时转速较高 性能要求如下 齿的表面硬度50 56HRC 齿心部硬度22 25HRC 整体强度 b 760 800MPa 整体韧性 K 40 60J cm2 请从下列材料中进行合理选用 并制订其工艺流程 35 45 T12 20CrMnTi 38CrMoAl 0Cr18Ni9Ti W18Cr4V 13 2机械零件的选材 1 分析 普通车床中的变速箱齿轮 是主传动系统中传递动力的齿轮 因此 要求有一定的强度和轮齿的心部硬度及韧性
7、这种齿轮在工作中转速较高 齿表面要求有较高的硬度以保证耐磨性 但同汽车 拖拉机变速齿轮相比 一般机床齿轮工作时相对比较平稳 承受冲击负荷很小 传递的动力也不很大 所以上述要求都不是太高 例如齿表面硬度只要求 显然 不需要采用化学热处理 如渗碳 整体的强度 韧性由调质可以达到 因此 选用淬透性适当的调质钢经调质处理后 再经高频表面淬火和低温回火即可达到要求 这种齿轮的尺寸不大 尤其是厚度甚小 15 可选用优质碳素结构钢 水淬即可使截面大部分淬透 回火后基本上能满足性能要求 因此 从所给钢种中选择 钢制造合适 13 2机械零件的选材 2 解答选用45钢制造 较为合适 其加工工艺路线为 下料 锻造
8、正火 840 860 空冷 机加工 调质 840 860 水淬 500 550 回火 精加工 高频表面淬火 880 900 水冷 低温回火 200 回火 精磨 13 2机械零件的选材 3 常见错误剖析选用20 I或 l钢制造 错在此种选材法不符合经济性原则 即大材小用 4 更正措施遵循选材的三项基本原则 应选用45钢较为合适 13 2机械零件的选材 有一载重汽车变速箱齿轮 使用中受一定冲击 负载较重 齿表面要求耐磨 硬度为58 63HRC 齿心部硬度33 45HRC 其余力学性能要求为 b 1000Mpa 1 440Mpa aK 95J cm2 试从 例题7 1 所给材料中选择制造该齿轮的合适
9、钢种 制订工艺流程 分析每步热处理的目的及其组织 例题11 2 13 2机械零件的选材 1 分析由题意可知 此载重汽车变速箱齿轮在工作时负荷较重 每个齿受交变弯矩的作用 因此要有高的强度和高的疲劳强度 齿轮还受到较大的冲击 故要求有高的冲击韧度 齿表面为防止磨损 要求具有高硬度和高耐磨性 HRC 每个齿除受较大的弯矩外 齿表面还承受较大的压力 因此不仅要求齿表面硬度高 耐磨 还要求齿的心部具有一定的强度和硬度 5HRC 根据以上分析 可知该汽车齿轮的工作条件比机床齿轮要求苛刻 因此在耐磨性 疲劳强度 心部强度和冲击韧度等方面的要求均比机床齿轮要高 从例题7 所列钢种中 调质钢 钢不能满足使用要
10、求 表面硬度只能达50 56HRC 13 2机械零件的选材 l为氮化钢 氮化层较薄 适合应用于转速快 压力小 不受冲击的使用条件 故其不适合做此汽车齿轮 渗碳钢 经渗碳热处理后 齿表面可获得高硬度 HRC 高耐磨性 由于该钢淬透性好 齿心部可获得强韧结合的组织 具有较高的冲击韧度 故可满足使用要求 因此该载重汽车变速箱齿轮选用 钢制造 13 2机械零件的选材 2 解答制造该齿轮的适宜钢种为20CrMnTi 其加工工艺路线为 下料 锻造 正火 950 970 空冷 机加工 渗碳 920 950 渗碳6 8小时 预冷淬火 预冷至 油冷 低温回火 喷丸 磨齿 其中每一步热处理的目的及相应组织为 正火
11、 细化 均匀组织 改善锻造后组织 提高其切削加工性 经正火后的组织为 S 渗碳 表面获得高碳 保证经淬火后得到高硬度 高耐磨性 渗碳温度下对应的组织为 K 13 2机械零件的选材 预冷淬火 齿表面获得高硬度 高耐磨性 其对应的组织为高碳 碳化物 残余A 齿心部强 韧结合 对应的组织为低碳 F T 再经低温回火后 减少淬火应力 稳定组织 其相应组织为 表面M回 K AR 心部M回 F T 13 2机械零件的选材 3 常见错误剖析不会根据已知条件来分析 判断 仍选用调质钢如45 38CrMoAl钢 4 更正措施应学会根据已知条件分析问题的思考方法 如本例中可对比渗碳钢与调质钢的特征 见分析 就不难做出正确判断 13 2机械零件的选材 ThankYou
