选材与热处理应用幻灯片

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1、第一节 概 述,一、材料的使用性能,第九章 选材及热处理应用,金属材料的使用性能包括力学性能和物理化学性能。,使用性原则：材料制成零件后，能否保证其使用性能要求 分析零件工作条件，提出使用性能要求工作条件：零件的功用，受力性质和大小，运动形式和速度，温度和 介质等环境状况，电、磁、热等特殊状况，若材料性能不能满 足零件的工作条件，零件就不能正常工作或早期失效。使用性能：材料的力学性能，其性能参数与零件尺寸参数、形状相配 合，即构成零件的承载能力。,1、充分考虑尺寸效应对力学性能的影响。 截面尺寸越大，尺寸效应越明显，尺寸效应不仅与材料内部的冶金 缺陷有关，还与钢材的淬透性有关。2、综合考虑材料

2、强度、塑性、韧性的合理配合。 强度设计一般以s 为依据。提高强度指标可以减轻机器的自重， 延长使用寿命，但会使塑性和韧性降低，选材时应综合考虑。 塑性的主要作用是避免应力集中，增强零件的抗过载能力，提高零 件的安全性，一般凭经验估算。 韧性值一般不直接用于设计计算，只有在承受大能量动载荷作用， 且零件局部应力集中时，才给予考虑。3、合理选用硬度值。 一般情况下，零件图上只标出所要求的硬度值，来综合体现零件所要 求的全部力学性能。,选材时，必须注意以下几个问题,二、材料的工艺性能,铸造性能、压力加工性、切削加工性、焊接性、热处理工艺性,材料的工艺性能是指材料本身适应某种加工的能力，包括：,1、铸

3、造性能：常用流动性、收缩等来综合评定。 有色金属的铸造性能优于黑色金属。 铸铁优于铸钢。 综合考虑，灰铸铁的铸造性能最好。 同一种材料中，成分靠近共晶点的合金铸造性能最好。,2）压力加工性：常用塑性和变形抗力来综合评定。 塑性好，则易成形，加工面质量好，不易产生裂纹。 变形抗力小，金属易于充满模膛，不易产生缺陷。 碳钢比合金钢的锻造性能好，低碳钢优于高碳钢。,4、焊接性能： 一般由焊接处出现裂纹、脆性、气孔及其他缺陷的倾向来衡量。 通常分为良好、一般、较差和低劣四个等级。 低碳钢、低合金高强度结构钢的焊接性能好。,5、热处理工艺性能： 常用淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、氧化脱碳的倾向来评定。

4、碳钢的淬透性差，加热时易过热，淬火时易变形开裂。 合金钢的淬透性优于碳钢。,一般由最高切削速度、切削力大小、加工面的粗糙度值、断屑难易程度和刀具磨损来综合评断定。 材料硬度值在170230HBS范围内，切削加工性好。,3、切削加工性：,三、材料的经济性,材料的经济性是在满足力学性能要求的条件下首先选用价格便宜的材料。,3、对于某些重要、精密、加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具， 选材时不能单纯考虑材料本身价格，而应注意制件质量和使用寿命,1、在满足使用性原则和工艺性原则前提下，应尽量降低零件的总成本。 零件的成本：材料的价格、加工费、管理费、运输费、安装费等。,2、碳钢、铸铁的价格低，加工

5、方便，在满足使用性能前提下，尽量使用。 低合金高强度结构钢的价格低于合金钢。 有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高，尽量少用。,四、选材的基本步骤,1、分析零件的工作条件及失效形式，确定零件的性能要求。2、对同类零件的用材进行分析，找出类似点，以作为选材的参考。3、从确定零件性能要求中，找出最关键的技术要求，通过计算或试验 等方法，确定零件应具有的力学性能和理化性能指标。4、合理选材，确定热处理方法或其他强化方法。5、试验并小批量试制。6、关键零件投产前应对所选材料进行试验，试验结果满意后可大批产生。,第二节 零件的失效分析,失效及其形式,例：齿轮在工作过程中磨损而不能正常啮合及传递动力。

6、主轴在工作过程中变形而失去精度。 弹簧因疲劳或受力过大而失去弹性。,零件的失效，尤其是无明显预兆的失效，会带来巨大的危害,1、失效：,零件严重损伤，完全破坏，丧失使用价值或继续工作不安全。或能安全工作，但不能保证工作精度以及达不到预期工效。,2、失效形式,3）表面损伤失效：零件在工作中，因机械和化学作用，使其表面损 伤而造成的失效。 主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效,同一零件可能有几种失效形式，但不可能几种形式同时起作用，其中必然有一种起决定性的作用,2）断裂失效：零件完全断裂而无法工作的失效。 断裂方式有塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力断裂。,1）过量变形失效：零件变形量超

7、过允许范围而造成的失效。 主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。,一、零件失效的原因,1、设计 工作条件估计错误计算错误 结构外形不合理 材质低劣选材不当 2、材料,3、加工工艺 铸锻造缺陷冷加工缺陷 焊接缺陷热处理缺陷操作失误 过载使用保护不良 安装不良 4、安装使用,零件失效 腐蚀 高温蠕变低温脆性 5、环境因素,二、零件失效方式的分类,零件失效,变形失效 断裂失效 表面损伤失效,腐蚀失效表面疲劳失效磨损失效介质加速断裂失效蠕变断裂 失效疲劳断裂失效低应力脆性失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效,几种零件工作条件、失效形式及要求的力学性能,零件,工作条件,应力,载荷,其它,力学性能

8、,失效形式,紧固螺栓,传动轴,传动齿轮,弹簧,拉、剪,弯、扭,压、弯,扭、弯,循环冲击,静,循环冲击,循环冲击,振动,强烈摩擦振动,轴颈处摩擦振动,磨损疲劳麻点断齿,过量变形断裂,弹性极限、屈强比疲劳强度,表面高硬度和疲劳极限心部强度、韧性,综合力学性能,强度、塑性,弹性丧失疲劳损坏,疲劳破坏过量变形轴颈磨损,三、失效分析的一般方法,1、现场调查2、残骸分析3、实验研究（1）零件结构、工艺及受力情况分析（2）材料分析（3）断口分析（4）模拟试验4、综合分析、作出结论和写出报告,案例：飞机失事,断裂失效事故,事故现场调查微区成分分析工作状态分析裂纹和断口分析破坏过程和机理分析,收集情况制造工艺、

9、原材料成分、性能、设计资料、使用情况,结构、受力、应力状态分析,正在使用件的分析,材料、性能及组织分析,残骸分析,最先破坏件分析,故障再现和解决方案和实验,正在使用件和延寿方案,新生产件和改进方案,使用考验,台架实验,案例：飞机失事,第三节 热处理技术条件的标注和工序位置,一、热处理技术条件的标注,1、在图纸上标注热处理方法和热处理后应达到的力学性能指标，供 热处理生产及检验使用。2、一般图纸上仅标注热处理后的硬度值，对渗碳件和表面淬火件要 标明渗碳层与淬硬层深度、部位，对要求较高的零件还要标注强 度、塑性、韧性等其它指标。3、标注热处理技术条件时，可以用文字在图纸上说明。,常用热处理符号,退

10、火：Th正火：Z调质：T淬火：C,高频淬火：G火焰淬火：H氮 化：D渗碳淬火：S-C,热处理技术条件标注示例（一）,热处理技术条件标注示例（二）,热处理技术条件：S1.2-C62发蓝,二、热处理工序位置的安排,1、退火、正火 工艺路线：毛坯生产退火或正火机械加工 目的：消除毛坯中产生的缺陷、消除内应力，细化、均匀组织，改善 切削加工性，为最终热处理作组织准备。,2、调质 工艺路线：下料锻造正火或退火机械粗加工调质 机械精加工 目的：提高零件的综合力学性能，为表面淬火、精密零件氮化作 组织准备。,工艺路线：下料锻造正火或退火机械粗加工、半精加工 淬火、回火磨削。,3、表面淬火、整体淬火,4、渗碳

11、、氮化 渗碳工艺路线： 下料锻造正火机械粗、半精加工渗碳淬火、低温回火 磨削。 氧化工艺路线： 下料锻造退火机械粗加工调质机械精加工去应力退火 粗磨氧化精磨。,第四节 制定热处理工艺的原则及热处理结构工艺性,一、制定热处理工艺的原则,1、毛坯的热处理一般采用退火或正火。共析、过共析钢采用球化退火。 低、中碳钢采用不完全退火。,2、中碳钢大多采用调质处理。为获得较高的强度也可采用淬火、中温 或低温回火。,3、整体承受冲击、表面要求耐磨的零件，可以采用高频淬 火、渗碳、 氮化处理。,4、弹簧件采用淬火后中温回火。,5、要求高强度、高硬度、高耐磨性的工具，均采用淬火，低温回火。 高精度工具还要进行时

12、效处理。要求高红硬性的工具回火温度较 高，以产生二次硬化。,6、非金属材料一般采用再结晶退火、去应力退火或固溶时效强化。,二、热处理零件的结构工艺性,1、零件的尖角、棱角,尖角和棱角处容易产生应力集中，引起淬火开裂,2、避免厚薄悬殊,危险截面,截面不均匀，热处理时冷却不均匀，易产生变形与开裂,3、采用封闭、对称结构,形状不对称，会使应力分布不均匀，易产生变形,4、采用组合结构,对于形状复杂的零件，在可能的情况下采用组合结或镶拼结构。,5、切实制定技术要求,原设计要求：整体HRC55，淬火后，槽口处开裂。修改：槽口处HRC55，其余部位HRC40。既不开裂，又符合要求。,第五节 典型零件的选材及

13、热处理,一、齿轮,1、工作条件、失效形式、材料性能要求,1）工作条件： 通过齿面接触传递动力，在齿面啮合处既有滚动，又有滑动 接触处有承受较大的接触压应力与强烈的摩擦和磨损 齿根承受较大的交变弯曲应力 由于换挡、启动或啮合不良，齿轮受到冲击力 因加工、安装不当或齿、轴变形引起的齿面接触不良 外来灰尘、金属屑末等硬质微粒的侵入，会产生附加载荷,2）失效形式：, 轮齿折断（疲劳折断、冲击过载断裂） 齿面损伤（齿面磨损、齿面疲劳剥落） 过量塑性变形, 良好的切削加工性，以保证齿轮加工后的精度和粗糙度。 优良的热处理性能，保证有良好的热处理质量和最小的淬火变形。 材质纯净，其等级符合有关标准规定的要求

14、。 价格适宜、材料来源充足。,3）对材料性能的要求,2、常用材料的种类、性能和热处理方法,1）锻钢： 低、中速和受力不大的中、小型传动齿轮 材料：Q275钢、40钢、40Cr钢、45钢、40MnB钢 热处理：调质或正火后，进行表面淬火、低温回火 高速、耐强烈冲击的重载齿轮 材料：20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢、20MnVB钢 热处理：渗碳后，进行淬火、低温回火2）铸钢：尺寸较大，形状复杂的齿轮毛坯 材料：ZG270500、ZG310570 热处理：正火后，进行表面淬火3）铸铁：轻载、低速、不受冲击、精度要求不高的不重要齿轮 材料：HT200、HT250、HT300、QT6003、QT5007 热处理：去应力退火或正火后，进行表面淬火,