第12章机械设计与选材

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1、12 12 机械设计与选材机械设计与选材鼎杏呀匣婶艺岸撕栖峻室帐为枫舰善硬秉涨背割娄签脉掉揪帮绒得捂川舟第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材第一节第一节机械设计与选材的关系机械设计与选材的关系提出设计任务提出设计任务技术功能设计技术功能设计总体结构设计总体结构设计零件设计零件设计服役条件分析服役条件分析选选材材失效形式估计，失效形式估计，确定失效抗力，确定失效抗力，性能指标性能指标工艺过程设计工艺过程设计（加工结构及（加工结构及组织结构组织结构提出设计任务提出设计任务提出设计任务提出设计任务设计总图设计总图催执叉湖片铀钦办献灿贩嚷域彪栗祁饲团衅戈血浩裳揭壬奔她打操汲烫沁第12章机械设计

2、与选材第12章机械设计与选材第二节、机械产品的失效问题第二节、机械产品的失效问题机械产品失效的原因：机械产品失效的原因：设计不当设计不当用材失误用材失误材质不良材质不良装配、使用不当装配、使用不当机械构件失效的形式：机械构件失效的形式：1.1.过量变形失效过量变形失效 过量弹性变形失效过量弹性变形失效 过量塑性变形失效过量塑性变形失效2.2.断裂失效断裂失效 塑性变形失稳断裂塑性变形失稳断裂 低应力脆性断裂低应力脆性断裂 疲劳断裂疲劳断裂具体见表具体见表12-1.痞尾掩芭净拴执湍男符一点获匠玻撑馁阎桶恕凛张唬择寅顺卉虾驭狱混祭第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材第三节第三节选材的思路与

3、程序选材的思路与程序1 1）材料的使用性能）材料的使用性能选材首要考虑的问题。选材首要考虑的问题。一般机械零件，主要是力学性能要求；一般机械零件，主要是力学性能要求；有时也要求一定理化性能，如有时也要求一定理化性能，如:密度、热膨胀、电绝缘、耐腐蚀等。密度、热膨胀、电绝缘、耐腐蚀等。2 2）材料的工艺性能）材料的工艺性能不同形式结构，采用不同方法制造，不同制造方法则不同形式结构，采用不同方法制造，不同制造方法则要求选用不同的材料，使制造工艺简单、成本低要求选用不同的材料，使制造工艺简单、成本低。3 3）材料的经济性）材料的经济性在保证使用与制造工艺要求的前提下，在保证使用与制造工艺要求的前提下

4、，应使材料价格低，材料来源供应充足。应使材料价格低，材料来源供应充足。华衷详壳嫌扎雇假区悠囱琶狭猜恍处掺褪靳说方横译由其谈习伴瀑嗡蹋椿第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材一一.按材料使用性能要求选材按材料使用性能要求选材1 1按零件工作条件选材按零件工作条件选材（1）承受拉伸、压缩载荷）承受拉伸、压缩载荷（2）承受周期性交变载荷）承受周期性交变载荷（3）承受摩擦磨损载荷）承受摩擦磨损载荷（4）高速旋转及有惯性要求的零件）高速旋转及有惯性要求的零件（5）专业用钢的选用）专业用钢的选用礼勇腕惠灌疙厚谩萝现向霍欲渝贩陌符骸右酸哩矮植匿崇专乖挠恰瞄籽隆第12章机械设计与选材第12章机械设计与选

5、材2 2按零件失效形式选材按零件失效形式选材）失效基本类型：）失效基本类型：断裂断裂过量变形过量变形表面损伤表面损伤）导致零件失效的主要原因）导致零件失效的主要原因设计设计材料材料制造工艺制造工艺安装使用安装使用3）失效分析：）失效分析：取样，即收集失效零件的残体；取样，即收集失效零件的残体；整理失效零件的有关资料；整理失效零件的有关资料；将所选样品进行宏观和微观的断口分析；将所选样品进行宏观和微观的断口分析；测定样品的必要数据，包括设计性能指标与失测定样品的必要数据，包括设计性能指标与失效的有关性能指标，材料的组织及化学成分等；效的有关性能指标，材料的组织及化学成分等；综合各方面分析资料作出

6、判断，确定失效的具综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。体原因，提出改进措施，写出分析报告。钉山窍带摘碘冶蔗掳缮谷哲洛栗摈缩叁睁拼蒂骚惮领饲搽碱预午础疡泊樱第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材设设 计计加加 工工零零 件件 失失 效效安安 装装 使使 用用材材 料料材质低劣材质低劣选材不当选材不当工工作作条条件件估计错误估计错误结结构构外外型型不合理不合理计算错误计算错误焊接缺陷焊接缺陷铸锻造缺陷铸锻造缺陷热处理缺陷热处理缺陷冷加工缺陷冷加工缺陷过载使用过载使用安装不良安装不良操作失误操作失误维护不良维护不良楷晌洗秸曳啸舍班躺讲禁令柜辰烛假延砸甲玻

7、炔慈伞瘁糖痉岿着隧锅矗取第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材零件失效零件失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效表面损伤失效表面损伤失效弹弹性性变变形形失失效效塑塑性性变变形形失失效效塑塑性性断断裂裂失失效效低低应应力力脆脆断断失失效效疲疲劳劳断断裂裂失失效效蠕蠕变变断断裂裂失失效效介介质质加加速速断断裂裂失失效效磨磨损损失失效效表表面面疲疲劳劳失失效效腐腐蚀蚀失失效效中郡倘鄙近怎和念隧膊协禾兔券泄妥囊扔蒙梨拄抉吓雾者狗闰语忽涣象颧第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材服役条件服役条件失效零件失效零件失失 效效 分分 析析 技技 术术( (应力分析、无损探伤、应力分析、无损探伤、断口

8、分析、金相分析、断口分析、金相分析、化学分析、机械性能测化学分析、机械性能测试）试）失效类型失效类型（磨磨损、断损、断裂、变裂、变形形）力学分析力学分析应力分析应力分析失效原因失效原因装配使用装配使用工艺工艺材料材料设设 计计主要抗力指标主要抗力指标改进设计改进设计抗力指标与内外因素关系抗力指标与内外因素关系改进工艺改进工艺加强管理加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径实验室试验实验室试验使用考验工业试验使用考验工业试验估惧饮脊靠各纹柿软腐拔洲申回胆诈患忍挨正近鸦甥柴国妄仕茬句畅随稻第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材二二. .按制造工艺性

9、能要求选材按制造工艺性能要求选材选材与材料工艺性能的关系选材与材料工艺性能的关系材料的工艺性能材料的工艺性能: : 冷加工性能冷加工性能: :冷变形加工、切削加工性能冷变形加工、切削加工性能 热加工性能：铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能热加工性能：铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能 尽量选用工艺简单的材料尽量选用工艺简单的材料考虑各工序工艺之间的相互联系和结合考虑各工序工艺之间的相互联系和结合斩帆衔经究飘癣范吻怯忙铬葡研疆载乾们小远捕缨匡凄娶蜂璃捏凹苹神卸第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材性能、质量要求不高的零件性能、质量要求不高的零件毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加

10、工切削加工零件零件如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。均能满足要求。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工精加工零件。零件。金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。的加工性能存在问题，因

11、此选材时应注意对其工艺性能的分析。性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）低温回火，固溶时效或渗碳）半精加工半精加工稳定化处稳定化处理（或氮化）理（或氮化）精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。料的工艺性能。虾延毛俩哎陀专悦孕唾邯国渴谴痰玲道豢蜡类亢瞒捂瑰惰棒封柔斌钉姆眷第12章机械设计与选材第12章机

12、械设计与选材常用材料的工艺性能如下：常用材料的工艺性能如下：（1）碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢：室温时为多相结构，加热到一定温度时呈单相组室温时为多相结构，加热到一定温度时呈单相组织，具有良好的塑性和较小的变形抗力。具有良好的锻造性能。织，具有良好的塑性和较小的变形抗力。具有良好的锻造性能。（）（）铸铁铸铁：包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的碳当量都接近共晶成分，包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁的碳当量都接近共晶成分，故熔点低，流动性好。故各类铸铁具有良好的铸造性能。但可锻性故熔点低，流动性好。故各类铸铁具有良好的铸造性能。但可锻性和可焊性极差。和可焊性极差。（3）非铁合金非铁合金：常用的是铜合金

13、和铝合金。常用的是铜合金和铝合金。形变合金，其合金元素含量较少，室温时呈单相组织，具有形变合金，其合金元素含量较少，室温时呈单相组织，具有良好的塑性。良好的塑性。铸造合金，其成分在共晶成分附近的合金，具有良好的铸造铸造合金，其成分在共晶成分附近的合金，具有良好的铸造性能，铸造合金的切削加工性比形变合金好。性能，铸造合金的切削加工性比形变合金好。傈棋抨犁妹霉翻匿瞻涌殖缎荣垦鳞谴凛是猴碉巧抚歉唆橡疚治旱效戴况惑第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材生产方法、零件结构、零件材料三者关系生产方法、零件结构、零件材料三者关系 生产方法、零件结构、零件材料三者之生产方法、零件结构、零件材料三者之间存

14、在相互相依又相互制约的关系。如某一间存在相互相依又相互制约的关系。如某一类零件结构可以有几种生产方法，有几种材类零件结构可以有几种生产方法，有几种材料可供选择。但有时有的零件结构只有一种料可供选择。但有时有的零件结构只有一种合理的生产方法或只能选用某一种材料；而合理的生产方法或只能选用某一种材料；而有时先确定零件生产方法，再按生产工艺要有时先确定零件生产方法，再按生产工艺要求选择材料，并确定零件结构使之符合生产求选择材料，并确定零件结构使之符合生产工艺要求。还可以先选定材料，后确定生产工艺要求。还可以先选定材料，后确定生产方法；最后设计零件结构。方法；最后设计零件结构。蓝瞅梗蹈保媳豁皋雹迅闰渍

15、共性竞派帆坛晚筏师象贺录喜笑寇涝瓜嗓缸予第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材三三. .按经济性原则要求选材按经济性原则要求选材1 1产品成本与性能之间的关系：产品成本与性能之间的关系：性能性能成本成本先进武器系统、航空航天产品先进武器系统、航空航天产品工业化大众消费产品工业化大众消费产品2 2产品成本分析：产品成本分析：1)基本材料的成本：约占总成本的基本材料的成本：约占总成本的3070选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗

16、量（我国钢材利用率平均为平均为65%65%，而美国达到，而美国达到80%80%）去垒胸甄肠庚删份夫阐冈纳藤挥茁栋愚笺劫灾泄汐密插艘演啡颧披源计五第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格材材 料料 相对价格相对价格 材材 料料 相对价格相对价格 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 1 1 铬不锈钢铬不锈钢 5 5 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 1.31.5 1.31.5 铬镍不锈钢铬镍不锈钢 15 15 合金结构钢合金结构钢（Cr-NiCr-Ni钢除外）钢除外） 1.72.5 1.72.5 灰铸铁灰铸铁 1.4 1.4 铬镍合金结构钢铬镍合金结构

17、钢（中合金钢）（中合金钢） 5 5 铸造铝合金、铜合金铸造铝合金、铜合金 810 810 滚珠轴承钢滚珠轴承钢 3 3 普通黄铜普通黄铜 1317 1317 低合金工具钢低合金工具钢 34 34 锡青铜、铝青铜锡青铜、铝青铜 19 19 高速钢高速钢 1620 1620 钛合金钛合金 5080 5080 硬质合金硬质合金 150200 150200 （工程塑料）（工程塑料） 515 515 豫滁跋假瘴爹闻诈耪彝叛治卜睹算呵忙杆浓坛阜算恨集邦淑偶放糙澡进远第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材2）制造成本制造成本 加工成本约占零件成本的加工成本约占零件成本的30%30%左右，生产批量越少，

18、这一左右，生产批量越少，这一比例越高。比例越高。 总成本总成本P=T+xNP=T+xN，T T为工具与设备费用，为工具与设备费用，x x代表每件产品的成代表每件产品的成本，本，N N为生产批量（件为生产批量（件/ /批）。批）。稿菱废铺堰杭泄钙铡今毖掖翌诀耳一继糜岗紫捍泽滨琼姥丫铅封曳崖窜霍第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材3)3)零件使用寿命对成本的影响零件使用寿命对成本的影响 零件的使用材料性能差，则零件的使用材料性能差，则零件的使用寿命短零件的使用寿命短, ,成本增加。成本增加。4)4)材料供应状况对成本的影响材料供应状况对成本的影响 选材时应立足于国内，同时考选材时应立足于国

19、内，同时考虑到国内的生产和供应状况。在同虑到国内的生产和供应状况。在同一产品中，选用材料的种类、价格、一产品中，选用材料的种类、价格、应尽量少而集中，以减少采购运输应尽量少而集中，以减少采购运输及库存的费用。及库存的费用。昧装场远央窃勃杰萄伪峦苍税址翻穴钉况燃逢褐缸彬庐二坚秀虎皇螟册扁第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材a、基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对、基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件及供应情况）的调研，再结

20、合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。应具有的力学性能指标和理化性能指标。b、对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺c、进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。和暑枫集潜巷豺亦

21、苫剖示骏悄炎杉铂茵蝎垒躺拼田遍呛莫达男柱驰鬼益慕第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材第四节第四节典型零件选材及工艺路线典型零件选材及工艺路线齿轮齿轮轴轴汽轮机叶片汽轮机叶片消至线房鳖秋三尔怪妮翟撕浑它羡儡裕厂斩辨较昏铝丑豺凑崔胃恒昌状徘第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材一、齿轮类零件选材 应应用用极极广广的的重重要要机机械械零零件件，其其主主要要作作用用有有传传递递扭扭矩（力或能），改变运动速度或方向。矩（力或能），改变运动速度或方向。 不同的齿轮，不同的齿轮，其工作条件、失其工作条件、失效形式和性能要效形式和性能要求各有不同。求各有不同。 利肇元雹抨架葫续遂增酿母猴械顶瞳镇

22、较佬贮歇笨浆拙赢徊架宰玲鸡豁椅第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材性能要求1 1工作条件工作条件 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力； 齿齿面面啮啮合合并并发发生生相相对对滑滑动动与与滚滚动动，承承受受较较大大的的交交变变接接触触应应力力及及强烈的摩擦；强烈的摩擦； 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力； 有有时时有有其其它它特特殊殊条条件件要要求求，如如耐耐高高、低低温温要要求求，耐耐蚀蚀要要求求，抗抗磁性要求等。磁性要求等。贝伺蔷某养城谐辕彝饥握暇骤插扶恕乖滑霖拓泉九畔胃伟割蔑臀烂溜宏镑第

23、12章机械设计与选材第12章机械设计与选材2 2主要失效形式主要失效形式 断断裂裂交交变变弯弯曲曲应应力力引引起起的的轮轮齿齿疲疲劳劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂； 齿齿面面损损伤伤包包括括交交变变接接触触应应力力引引起起的的表表面面接接触触疲疲劳劳（麻麻点点剥剥落落）和和强强烈烈摩摩擦擦导导致致的齿面过度磨损；的齿面过度磨损； 其其它它特特殊殊失失效效，如如腐腐蚀蚀介介质质引引起起的的齿齿面面腐腐蚀现象。蚀现象。龚逗噪坦玩哭钙翁阻症笋钠徐抬鄂斤呈堤较近满宠璃虎塞阉旋概崎芦齿筹第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材3 3主要性能要求主要性能要求 高高的的

24、弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度，防防止止轮轮齿齿的的疲疲劳劳断裂。断裂。 足足够够高高的的齿齿面面接接触触疲疲劳劳极极限限和和高高的的硬硬度、耐磨性，以防齿面损伤。度、耐磨性，以防齿面损伤。 足足够够的的齿齿心心部部强强韧韧性性，以以防防冲冲击击过过载载断裂。断裂。 勒畦航敌漫歧午昼拟麓搀矮哥又钡屿腋爵囊谓蚜钻劳身秀悄肤嫌盘判乐赂第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材材料要求金属材料（1 1）锻锻钢钢 齿齿轮轮的的主主要要材材料料。锻锻造造可可改改善善钢钢的的组组织织并并形形成成有有益益的的加加工工流流线线，力力学学性性能能优优良良。重重要要用用途途的的齿齿轮轮大大多多采采用锻钢制造。用锻钢制

25、造。 低低 碳碳 钢钢 及及 低低 碳碳 合合 金金 钢钢 ： 2020、 20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA等，等， 可可通通过过退退火火或或正正火火来来改改善善切切削削加加工工性性能能，通通过过渗渗碳碳后后淬淬火火低低温温回回火火来来保保证证齿齿轮轮的的使使用用性性能能。具具有有表表面面高高硬硬度度( (565662HRC62HRC) )和和高高耐耐磨磨性性、高高的的弯弯曲曲疲疲劳劳极极限限和和接接触触疲疲劳劳极极限限，心心部部具具有有足足够够高高的的强强韧韧性性；故故适适合合于于制制造造高高速速、大大冲冲击的中载和重载齿轮。击的中

26、载和重载齿轮。宠友咖哈瞻夸硬绥胆卫裳赛骂饯追痈渔娃谦梨沦粒魔陕侮坷鞋茸调弊痛扳第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火齿齿轮轮的的工工作作速速度度、载载荷荷及及受受冲冲击击的的程程度度应应低低于于低低碳碳钢钢渗渗碳碳淬淬火火齿齿轮轮。其其中中Q275Q275只只宜宜制制作作低低速速、轻轻载载、无无冲冲击击的的非非重重要要齿齿轮轮，一一般般在在正正火火状状态态直直接接使使用用；4040、4545钢钢可可用用作作低低中中速速、轻轻中中载载、小小冲冲击击的的齿齿轮轮，依依据据具具体体工工作作条条件件不不同同，可可在在正正火火、调调质质、表表面面淬淬火火状状态态下下使使

27、用用；40Cr40Cr、40MnB40MnB合合金金钢钢的的综综合合力力学学性性能能优优于于4040、4545碳碳钢钢，可可用用做做相相对对重重要要的的齿齿轮轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。滑询沥发盛婴迟缕俘捍以羚疮倪诧案擎湍刮枣让遂贺脑凛犁侦绣栓奔难疹第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材中碳氮化钢中碳氮化钢40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢钢经经调调质质处处理理后后再再表表面面渗渗氮氮处处理理，力力学学性性能能优优良良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。变形微小，主要

28、用做高精度、高速齿轮。佰晾药夺灿切虞囊牲溉凉缄寓睡论俯礼羡当寺娩似妇靴切稍家跨歼里馈故第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材（2 2）铸钢）铸钢 铸钢铸钢 齿齿 轮轮 的的 力力 学学 性性 能能 比比 锻钢差，较少使用，锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大但对某些尺寸大(500mm500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270ZG270500500、ZG310ZG310570570、ZG40CrZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火低温回火处理，但对性能要求不高

29、、低速齿轮，也可在调质状回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。态、甚至正火状态下使用。夹常洋客或珍器瀑遁蛆诌萧楼纪务胀梅炽诡糕幢菏沁放错疏良眠坛旗器躺第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材（3 3）铸铁）铸铁 灰灰铸铸铁铁齿齿轮轮具具有有优优良良的的减减摩摩性性、减减振振性性，工工艺艺性性能能好好且且成成本本低低，其其主主要要缺缺点点是是强强韧韧性性欠欠佳佳，故故多多用用于于制制作作低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击的的非非重重要要齿齿轮轮。常常用用牌牌号号有有HT200HT200、HT250HT250、HT350HT350等等；由由于于球球墨墨铸铸

30、铁铁的的强强韧韧性性较较好好，故故采采用用QT600QT600-3 3、QT500QT500-7 7代代替替部部分分铸铸钢钢齿齿轮轮的的趋趋势势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。酝估疡玖馏央柯检银菌凡辈吻埃浩挡嘛墨鲤鸥辆荚箩郝隅折畦瑰力粕伊偿第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材（4 4）非铁金属）非铁金属 在在仪仪器器仪仪表表及及某某些些特特殊殊条条件件下下工工作作的的轻轻载载齿齿轮轮，由由于于有有耐耐蚀蚀、无无磁磁、防防爆爆等等特特殊殊要要求求，可可采采用用一一些些耐耐磨磨性性较较好好的的有有色色金金属属材材料料制制造造，其其

31、中中最最主主要要的的是是铜铜合合金金，如如黄黄铜铜(如如H62H62)、铝铝青青铜铜(如如QAl9-4QAl9-4)、锡青铜锡青铜(如如QSn6.5-0.1QSn6.5-0.1)、硅青铜、硅青铜(如如QSi3-1QSi3-1)等。等。洼颊殉浚揩尿蚁通缔笛卵射请寺含咯够许俱拟决故姑银较怀刚嵌百证膜魏第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材（5 5）粉末冶金材料）粉末冶金材料 粉粉末末冶冶金金齿齿轮轮材材料料可可实实现现精精密密的的少少、无无切切削削加加工工方方法法，特特别别是是随随着着粉粉末末热热锻锻新新技技术术的的应应用用，所所制制造造的的齿齿轮轮力力学学性性能能优优良良、技技术术经经济济

32、效效益益高高。粉粉末末冶冶金金材材料料一一般般适适用用于于大大批批量量生生产产的的小小齿齿轮轮，如如汽汽车车发发动动机机的的定定时时齿齿轮轮（材材料料Fe-C0.9Fe-C0.9）、分分电电器器齿齿轮轮（材材料料Fe-C0.9-Cu2.0Fe-C0.9-Cu2.0）、农农用用柴柴油油机机中中的的凸凸轮轮轴轴齿齿轮轮（材材料料Fe-Cu-CFe-Cu-C）、联合收割机中的油泵齿轮。联合收割机中的油泵齿轮。 倘勺琐淌凳对翰露甄瓣殉俞俗需臀房饵皖图谷橡碴坤诸靛磋包裂霹荧代溯第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材综 述 对对开开式式传传动动齿齿轮轮，或或低低速速、轻轻载载、不不受受冲冲击击或或冲

33、冲击击较较小小的的齿齿轮轮，宜宜选选相相对对价价廉廉的的材材料料，如如铸铸铁铁、碳碳钢钢等等；对对闭闭式式传传动动齿齿轮轮，或或中中高高速速、中中重重载载、承承受受一一定定甚甚至至较较大大冲冲击击的的齿齿轮轮，则则宜宜选选用用相相对对较较好好的的材材料料，如如优优质质碳碳钢钢或或合合金金钢钢、并并须须进进行行表表面面强强化化处处理理；在在齿齿轮轮副副选选材材时时，为为使使两两者者寿寿命命相相近近并并防防止止咬咬合合现现象象，大大、小小齿齿轮轮宜宜选选不不同同的的材材料料，且且两两者者硬硬度度要要求求也也应应有有所所差差异异，通常小齿轮应选相好的材料、硬度要求较高一些。通常小齿轮应选相好的材料、

34、硬度要求较高一些。 侯拷螺幂呢剥氮贿牲散可疾糯混拉硷渡胖赊疚雇股稚渴实颅监侯某胃踞鼓第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材常用材料槐厌沏包券析肤斧酗挡什耐躲彩蝇粗跪惦氢淫废陌粤绍宗劣钮泰拭尿首诚第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材典型齿轮选材 1.机床齿轮 运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高

35、到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。背士蜕默执庄事祁踩鹿酥辈单档贰慧溃淬司诱唇抢舱两锈隙搭型段丰唤争第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 机床齿轮的简明加工工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火精磨 正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火

36、应力。 悦洼柜佃碰蹬走底蕊牢甫呢皋懦档侯拒泪须铲牛舜巳锰劫蔡铀宛爷雷贱删第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 2.汽车、拖拉机齿轮 工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火低温回火处理后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度3045HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。删傲皇晤瓮詹炯造定岩奠睁灾堰鞠少磕颇凯孵逊糖

37、挠弥观蓝传讹精龄全鹿第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 采用20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为： 下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火喷丸磨削加工 渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高13HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。 牙淆鸵昆赠迢从棵彻犁称没稿盎颂讳鲜票托唁嘎及栏惋抬陕蒜端倚牺墨臼第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材二、轴类零件选材1工作条件交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；相对运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；2主要

38、失效疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；磨损 相对运动表面过度磨损；过量变形 极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。3性能要求高的疲劳极限；综合力学性能好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。 数颠壮茸菱佩簿欲装期痒暴邯挤惋釜绑娜掸倚隶政渡坑伸卓奇孺证矿优邑第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材蒙统兴痒鸡峨祝燥剃萨羊殴洪漏她圈妨腻滩捅支毕琼网丛氮削哇油预足箍第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材常用材料-钢铁 1锻钢 优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见)等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故

39、应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。联禽某涤采珠靴怂庇汁岩缓若逊衡范雁餐釜厉磊绷贮巷贤笆汐闽欣避觉宦第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 1锻钢(续) 中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能(强韧性)，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等)。 少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类

40、零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9Mn2V等）。瑰宅壮锅触潭螟慧尝岭绥龄汞属碴埔结捶编沿恭煎栏留比爬挛饰坏宇怕永第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 2铸钢 形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。 3铸铁 由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸铁(HT350、KTZ55006等)来代替钢作为轴(尤其是

41、曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。貌与笑乔恶栖龄键涕臆苟拆佰诸息斌俘沟据颤循坟预舱喻撮酶掣触纬宠犬第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材轴类零件选材时应注意以下几点： 以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢(如45钢)、铸铁(如QT700-2)、甚至普通质量碳钢(如Q275)制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。 以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢(如65Mn、9Mn2V)或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应

42、选38CrMoAlA渗氮制造。 主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可；而对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。 主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。 嗅了陋权腆蝎餐轧破阵怨岿誉唇芋缨模戏勤畴唬槽笼奋店赦焰乖夹仆捉割第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材典型轴-机床主轴机床主轴： 机床主轴承受弯-扭复合交变载荷、转速中等并承受一定的冲击载荷，一般选用45钢或40Cr钢制造(40Cr用于载荷较大、尺寸较大的轴)；对于承受重载、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴(如镗床主轴)，则须用38Cr

43、MoAlA钢经渗氮处理制造。 45钢(或40Cr钢)机床主轴的简明加工路线为： 下料锻造正火粗加工 调质半精加工表面淬火低温回火精磨成品版牵酸历籍囚疯孽型丢共归隙炸壁淆懈茹勘帐苦酷读居斑室氮琼妙竿途遭第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材典型材料矩铲惦能佩讨姓人移撑蘸唁熟钢仗甩相街磺看钉着竣傍搁攘寡惟瘟涣蛆栓第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材三、汽轮机叶片零件选材三、汽轮机叶片零件选材（一）叶片的工作条件、失效方式及性能要求（一）叶片的工作条件、失效方式及性能要求蠕变变型、断裂蠕变变型、断裂表面损伤表面损伤强度、韧性高强度、韧性高化学稳定性好化学稳定性好导热性好、耐磨、抗震导热

44、性好、耐磨、抗震加工性能好加工性能好蒸汽和燃气弯矩作用蒸汽和燃气弯矩作用蒸汽冲刷、氧化、腐蚀等蒸汽冲刷、氧化、腐蚀等蒸汽杂质磨损蒸汽杂质磨损共振力共振力低合金钢低合金钢20CrMo奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢1Cr18Ni9Ti等等根据具体工作条件进行选择根据具体工作条件进行选择边檄工端绑个蝗睫匣颈衣压苑轩单鹊锦夸跪瞬犬铰伙欣败沤切膏岩羹傅见第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材可持续发展战略下的材料选择 1.选择绿色材料 2.减少所用材料种类3.尽量选用不加涂、镀层的原材料4.产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料5.选用易回收再生的材料 骸婆壁励前其疤吱廖招木娠算鱼殊峙心臣喝慌岗倘招拭

45、骗奇豁蛮惧汤豌货第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材凡虞距孝吩霍堑员毖堆刀础辕赵铁氏筋哥娶绑皆佩闹井幸坏畦吸臭偷凸挤第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材实例：实例：实例：实例：解放牌载重汽车变速箱齿轮解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求：性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；表面高耐磨性及疲劳极限； 心部较高强度与韧性心部较高强度与韧性 （b b1000MN/m1000MN/m2 2，a ak k60J/cm60J/cm2 2）选材：选材：渗碳钢渗碳钢-20CrMnTi-20CrMnTi （淬透性：油淬（淬透性：油淬30-40mm30-40mm；渗碳淬火；渗碳淬火 后后b b1100M

46、N/m1100MN/m2 2，a ak k60J/cm60J/cm2 2）热处理工艺：热处理工艺：900-950900-950渗碳渗碳-820-850-820-850油油 淬淬-180-200-180-200低温回火低温回火附敲警闪斜哦捐拦滞浆襟大兄殊讳疼截俘掠娩祭开持援邵绊貌拙封齐螟博第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材 同碳素渗碳钢一样同碳素渗碳钢一样，渗碳后需热处理渗碳后需热处理，“淬火淬火+低温回火低温回火”，获得获得“外硬内韧外硬内韧”组织组织。常用钢号：常用钢号： 15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2、 15CrMn、20CrMnTi、 20CrMnMo、 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W脉蚤巧腥鬃孝摹戏室策条诞丘乡邹概夯刹十拼胸序魁巡跃迭悠恐舞峰搔良第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材结 束壳偷抠茄逐耀郴乌百艳聘尿缨栗诛歧狄命冠薪挖埃呕梦爸踏戈铜泽冀粪片第12章机械设计与选材第12章机械设计与选材