第二十七讲--材料的选择与应用课件

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1、第二十八讲第二十八讲 材料的选择与应材料的选择与应用用 1 1 选用材料的一般原则选用材料的一般原则 22 零件的失效与选材零件的失效与选材 33 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺 44 可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择一、概 述材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。础环节，自始至终地影响整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相

2、适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员的基本工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员的基本要求。要求。 1 1、使用性能选材原则、使用性能选材原则 分析零件的工作条件，确定其使用性能：分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；分布、集中分布）与大小，应力状态；工作环境：工作环境：如温度（常温、高

3、温、低温或变温），如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；其它要求：其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面分如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。 2 2、工艺性能选材原则、工艺性能选材原则 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规

4、定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。质量。 1).1).铸铸造造性性能能 凡凡相相图

5、图上上液液- -固固相相线线间间距距越越小小、越越接接近近共共晶晶成成分分的的合合金金均均具具有有较较好好的的铸铸造造性性能能。因因此此铸铸铁铁、铸铸造造铝铝合合金金、铸铸造造铜铜合合金金的的铸铸造造性性能能优优良良；在在应应用用最最广广泛泛的的钢钢铁铁材材料料中中，铸铸铁铁的的铸铸造造性性能能优优于于铸铸钢钢，在在钢钢的的范范围围，中中、低低碳碳钢钢的的铸铸造造性性能能又又优优于于高高碳碳钢钢，故故高高碳碳钢钢较较少少用用做做铸件。铸件。 2).2).压力加工性能压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸

6、铁不可压力加工，而钢能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。和大多数铜合金，像低

7、碳钢一样具有较好的压力加工性能。 3)3)焊焊接接性性能能 钢钢铁铁材材料料的的焊焊接接性性随随其其碳碳和和合合金金元元素素含含量量的的提提高高而而变变差差，因因此此钢钢比比铸铸铁铁易易于于焊焊接接，且且低低碳碳钢钢焊焊接接性性能能最最好好、中中碳碳钢钢次次之之，高高碳碳钢钢最最差差。铝铝合合金金、铜铜合合金金的的焊焊接接性性能能一一般般不不好好，应应采采用用一一些些高高级级的的焊焊接接方方法法（如如氩氩弧弧焊焊）或或特特殊措施进行焊接。殊措施进行焊接。1 选材的原则 4.)4.)机机械械加加工工性性能能 主主要要指指切切削削加加工工性性和和磨磨削削加加工工性性，其其中中切切削削加加工工性性最

8、最重重要要。一一般般来来说说材材料料的的硬硬度度越越高高、加加工工硬硬化化能能力力越越强强、切切屑屑不不易易断断排排、刀刀具具越越易易磨磨损损，其其切切削削加加工工性性能能就就越越差差。在在钢钢铁铁材材料料中中，易易切切削削钢钢、灰灰铸铸铁铁和和硬硬度度处处于于180180230HBS230HBS范范围围的的钢钢具具有有较较好好的的切切削削加加工工性性能能；而而奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、高高碳碳高高合合金金钢钢( (高高铬铬钢钢、高高速速钢钢、高高锰锰耐耐磨磨钢钢) )的的切切削削加加工工性性能能较较差差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性

9、能。 5).5).热处理工艺性能热处理工艺性能 必必须须首首先先区区分分是是否否可可进进行行热热处处理理强强化化，如如纯纯铝铝、纯纯铜铜、部部分分铜铜合合金金、单单相相奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢一一般般不不可可热热处处理理强强化化；对对可可热热处处理理强强化化的的材材料而言，热处理工艺性能相当的重要。料而言，热处理工艺性能相当的重要。3 3、经济性能选材原则、经济性能选材原则 质质优优、价价廉廉、寿寿命命高高，是是保保证证产产品品具具有有竞竞争争力力的的重重要要条条件件；在在选选择择材材料料和和制制定定相相应应的的加加工工工工艺艺时时，应应考考虑选材的经济性原则。虑选材的经济性原则。 所所谓谓经

10、经济济性性选选材材原原则则，不不仅仅是是指指选选择择价价格格最最便便宜宜的的材材料料、或或是是生生产产成成本本最最低低的的产产品品，而而且且是是指指运运用用价价值值分分析析的的方方法法，综综合合考考虑虑材材料料对对产产品品的的功功能能与与成成本本的的影影响，以达到最佳的技术经济效益。响，以达到最佳的技术经济效益。 二、材料二、材料(机械零件机械零件)的失效的失效 1 1、失失效效概概念念: : 在在使使用用过过程程中中，因因零零件件的的外外部部形形状状尺尺寸寸和和内内部部组组织织结结构构发发生生变变化化而而失失去去原原有有的的设设计计功功能能，使使其其低低效效工工作作或或无无法法工工作作或或提

11、提前前退退役役的的现现象象即即称称为为失失效效。 失失效效分分析析的的目目的的就就是是要要分分析析零零件件的的失失效效原原因因并并提提出出相相应应的的防防止止和和改改进进措措施施，其其结结论论对对零零件件的的设设计计、选选材材、加工与使用都有重大的指导意义。加工与使用都有重大的指导意义。2 2、失效形式、失效形式 四类：四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级 对对结结构构材材料料的的失失效效而而言言，前前三三种种是是最最主主要要的的；其其中中断断裂裂失失效效（尤尤其其是是脆脆性性断断裂裂）因因其其危危险险性性而而易易受受重重视视、且且研研究究最最多多

12、，疲疲劳劳断断裂裂最最普普遍遍，是是断断裂裂失失效效的的主主要要方方式式。对对于于功功能能材材料料，物物理理性性能能降降级级是是其其主主要要失失效效形形式式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。3 3、失效原因、失效原因四个主要方面：四个主要方面：设计、材料、加工与使用设计、材料、加工与使用 三、工程材料的应用概况三、工程材料的应用概况 3 典型零件选材与工艺分析 金金属属材材料料、高高分分子子材材料料、陶陶瓷瓷材材料料及及复复合合材材料料是是目目前前最最主主要要的四大类工程材料。的四大类工程材料。 高高分分子子材材料料的的强强度度与与刚刚度度低低、尺尺寸寸稳稳定定

13、性性较较差差且且易易老老化化，在在工工程程上上一一般般不不用用于于受受力力较较大大的的、重重要要的的结结构构零零件件。但但由由于于其其原原料料丰丰富富、生生产产能能耗耗较较低低（为为钢钢的的1/101/10、铝铝的的1/201/20），密密度度低低、弹弹性性较较好好且且减减振振、耐耐磨磨，故故适适合合于于制制造造受受力力不不大大的的普普通通结结构构件件及及减减振振、耐耐磨磨或或密密封封零零件件，如如轻轻载载传传动动齿齿轮轮、轴轴承承、紧紧固固件件、密密封封件件和和轮轮胎等。胎等。 陶陶瓷瓷材材料料硬硬而而脆脆、加加工工性性能能差差，也也不不能能用用作作重重要要的的受受力力零零件件；目目前前主主

14、要要应应用用领领域域是是建建筑筑陶陶瓷瓷和和功功能能材材料料。但但陶陶瓷瓷材材料料具具有有高高热热硬硬性性及及化化学学稳稳定定性性，可可用用作作耐耐热热、耐耐磨磨、耐耐蚀蚀的的零零件件，如如燃燃烧烧器器喷喷嘴嘴、刀刀具具与与模模具具、石石油油化化工工容容器器等等。由由于于陶陶瓷瓷功功能能材材料料具具有有极极其其广广阔阔的的应应用用前前景景，在在高高新新技技术术产产品品中中占占据据重重要要地地位位，故故有有人人认认为为2121世世纪纪是是“第第二二个个石石器器时时代代”。陶陶瓷瓷作作为为结结构构材材料料，目目前前尚尚处开发应用阶段。处开发应用阶段。 复复合合材材料料克克服服了了高高分分子子材材料

15、料和和陶陶瓷瓷材材料料的的不不足足，综综合合了了各各种种不不同同材材料料的的优优良良性性能能，具具有有高高的的比比强强度度、比比刚刚度度、抗抗疲疲劳劳、减减振振、耐耐磨磨性性能能优优良良等等特特点点。尤尤其其是是金金属属基基复复合合材材料料，从从力力学学性性能能角角度度看看，可可能能是是最最理理想想的的机机械械工工程程材材料料。但但复复合合材材料料价价格格昂昂贵贵，除除在在航航天天航航空空、船船舶舶、武武器器装装备备等等国国防防工工业业中中的的重重要要结结构构件件上上应应用用外外，在在一一般般的的民民用用工工业业上上应应用用有有限限。但但应应注注意意的的是是，随随着着复复合合材材料料的的生生产

16、产成成本本降降低低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。其应用潜力巨大、前景极其广阔。 金金属属材材料料、尤尤其其是是钢钢铁铁材材料料，与与其其它它工工程程材材料料相相比比，在在力力学学性性能能、工工艺艺性性能能和和生生产产成成本本这这三三者者之之间间保保持持着着最最佳佳的的平平衡衡，具具有有最最强强的的竞竞争争力力，故故金金属属材材料料仍仍然然是是机机械械工工程程材材料料的的主主力力军军。从从这这个个意意义义上上来来讲讲，人人类类仍仍然然生生活活在在以以钢钢铁铁材材料料为为主主的的“铁铁器器时时代代”。以以载载重重汽汽车车用用材材的的重重量量为为例例，钢钢占占6565、铸铸铁铁占占2020、有有色

17、色金金属属占占3 3、非非金金属属材材料料约约占占1212。在在轻轻型型汽汽车车和和轿轿车车中中，非非金金属属材材料料的的用用量量虽虽有有所所增增加，但金属材料仍占主体。加，但金属材料仍占主体。 四、齿轮类零件选材四、齿轮类零件选材 1 1概概述述 齿齿轮轮是是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递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。传递扭矩（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。 2 2、性能要求、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

18、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。3 3主要失效形式主要失效形式 断断裂裂包包括括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断裂裂和和冲冲击击过过载载导致的崩齿与开裂；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

19、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（麻麻点点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损； 其它其它特殊失效特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。4 4齿轮类零件选材齿轮类零件选材主要性能要求主要性能要求 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。 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度、耐耐磨磨性性，以以防齿面损伤。防齿面损伤。 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。 5 5、齿轮类零件选材、齿轮类零件选材1 1）锻

20、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。用锻钢制造。 主主 要要 包包 括括 ： 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( (56566

21、2HRC62HRC) )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性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火齿齿轮轮: :这这种种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。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用用

22、；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，多多在在表表面面淬淬火火状状态使用，少数情况也可在调质状态使用。态使用，少数情况也可在调质状态使用。中碳氮化钢中碳氮化钢: :40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、38CrMoAl38CrMoAl钢，经调质处理后再表钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。速齿轮。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

23、 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，采用铸钢较、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有为合理。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回火处理，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、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。状态下使用。3 3）铸铸铁铁 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

24、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越来来越越大大。铸铸铁铁齿齿轮轮的的热热处理方法类似于铸钢齿轮。处理方法类似于铸钢齿轮。(4)(4)常用材料）常用材料）6 6、典型齿轮选材、典型齿轮选材 机

25、机床床齿齿轮轮 运运行行平平稳稳无无强强烈烈冲冲击击、载载荷荷不不大大、转转速速中中等等，对对表表面面耐耐磨磨性性和和心心部部韧韧性性要要求求不不太太高高。大大多多采采用用碳碳钢钢( (4040、4545钢钢) )制制造造，经经正正火火或或调调质质处处理理后后再再进进行行表表面面淬淬火火低低温温回回火火，其其齿齿面面硬硬度度可可达达50HRC50HRC，齿齿心心硬硬度度为为220220250HBS250HBS，可可满满足足性性能能要要求求；对对部部分分性性能能要要求求较较高高的的齿齿轮轮，也也可可选选用用中中碳碳合合金金钢钢( (40Cr40Cr、40MnB40MnB、40MnVB40MnVB

26、等等) )制制造造，其其齿齿面面硬硬度度可可提提高高到到58HRC58HRC左左右右、心心部部强强韧韧性性也也有有所所改改善善；极极少少数数高高速速、高高精精度度、重重载载齿齿轮轮，还还可可选选用用中中碳碳氮氮化化钢钢( (如如35CrMo35CrMo、38CrMoAlA38CrMoAlA等等) )进进行行表表面渗氮处理制造。面渗氮处理制造。 机床齿轮的简明加工工艺路线：机床齿轮的简明加工工艺路线： 下下 料料 锻锻 造造 正正 火火 粗粗 加加 工工 调调 质质 精精 加加 工工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨 正正火火可可使使锻锻造造组组织织均均匀匀化化、便便于于切切削削加加工工、

27、可可作作为为表表面面淬淬火火前前的的预预备备组组织织、并并保保证证齿齿心心的的强强韧韧性性。调调质质处处理理可可使使齿齿轮轮具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能，改改善善齿齿心心的的强强韧韧性性进进而而使使齿齿轮轮能能承承受受较较大大的的弯弯曲曲载载荷荷和和冲冲击击载载荷荷。表表面面淬淬火火可可提提高高齿齿轮轮表表面面的的硬硬度度，耐耐磨磨性性和和疲疲劳劳性性能能。低低温温回回火火的的作作用用主主要是消除淬火应力。要是消除淬火应力。 汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮 : 工工作作条条件件恶恶劣劣，特特别别是是主主传传动动系系统统中中的的齿齿轮轮；受受力力较较大大，易易过过载载，变变速速

28、时时受受到到频频繁繁的的强强烈烈冲冲击击；对对材材料料的的耐耐磨磨性性、疲疲劳劳性性能能、心心部部强强韧韧性性的的要要求求高高，采采用用中中碳碳钢钢表表面面淬淬火火已已难难满满足足使使用用的的需需要要；通通常常选选用用合合金金渗渗碳碳钢钢(20Cr(20Cr、20MnVB20MnVB、20CrMnTi20CrMnTi、20CrMnMo)20CrMnMo)制制造造，经经渗渗碳碳淬淬火火低低温温回回火火处处理理后后，齿齿面面硬硬度度可可达达585862HRC62HRC，心心部部硬硬度度303045HRC45HRC。对对飞飞机机、坦坦克克等等特特别别重重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如要齿轮，则可

29、采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA）来制造。）来制造。 采用采用20CrMnTi20CrMnTi制造汽车齿轮制造汽车齿轮，简明，简明工艺路线工艺路线为：为： 下料下料锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削加工磨削加工 渗渗碳碳淬淬火火处处理理可可使使齿齿面面具具有有高高硬硬度度、高高耐耐磨磨性性和和高高的的疲疲劳劳性性能能，而而心心部部保保持持良良好好的的强强韧韧性性；喷喷丸丸作作为为进进一一步步强强化化手手段段，可可使使齿齿面面硬硬度度提提高高1 13HRC3HRC，增增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。加表层残余压应力，进

30、而提高疲劳极限。 五、轴类零件选材五、轴类零件选材1 1工工作作条条件件交交变变弯弯曲曲载载荷荷，扭扭转转载载荷荷或或拉拉- -压压载载荷荷；相相对对运运动动表表面面( (如如轴轴颈颈、花花键键部部位位) )发发生生摩摩擦擦；因因机器开机器开- -停、过载等，承受一定的冲击载荷；停、过载等，承受一定的冲击载荷；2 2主主要要失失效效疲疲劳劳断断裂裂为为多多数数、冲冲击击过过载载断断裂裂为为少少数数；磨磨损损 相相对对运运动动表表面面过过度度磨磨损损；过过量量变变形形 极极少少数数情情况况下下会会发发生生因因强强度度不不足足的的过过量量塑塑性性变变形形失失效效和和刚刚度不足的过量弹性变形失效。度

31、不足的过量弹性变形失效。3 3性性能能要要求求高高的的疲疲劳劳极极限限；综综合合力力学学性性能能好好；局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。 实物实物4 4、常用材料、常用材料 1)1)锻锻钢钢 优优质质中中碳碳或或中中碳碳合合金金调调质质钢钢是是轴轴类类材材料料的的主主体体：3535、4040、4545、50(4550(45钢钢最最常常见见) )等等碳碳钢钢具具有有较较高高的的综综合合力力学学性性能能且且价价格格低低廉廉，故故应应用用广广泛泛；对对受受力力不不大大或或不不重重要要的的轴轴，为为进进一一步步降降低低成成本本，也也可可采采用用Q235

32、Q235、Q255Q255、Q275Q275等等普普通通碳碳钢钢制制造造；对对受受力力较较大大、尺尺寸寸较较大大、形形状状复复杂杂的的重重要要轴轴，可可选选用用综综合合力力学学性性能能更更好好的的合合金金调调质质钢钢来来制制造造，如如40Cr40Cr、40MnVB40MnVB等等，对对其其中中精精度度要要求求极极高高的轴要采用专用氮化钢（如的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA38CrMoAlA）制造。）制造。中中碳碳钢钢轴轴的的热热处处理理特特点点是是：正正火火或或调调质质保保证证轴轴的的综综合合力力学学性性能能( (强强韧韧性性) )，然然后后对对易易磨磨损损的的相相对对运运动动部部位

33、位进进行行表表面面强化处理强化处理( (表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等) )。 少少数数情情况况下下还还可可选选用用低低碳碳钢钢或或高高碳碳钢钢来来制制造造轴轴类类零零件件。如如当当轴轴受受到到强强烈烈冲冲击击载载荷荷作作用用时时，宜宜用用低低碳碳钢钢（如如20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi）渗渗碳碳制制造造；而而当当轴轴所所受受冲冲击击作作用用较较小小而而相相对对运运动动部部位位要要求求更更高高的的耐耐磨磨性性时时，则则宜宜用用高高碳碳钢钢制制造（如造（如GCr15GCr15、9Mn2V9Mn2V等）。等）。 2 2铸铸钢钢 形形状状

34、复复杂杂、尺尺寸寸较较大大的的轴轴，可可采采用用铸铸钢钢来来制制造造，如如ZG230-450ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能( (主要是韧性主要是韧性) )要低。要低。 3 3铸铸铁铁 由由于于大大多多数数轴轴很很少少以以冲冲击击过过载载而而断断裂裂的的形形式式失失效效，故故近近几几十十年年来来愈愈来来愈愈多多地地采采用用球球墨墨铸铸铁铁( (如如QT700-2)QT700-2)和和高高强强度度灰灰铸铸铁铁(HT350(HT350、KTZ55006KTZ55006等等) )来来代代替替钢钢作作为为轴轴( (尤尤其其是是曲曲轴轴) )的的材材料料。铸

35、铸铁铁轴轴的的刚刚度度和和耐耐磨磨性性不不低低，且且具具有有缺缺口口敏敏感感性性低低、减减振振减减摩摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。轴类零件选材时应注意以下几点：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，可选用碳钢以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢( (如如4545钢钢) )、铸铁、铸铁( (如如QT700-2QT700-2) )、甚至普通质量碳钢、甚至普通质量碳钢( (如如Q275Q275) )制造；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，一般进行正火或调质处

36、理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。可对其进行表面淬火。 以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢的钢( (如如65Mn65Mn、9Mn2V9Mn2V) )或低碳钢或低碳钢( (20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi) )渗碳制造，对渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA38CrMoAlA渗氮制造。渗氮制造。 主主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选4545、40Cr40Cr即即可；而对受拉可；而对受拉- -压载荷的轴，特别当其尺寸较

37、大、形状较复杂时，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，如则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo40CrNiMo。 主要受明显、强主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。 5 5、典型轴类零件选材举例、典型轴类零件选材举例机床主轴：机床主轴： 机机床床主主轴轴承承受受弯弯- -扭扭复复合合交交变变载载荷荷、转转速速中中等等并并承承受受一一定定的的冲冲击击载载荷荷，一一般般选选用用4545钢钢或或40Cr40Cr钢钢制制造造(40Cr(40Cr用用于于载载荷荷较较大大、尺尺寸寸较较大大的的轴轴) )；对对于于承承受受重重

38、载载、要要求求高高精精度度、高高尺尺寸寸稳稳定定性性及及高高耐耐磨磨性性的的主主轴轴( (如如镗镗床床主主轴轴) )，则则须须用用38CrMoAlA38CrMoAlA钢钢经经渗渗氮氮处处理理制制造。造。 4545钢钢( (或或40Cr40Cr钢钢) )机床主轴的简明加工路线为：机床主轴的简明加工路线为： 下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工 调质调质半精加工半精加工表面淬火低温回火表面淬火低温回火精磨精磨成品成品6 6、轴类零件的典型材料、轴类零件的典型材料六、刀具选材六、刀具选材 （机械切削刀具机械切削刀具 ） 1 1车刀车刀 车刀是最常用的切削刀具，目前用于制造刀具的主要车刀是最常用的切削

39、刀具，目前用于制造刀具的主要材料是高速钢和硬质合金两大类，其中高速钢应用最多、最广。材料是高速钢和硬质合金两大类，其中高速钢应用最多、最广。 2 2丝锥与板牙丝锥与板牙 丝锥和板牙均需要高的硬度丝锥和板牙均需要高的硬度(59(5964HRC)64HRC)和耐磨性，还须足够的强度和韧性。丝锥和板和耐磨性，还须足够的强度和韧性。丝锥和板牙分手用和机用两种，对手用者，因切削速度较低，牙分手用和机用两种，对手用者，因切削速度较低，故热硬性要求不高，一般可用高级优质碳素工具钢故热硬性要求不高，一般可用高级优质碳素工具钢T10AT10A、T12AT12A制造制造( (硬度硬度595962HRC)62HRC

40、)，对尺寸稍大、切削，对尺寸稍大、切削速度稍高的较重要丝锥速度稍高的较重要丝锥( (板牙板牙) )，则宜用低合金工具钢，则宜用低合金工具钢9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn制造制造( (硬度硬度606063HRC)63HRC)。对机用者，因切。对机用者，因切削速度较高削速度较高(25(2555m/min)55m/min)，有热硬性要求，故应选用，有热硬性要求，故应选用高速钢高速钢( (如如W6Mo5Cr4V2)W6Mo5Cr4V2)制造。制造。 3 3、日用刀具、日用刀具: :与机械切削刀具的工作条件和性能与机械切削刀具的工作条件和性能要求有较明显的差别；如因形状薄、窄、小，而要求要求

41、有较明显的差别；如因形状薄、窄、小，而要求较高的韧性以防止折断；因切断对象较软、磨损不严较高的韧性以防止折断；因切断对象较软、磨损不严重，故无需过高的硬度和耐磨性；因清洁标准或工作重，故无需过高的硬度和耐磨性；因清洁标准或工作条件下的腐蚀，而要求较好的耐蚀性等。条件下的腐蚀，而要求较好的耐蚀性等。 4 4、常用、常用日用日用刀具材料刀具材料七七、机机架架、箱箱座座类类零零件件 强度刚度减震易于成形易于加工灰铸铁液态成形可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 1.1.选择绿色材料选择绿色材料 绿绿色色材材料料：在在生生产产、使使用用、报报废废及及回回收收处处理理再再利利用用过过程程

42、中中，能能节节约约资资源源和和能能源源，保保护护生生态态环环境境和和劳劳动动者者本本身身，易易回回收收且且再再生生循循环环利利用用率率高高的的材材料料或或材材料料制制品品，其其主主要要特特点点有有：材材料料本本身身性性能能的的先先进进性性；材材料料使使用用的的舒舒适适性性；材材料料的的绿绿色色特特性性，或或称称环环境境协协调调性性，包包括括生生产产过过程程中中的的资资源源与与能能源源耗耗损损低低、使使用用时时低低污污染染或无污染、报废后易回收再生且循环利用率高。或无污染、报废后易回收再生且循环利用率高。 可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 ( (绿绿色色材材料料)循循环环冷冷

43、却却水水系系统统：传传统统防防垢垢方方法法是是定定期期、定定量量向向水水中中加加入入阻阻垢垢剂剂、缓缓蚀蚀剂剂及及杀杀菌菌剂剂；但但这这些些化化学学试试剂剂往往往往有有相相互互干干扰扰作作用用、加加入入不不当当时时还还会会加加剧剧水水垢垢并并污污染染水水等等缺缺点点。采采用用具具有有高高效效吸吸附附分分离离的的功功能能活活性性碳碳纤纤维维、聚聚乙乙烯烯醇醇纤纤维维等等，应应用用于于空空调调冷冷却却水水系系统统可可有有效效地地起起到到防防蚀蚀、防防水水垢垢、防防微微生生物物污污垢垢的的作作用用。太太阳阳能能利利用用材材料料、氢氢能能利利用用材材料料、地地热热能能利利用用材材料料等等也也是属于具有

44、绿色特性的新型材料。是属于具有绿色特性的新型材料。可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 2.2.减少所用材料种类减少所用材料种类 尽尽量量避避免免选选用用多多种种不不同同的的材材料料、或或采采用用易易拆拆卸卸分分离离的的结结构构设设计计，以以便便产产品品维维修修或或报报废废后后的的回回收收、分分类类和和再再利利用用。例例如如，Whirlpool公公司司的的德德国国合合作作伙伙伴伴的的包包装装工工程程师师将将用用于于包包装装的的材材料料从从20种种减减少少到到4种种，在在满满足足基基本本功功能能要要求求的的前前提提下下，不不仅仅降降低低了了材材料料成成本本，且且使使处处理理废废弃

45、弃物物的的成成本本减减少少了了一一半半。设设计计一一个个金金属属工工具具箱箱时时，在在结结构构上上既既应应避避免免采采用用不不同同的的金金属属焊焊接接；又又要要提提倡倡将将工工具具箱箱设设计计成成可可分分拆拆的的、独独立立的的多多个个分分部部箱箱体体组组成成，且每个独立分箱只宜用一种材料。且每个独立分箱只宜用一种材料。可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 3.3.尽量选用不加涂、镀层的原材料尽量选用不加涂、镀层的原材料 现现代代产产品品设设计计中中为为了了美美观观、耐耐蚀蚀等等目目的的，大大量量使使用用涂涂、镀镀材材料料。这这不不仅仅给给产产品品报报废废后后的的材材料料回回收收

46、、利利用用带带来来了了困困难难，而而且且大大部部分分涂涂料料本本身身就就有有毒毒，且且涂涂、镀镀工工艺艺过过程程也也给给环环境境带带来来了了极极大大的的污污染染。如如涂涂料料挥挥发发毒毒性性溶溶剂剂气气体体，电电镀镀时产生的含铬等重金属的废液、废渣污染等。时产生的含铬等重金属的废液、废渣污染等。 可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 4.4.产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料 报报废废产产品品若若不不易易分分解解且且难难于于为为自自然然界界吸吸收收，将将对对环环境境产产生生极极大大的的污污染染，高高分分子子材材料料的的加加工工和和使

47、使用用后后的的废废弃弃物物就就属属此此例例，尤尤其其是是塑塑料料包包装装材材料料造造成成的的污污染染极极为为严严重重。现现在在国国内内外外均均在在研研究究在在光光合合作作用用或或生生物物作作用用下下能能自自然然分分解解的的塑塑料料用用以以制制作作包包装装材材料料和和农农用用薄薄膜膜，这这种种新新型型塑塑料料在在废废弃弃后后，能能在在一一定定的的时时间间内内经经光光合合作作用用而而脆脆化化、降降解解成成碎碎片片，再再经经自自然然界界的的侵侵蚀蚀进进入入土土壤壤而而被微生物消化被微生物消化( (即生化作用即生化作用) )，不再给环境造成污染。，不再给环境造成污染。 可持续发展战略下的材料选择可持续

48、发展战略下的材料选择 5.5.选用易回收再生的材料选用易回收再生的材料 废弃材料若可易于再生，既可减轻环境污染，又利于资源的废弃材料若可易于再生，既可减轻环境污染，又利于资源的再使用，节约能源、减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济效再使用，节约能源、减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济效益好。益好。 在国外，有人设计了一种纸板床，它全部是由再生材料制造在国外，有人设计了一种纸板床，它全部是由再生材料制造的双层波纹纸板制成。值得提及的是，这种波纹纸板床在废弃的双层波纹纸板制成。值得提及的是，这种波纹纸板床在废弃后还可多次回收再生，当用这种波纹纸板代替木板来制造包装后还可多次回收再生，当用这种波纹纸板

49、代替木板来制造包装用的托架时，在等强度的条件下，其重量只有木板托架的用的托架时，在等强度的条件下，其重量只有木板托架的1/ /4，这将大大降低运输成本；当然，更具意义的是节约了木材而减这将大大降低运输成本；当然，更具意义的是节约了木材而减少了对森林资源的滥用和破坏，进而有利于防止水土流失、空少了对森林资源的滥用和破坏，进而有利于防止水土流失、空气沙尘等灾害，意义重大。气沙尘等灾害，意义重大。 1、你你认认为为我我国国现现阶阶段段流流通通的的1元元硬硬币币是是用用何何种种材材料料与与工工艺艺制制造造的的？在选材时应考虑哪些因素？在选材时应考虑哪些因素？2、某某厂厂采采用用T10钢钢制制造造机机用

50、用钻钻头头，对对铸铸件件钻钻10深深孔孔，在在正正常常工工作作条条件件下下仅仅钻钻几几个个孔孔，钻钻头头便便很很快快磨磨损损。经经检检验验，钻钻头头的的材材料料、加加工工工工艺艺、组组织织和和硬硬度度均均符符合合规规范范。试试分分析析磨磨损损原原因因，并并提提出出解解决办法。决办法。3、试试从从使使用用性性能能、制制造造工工艺艺和和绿绿色色特特性性等等方方面面比比较较塑塑料料饮饮料料瓶瓶、玻璃饮料瓶、金属饮料瓶的优缺点。玻璃饮料瓶、金属饮料瓶的优缺点。4 4、“在在满满足足零零件件使使用用性性能能和和工工艺艺性性能能的的前前提提下下，材材料料价价格格越越低低越好越好”这句话是否一定正确？为什么？应该怎样全面理解？这句话是否一定正确？为什么？应该怎样全面理解？ 习 题 谢谢 谢谢！