金属学与热处理教案(11)

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,11,章,工程用金属材料的选用,11.1,机械零件的失效与分析,11.2,工程材料选择的基本原则,11.3,轴、齿轮等工件的选材,及工艺路线分析,11.4,箱体类零件,11.5,工程材料应用举例,11.1,机械零件的失效与分析,失效是指零件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质、操作方法等原因，而导致零件形状或其材料的组织与性能发生变化而失去原来正常工作所具有的效能，这种丧失其规定功能的过程为,失效,。,失效一般有三种情况,（,1,）零件完全破坏，不能继续工作；,（,2,）虽能工作，但不能保证安全；,（,3,）虽能保证安全，但精度受到影响或起不到预定的作用。,11.1,机械零件的失效与分析,失效的主要形式有：,（,1,）变形失效 （,2,）断裂失效,（,3,）腐蚀失效 （,4,）磨损失效,工程中一般按以下程序进行失效分析：（,1,）接受任务，明确目的要求；,（,2,）调查现场获取第一手背景资料；（,3,）失效件的观察、检测和试验；,（,4,）确定失效原因并提出改进措施。,失效原因的确定一般按下列程序：,（,1,）机械零件的结构形状和尺寸设计是否合理；,（,2,）选材是否能满足工作条件的要求；,（,3,）加工工艺是否合适,;,(4,）安装使用是否正确,;,11.1,机械零件的失效与分析,选材步骤包括下列程序：,（,1,）分析零件的工作条件及其失效形式，根据具体情况或客户要求确定零件的性能要求（包括使用性能和工艺性能）和最关键的性能指标。,（,2,）查阅材料手册，了解材料在适当工艺条件下所能达到的性能指标，进行筛选。,（,3,）对同类产品的用材情况进行调研。,11.2,工程材料选择的基本原则,11.2,工程材料选择的基本原则,（,4,）结合材料的经济性、加工性、使用性能等初步确定材料；,（,5,）初步选择关键性零件进行试制。,（,6,）鉴定定型,.,11.3.1,轴类零件,11.3.2,齿轮类零件,11.3,轴、齿轮等工件的选材及,工艺路线分析,11.3.1,轴类零件,1.,轴类零件的性能要求和选材,轴类零件在工作时受多种应力的作用，轴大部受交变应力及一定的冲击作用。因此从选材角度看，材料应有较高的综合机械性能。此类结构零件材料的选材，还需根据其应力状态和负荷种类考虑材料的淬透性和抗疲劳性能,.,（,1,）主要承受弯曲、扭转的轴，常选,35,钢，,45,钢、,40Cr,钢、,40MnB,钢等。主要进行调质处理，以获得良好的心部组织；还进行局部表面淬火、回火，提高表面力学性能。,（,2,）同时承受弯曲、扭转、拉、压应力的轴，选用,30CrMnSi,钢、,40MnB,钢、,40 CrNiMo,钢等合金钢，主要进行调质处理调质、局部淬火、回火。,1.,轴类零件的性能要求和选材,1.,轴类零件的性能要求和选材,（,3,）对于受载较小或不太重要的轴，常用,Q235,或,Q275,等普通非合金钢，不热处理。,（,4,）对于重载、高精度或恶劣条件轴，采用合金钢：,40Cr,、,40MnB,、,30CrMnSi,、,35CrMo,、,40CrNiMo,；,20Cr,、,20CrMnTi,、,38CrMoAl,、,9Mn2V,、,GCr15,等，并进行相应的热处理或表面化学处理。,（,5,）对要求很高、高耐磨性、使用过程中要保证尺寸稳定的轴，选用渗氮钢,38CrMoAlA,等，进行表面渗氮处理。,(1),以汽车半轴为例进行加工工艺分析。,半轴在工作时承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。,2.,轴类零件的加工工艺分析,图,11-1.,汽车半轴示意图,（,2,）选择用钢 根据,ZB T21004-89,汽车半轴技术条件规定，半轴材料可选用,40Cr,、,40CrMo,、,40CrMnMo,钢。,（,3,）半轴的工艺路线 其主要工艺流程：,下料锻造正火机械加工调质盘部钻孔磨花键表面感应淬火回火,2.,轴类零件的加工工艺分析,1.,齿轮类零件的性能要求和选材,2.,齿轮类零件的加工工艺路线分析,11.3.2,齿轮类零件,1.,齿轮类零件的性能要求和选材,齿材料要求具有以下主要性能：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；齿面有高的硬度和耐磨性；齿轮心部有足够高的强度和韧性。,（,1,）轻载齿轮 转动速度一般都不高，转速较低，冲击小，精度要求不高。大多选用,Q255,、,Q275,、,40,、,45,、,50,、,50Mn,等中碳钢制造，经正火或调质处理。,（,2,）中载齿轮 工作时一般为中速、受一定冲击载荷、运动较为平稳。一般用,45,、,50Mn,、,40Cr,、,42SiMn,等中碳钢或合金调质钢制造。经正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。,（,3,）重载齿轮 工作时载荷较大，特别转速度高又承受较大冲击载荷。大多用,20Cr,、,20CrMnTi,等渗碳钢制造，经渗碳、淬火处理后使用。,1.,齿轮类零件的性能要求和选材,（,4,）精密传动 要求精度高、热处理变形小。大多数采用宜采用氮化钢,38CrMoAl,；仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作的轻载齿轮。选用黄铜、铝青铜、锡青铜等,1.,齿轮类零件的性能要求和选材,（,1,）机床齿轮 以,C616,机床中齿轮为例加以分析。其加工工艺路线为：,下料 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 高频淬火及回火 精磨 锥孔（花键孔或圆孔）,2.,齿轮类零件的加工工艺路线分析,（,2,）汽车、拖拉机齿轮选用渗碳钢制造并经渗碳热处理后使用是较为合适。,2.,齿轮类零件的加工工艺路线分析,图,11-2,汽车变速齿轮示意图,二轴齿轮的工艺路线,其主要工艺流程：,备料,下料锻造正火机械加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨内孔及换档槽后工艺,2.,齿轮类零件的加工工艺路线分析,11.4,箱体类零件,影响箱体类零件选材最重要的因素就是其所承受载荷的大小，其主要受一定的弯曲应力和冲击力。它主要的失效方式是变形失效，因此应具有足够的刚度、抗拉强度和良好的减震性能，此外还应具有良好加工性及铸造工艺性。,为此，箱体材料一般选用,HT200400,的各种牌号的灰铸铁，而最常用的为,HT200,。,机床上的主轴箱、变速箱、进给箱和溜板箱、内燃机缸体和缸盖、泵壳、床身、变速机箱体。,（,1,）对受力较大，要求高的抗拉强度，高韧性，或在高温高压下工作，如大型锻压机的机身、汽轮机机壳等应采用铸钢或合金铸钢件。,（,2,）受力较大，但形状简单，生产数量较少的箱体件，可采用型钢焊接而成，如,Q235,、,Q275,、,Q345,等。,11.4.1,常见零件,（,3,）相对运动件应选用抗拉强度较高的珠光体基体的灰铸铁，铸件一般应进行去应力退火。,（,4,）受力不大，要求轻且热导性好的小型箱体件可用有色金属及其合金制造。,（,5,）受力小，耐蚀以及轻件，选工程塑料，,ABS,有机玻璃、尼龙；,（,6,）对受力不大，且受静压力，不受冲击的选用灰铸铁,HT150,、,HT200,。,11.4.1,常见零件,现以某车床轴箱为例，其工艺流程应为：铸造（或焊接）成形,人工时效（或去应力退火）切削加工。,11.4.2,箱体零件加工工艺分析,图,11-3,某车床轴箱简图,车床轴箱结构复杂，箱壁薄，加工表面多平面和孔，应保证支承孔、装配基面的尺寸精度、形状精度和表面粗糙度，孔系之间、孔系与装配基面之间的相互位置精度。,由于平面面积较大定位稳定可靠，有利于简化夹具结构减少安装变形。,箱体加工应遵循“基准统一”原则选择精基准，使具有位置精度要求的大部分表面能用同一精基准定位加工。,11.4.2,箱体零件加工工艺分析,目前，化工设备的主要用材是金属材料，此外还大量使用非金属材料及复合材料等。,1.,压力容器用钢,压力容器常用碳素钢和低合金高强钢。,低合金高强钢钢板常用钢号为,16MnR,、,15MnVR,、,15MnVNR,、,18MnMoNbR,、,13MnNiMoNbR,、,07MnCrMoVR,等,11.4.3,化工设备用材,1,）,.,铬不锈钢 马氏体型铬不锈钢，,1Cr13,、,2Cr13,、,3Cr13,、,4Cr13,等,2,）,.,铬镍不锈钢 奥氏体型铬镍不锈钢，经固溶处理后有单一的奥氏体组织，具有优良的耐蚀性能，较好的高温及低温强度、韧性，焊接性能较好，,3,）,.,耐氢、氮、氨腐蚀用钢,2.,耐腐蚀钢,1,）珠光体耐热钢 这类钢膨胀系数小，导热性能好，具有良好的冷、热加工性能和焊接性能,2,）马氏体耐热钢 低碳高铬型马氏体耐热钢，在,500,以下有良好的蠕变抗力和消振性。,3,）铁素体耐热钢 抗氧化性强，使用温度可超过,800,，但高温强度低，焊接性能差，脆性大。,4,）奥氏体耐热钢 具有高的热强性和抗氧化性，高的塑性和韧性，良好的焊接性和冷成型性。,3.,耐热钢,1,）低合金低温用钢 常用,16MnDR,、,09Mn2VDR,等。,2,）镍钢 通常有含镍,2.25%,、,3.5%,和,9%,三种镍钢。,3,）奥氏体钢,Fe-Mn-Al,型奥氏体钢在低温下有良好的塑性和韧性，加工工艺性能较好。,4,）铬镍奥氏体不锈钢 铬镍奥氏体不锈钢在深冷条件下被广泛采用。,4.,低温用钢,1,）铜及铜合金 化工设备常用锡青铜，其铸造性能好，强度、硬度高，在稀硫酸、稀盐酸、氢氧化钠等溶液中有很好的耐蚀性。,2,）铝及铝合金 在化工设备中主要应用的是纯铝、防锈铝合金、铸造铝合金，一般用于硝酸、醋酸、碳酸氢铵、尿素、甲醇和乙醛生产的部分设备及深冷设备。,3,）镍及其合金,镍是较贵重的金属，在许多介质中有很好的耐蚀性，尤其在碱类中。,5,有色金属,1,）工程塑料 聚氯乙烯（,PVC,）、聚四氟乙烯（,PTEF,F4,）、聚丙烯（,PP,）、聚氯醚（,PENTON,）、酚醛树脂（,PF,）、呋喃塑料等,。,2,）化工陶瓷 主要成分为,SiO2,和,Al2O3,具有很高的化学稳定性和耐酸碱腐蚀性。,6.,非金属材料,3,）化工玻璃 包括石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、高硅氧玻璃等，常用来制造管道、蒸馏塔、换热器、泵等设备或机器。,4,）天然耐酸材料 花岗石耐酸性高，可代替不锈钢来砌制硝酸和盐酸吸收塔；中性长石热稳定性好，耐酸性高，可以衬砌设备；石棉可用作保温和耐火材料，也用于设备密封衬垫和填料。,6.,非金属材料,1.,机床零件的用材分析,2.,汽车零件用材,3.,仪器仪表用材,.,11.5,工程材料应用举例,（,1,）机身、底座用材,机身、机床底座，齿轮箱体、轴承座等重量大、或形状复杂，一般选用灰口铸铁,HT150,、,HT200,，球墨铸铁,QT400,17,、,QT500,5,等。,（,2,）机床轴类零件的选材 机床主轴是机床中最主要的轴类零件。选材是要根据是其工作时所受载荷的大小和类型。,1.,机床零件的用材分析,（,3,）机床齿轮类零件的选材,按其工作条件分为三类：,1,）轻载齿轮,2,）中载齿轮,3,）重载齿轮,（,4,）机床导轨的选材,设计师必须考虑其变形和磨损，可以选用灰口铸铁制造，如,HT200,和,HT350,等。,1.,机床零件的用材分析,（,1,）传动系统选材 缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。缸盖一般选用灰铸铁、合金铸铁或者铝合金。缸套常用高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等，活塞材料常用铝硅合金。连杆材料一般采用,45,钢、,40Cr,或,40MnB,等。汽车半轴一般用,45,钢、,40Cr,40MnB,、,40CrNi,或,40CrMnMo,等,2.,汽车零件用材,（,2,）底盘，车身材料 现在一般,用铝合金或镁合金或者,新型的双相钢板材等。,仪器仪表中一般都由多种零部件组成，如壳体、面板、齿轮、涡轮轴、轴承、弹簧、电子元器件等,（,1,）仪器仪表的辊子 可以使用,Q235,等钢、聚甲醛等工程塑料制造。,（,2,）蜗轮、蜗杆,QAl 11-6-6,可用来制造,500,以下工作的蜗轮。硅青铜,QSi