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,山东农业大学,第六章 材料的选材与热处理工艺,机械工程材料,Mechanical Engineering Materials Science,机械与电子工程学院,1 选材原则,2、选材原则使用、工艺性能；经济性；环境与资源原则,1、选材的动机,产品开发、改进、更新换代。,一、材料的使用性能,首要原则,零件失效类型,变形,弹、塑性变形。,断裂,脆、塑性，疲劳断裂。,表面损伤,磨损、腐蚀等。,零件失效的原因,设计、材料、加工、安装和使用。,潘存云教授研制,轮齿塑性变形,潘存云教授研制,齿轮轮齿折断,潘存云教授研制,轴承内圈破裂,潘存云教授研制,轴承外圈塑性变形,零件失效的实例,断裂仅占5%,腐蚀、磨损、疲劳破坏占74%,潘存云教授研制,齿面接触疲劳,潘存云教授研制,轴瓦磨损,失效统计：,常见零件的工作条件和失效形式,零件,工作条件,常见失效形式,性能要求,应力种类,载荷性质,受载状态,螺栓,拉、剪,静载,-,过量变形，断裂,强度，塑性,传动轴,弯、扭,循环冲击,轴颈摩擦,疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损,综合力学性能,传动齿轮,压、弯,循环冲击,摩擦振动,断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳,表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性,弹簧,扭、弯,交变冲击,振动,弹性失稳，疲劳破坏,弹性极限，屈强比，疲劳极限,.工作环境,温度，介质（如腐蚀，摩擦）。,.特殊功能,导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。,.性能的指标化,如强硬度、塑韧性等的具体数值。,手册数据、经验公式的局限性,力学性能与零件尺寸有关,40钢不同尺寸毛坯的力学性能,热处理条件,毛坯尺寸/,mm,b,/MPa,/%,A,KU,/J,850淬火,5,800,16,120,30,750,15,80,500回火,50,700,15,56,100,600,13,40,零件的加工工艺路线,一般零件,毛坯 正火或退火 切削加工,轴、齿轮等,毛坯 预先热处理（正火、退火）粗加工 最终热处理（淬火回火，时效，渗,C,等）精加工,精密丝杠,毛坯 预先热处理 粗加工 最终热处理 半精加工 时效（或,N,化）精加工 时效,二、工艺性能,铸、锻、焊、机加工、热处理,.产品成本分析,三、经济性,根本原则,基本材料的成本,（价格、利用率）,占总成本的30,70%,制造（加工）成本,约占零件成本的30%,加工成本=工具与设备费用+每件产品成本,生产批量,材 料,元/,kg,材 料,元/,kg,铂,290,000,Zn,34,金,160,000,铝,21,银,3,500,40,Cr,3.7,钛,200,碳钢,3.3,铜,68,生铁,2.3,四、环境与资源原则,贯穿材料生产、使用、废弃的全过程,1.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。,重要金属的世界储量,2.能源消耗少,可用年数,再生率(%),Fe,128,31.7,Al,35,16.9,Cu,32,40.9,Zn,24,21.2,W,47,Ag,15,41.0,Mn,14,Ni,49,3.环境污染小,废气排放少,材料回收及降解,2 典型零件的选材与工艺,一、齿轮选材,性能要求：齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性），强度，韧性。,失效形式：轮齿折断（主要发生在齿的根部和中部），齿面损伤（包括麻点和较大摩擦力造成的过度磨损）,选材：,调质钢 最终热处理：调质+表面淬火+低温回火,渗,C,钢 最终热处理：渗碳后淬火处理。,中高碳钢最终热处理：调质处理后表面淬火。,实例1：载重汽车变速箱齿轮,性能指标,b,1000MPa，A,K,50J,，,齿面硬度,HRC55。,选材 20,CrMnTi，20SiMnVB,等，,b,1080MPa,，A,K,55J,，,齿面,HRC5863。,工艺路线：下料,锻造,正火,粗加工局部镀铜渗,C,、,淬火低温回火喷丸磨削零件,局部镀铜的目的：渗碳前对一些不需要有较高的力学性能、而且还需要后续切削加工的部位进行局部镀铜防渗处理。,喷丸处理：可以去除热处理后的氧化皮，还可在表层形成一层残余亚应力，有助于提高齿面的接触疲劳强度。,正火的目的：消除锻造应力，均匀细化组织、调整硬度，便于材料的切削加工，获得的组织一般为片状珠光体+铁素体。,渗碳淬火+低温回火：淬火后心部获得低碳马氏体组织，有较好的冲击韧度。低温回火的目的消除淬火应力，降低脆性。,实例 2：机床齿轮,机床齿轮的工作条件：工作条件较好，载荷不大，转速中等，工作平稳，少有强烈的冲击，要求除了有高的接触疲劳强度、弯曲强度、表面硬度与耐磨性外，还应保证高的传动精度和小的工作噪声。,选材：一般采用调质钢，如45钢、40,Cr,或40,MnB,钢。,工艺路线：下料,锻造正火粗加工调质滚齿齿部高频加热表面淬火+低温回火,高频加热表面淬火+低温回火目的：提高齿面的硬度、有利于提高齿轮的耐磨性和接触疲劳强度，淬火后形成压应力 防止表面发生麻点剥落。,调质目的：为齿轮提供较高的综合机械性能，保证齿的心部具有足够高的强度和韧性以承受较大的交变弯曲应力和冲击载荷，同时还可以减少淬火后的变形。,正火目的：作为预备热处理工艺可以消除锻造毛坯的应力，细化组织，调整毛坯的硬度到适合切削加工的范围。,二、轴类零件选材,性能要求：轴类零件起支撑传动零件和传递扭矩的作用，还承受交变载荷和扭转复合载荷，某些情况下还受到冲击作用，轴颈尚需耐磨。,失效形式：疲劳断裂和轴颈处的过量磨损失效，腐蚀磨损失效，冲击过载造成的断裂失效等。,选材：,碳含量在0.30.5，如35、40、45、50等碳素结构钢，35,CrMo、40Cr、40CrNi,合金调质钢。,实例1、,C620,机床主轴选材,性能要求 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。,普通车床（轻载）主轴,45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。,铣床（中载）主轴,40,Cr,等调质，轴颈高频表面淬火。,组合机床（重载）主轴,20,CrMnTi，,经渗,C、,淬火、回火处理。,精密镗床（高精度）主轴,38,CrMoAl，,调质+氮化+时效,C620,车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。,性能指标 硬度,220250HB，,轴颈,52HRC。,选材 45钢，整体硬度,220250HB，,轴颈,表面淬火硬度,5257HRC。,热处理工艺 840水淬+600回火(水或油冷）,+,轴颈高频淬火+200回火,最终组织 心部：回火,S,轴颈表面：回火,M,工艺路线 下料,锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火低温回火磨削零件,常用机床主轴选用的材料及热处理方法,实例2、内燃机曲轴选材及热处理工艺拟定,175,A,型农用柴油机,曲轴,性能要求 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。,选材 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。,实例 175,A,型农用柴油机曲轴,性能指标,b,650MPa，,整体硬度220,260HBS，,轴颈表面硬度625,HV(HRC55),2%,A,K,15,J。,选材 锻钢曲轴（优质中碳钢和中碳合金钢）,铸造曲轴（球墨铸铁）,锻钢曲轴：45、40,Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V、48MnV、49MnVS3,等,铸造曲轴：,QT700-2。,锻钢曲轴的热处理工艺：,下料锻造正火矫直粗加工去应力退火调质半精加工局部表面淬火+低温回火矫直精磨零件,铸造曲轴的工艺路线：,铸造高温正火高温回火矫直切削加工去应力退火轴颈气体渗氮（碳氮共渗）矫直精加工零件,
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