机械工程材料培训教材

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,材料,Mechanical Engineering MaterialsScience,机械与电,子,子工程学,院,院,1 选,材,材原则,2、选材,原,原则使,用,用、工艺,性,性能；经,济,济性；环,境,境与资源,原,原则,1、选材,的,的动机,产品开发,、,、改进、,更,更新换代,。,。,一、材料,的,的使用性,能,能,首要原则,零件失效,类,类型,变形,弹、塑性,变,变形。,断裂,脆、塑性,，,，疲劳断,裂,裂。,表面损伤,磨损、腐,蚀,蚀等。,零件失效,的,的原因,设计、材,料,料、加工,、,、安装和,使,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,的实例,断裂仅占5%,腐蚀、磨,损,损、疲劳,破,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,的工作条,件,件和失效,形,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,环境,温度，介,质,质（如腐,蚀,蚀，摩擦,）,）。,.特殊,功,功能,导电性、,磁,磁性、热,膨,膨胀性、,比,比重、外,观,观等。,.性能,的,的指标化,如强硬度,、,、塑韧性,等,等的具体,数,数值。,手册数据,、,、经验公,式,式的局限,性,性,力,学,学,性,性,能,能,与,与,零,零,件,件,尺,尺,寸,寸,有,有,关,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,件,的,的,加,加,工,工,工,工,艺,艺,路,路,线,线,一,般,般,零,零,件,件,毛,坯,坯,正,正,火,火,或,或,退,退,火,火,切,切,削,削,加,加,工,工,轴,、,、,齿,齿,轮,轮,等,等,毛,坯,坯,预,预,先,先,热,热,处,处,理,理,（,（,正,正,火,火,、,、,退,退,火,火,）,）,粗,粗,加,加,工,工,最,最,终,终,热,热,处,处,理,理,（,（,淬,淬,火,火,回,回,火,火,，,，,时,时,效,效,，,，,渗,渗,C,等,）,）,精,精,加,加,工,工,精,密,密,丝,丝,杠,杠,毛,坯,坯,预,预,先,先,热,热,处,处,理,理,粗,粗,加,加,工,工,最,最,终,终,热,热,处,处,理,理,半,半,精,精,加,加,工,工,时,时,效,效,（,（,或,或,N,化,）,）,精,精,加,加,工,工,时,时,效,效,二,、,、,工,工,艺,艺,性,性,能,能,铸,、,、,锻,锻,、,、,焊,焊,、,、,机,机,加,加,工,工,、,、,热,热,处,处,理,理,.,产,产,品,品,成,成,本,本,分,分,析,析,三,、,、,经,经,济,济,性,性,根,本,本,原,原,则,则,基,本,本,材,材,料,料,的,的,成,成,本,本,（,价,价,格,格,、,、,利,利,用,用,率,率,）,）,占,总,总,成,成,本,本,的,的30,70%,制,造,造,（,（,加,加,工,工,）,）,成,成,本,本,约,占,占,零,零,件,件,成,成,本,本,的,的30%,加,工,工,成,成,本,本=,工,工,具,具,与,与,设,设,备,备,费,费,用,用+,每,每,件,件,产,产,品,品,成,成,本,本,生,生,产,产,批,批,量,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,环,境,境,与,与,资,资,源,源,原,原,则,则,贯,穿,穿,材,材,料,料,生,生,产,产,、,、,使,使,用,用,、,、,废,废,弃,弃,的,的,全,全,过,过,程,程,1.,减,减,少,少,材,材,料,料,使,使,用,用,量,量,、,、,延,延,长,长,零,零,件,件,寿,寿,命,命,、,、,材,材,料,料,再,再,利,利,用,用,。,。,重,要,要,金,金,属,属,的,的,世,世,界,界,储,储,量,量,2.,能,能,源,源,消,消,耗,耗,少,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,环,境,境,污,污,染,染,小,小,废,气,气,排,排,放,放,少,少,材,料,料,回,回,收,收,及,及,降,降,解,解,2,典,典,型,型,零,零,件,件,的,的,选,选,材,材,与,与,工,工,艺,艺,一,、,、,齿,齿,轮,轮,选,选,材,材,性,能,能,要,要,求,求,：,：,齿,齿,面,面,硬,硬,度,度,（,（,决,决,定,定,弯,弯,曲,曲,、,、,接,接,触,触,疲,疲,劳,劳,强,强,度,度,，,，,耐,耐,磨,磨,性,性,）,）,，,，,强,强,度,度,，,，,韧,韧,性,性,。,。,失效,形,形式,：,：轮,齿,齿折,断,断（,主,主要,发,发生,在,在齿,的,的根,部,部和,中,中部,）,），,齿,齿面,损,损伤,（,（包,括,括麻,点,点和,较,较大,摩,摩擦,力,力造,成,成的,过,过度,磨,磨损,）,）,选材,：,：,调质,钢,钢,最,终,终热,处,处理,：,：调,质,质+,表,表面,淬,淬火+,低,低,温,温回,火,火,渗,C,钢,最,终,终热,处,处理,：,：渗,碳,碳后,淬,淬火,处,处理,。,。,中高,碳,碳钢,最,终,终热,处,处理,：,：调,质,质处,理,理后,表,表面,淬,淬火,。,。,实例1,：,：,载,载重,汽,汽车,变,变速,箱,箱齿,轮,轮,性能,指,指标,b,1000MPa,，,，A,K,50J，,齿面,硬,硬度,HRC55,。,。,选材,20,CrMnTi,，,，20SiMnVB,等，,b,1080MPa，A,K,55J,，,齿面,HRC5863,。,。,工艺,路,路线,：,：,下,下料,锻造,正火,粗,加,加工,局,部,部镀,铜,铜,渗,渗,C,、,淬火,低,温,温回,火,火,喷,喷丸,磨,削,削,零,零件,局部,镀,镀铜,的,的目,的,的：,渗,渗碳,前,前对,一,一些,不,不需,要,要有,较,较高,的,的力,学,学性,能,能、,而,而且,还,还需,要,要后,续,续切,削,削加,工,工的,部,部位,进,进行,局,局部,镀,镀铜,防,防渗,处,处理,。,。,喷丸,处,处理,：,：可,以,以去,除,除热,处,处理,后,后的,氧,氧化,皮,皮，,还,还可,在,在表,层,层形,成,成一,层,层残,余,余亚,应,应力,，,，有,助,助于,提,提高,齿,齿面,的,的接,触,触疲,劳,劳强,度,度。,正火,的,的目,的,的：,消,消除,锻,锻造,应,应力,，,，均,匀,匀细,化,化组,织,织、,调,调整,硬,硬度,，,，便,于,于材,料,料的,切,切削,加,加工,，,，获,得,得的,组,组织,一,一般,为,为片,状,状珠,光,光体+铁,素,素体,。,。,渗碳,淬,淬火+低,温,温回,火,火：,淬,淬火,后,后心,部,部获,得,得低,碳,碳马,氏,氏体,组,组织,，,，有,较,较好,的,的冲,击,击韧,度,度。,低,低温,回,回火,的,的目,的,的消,除,除淬,火,火应,力,力，,降,降低,脆,脆性,。,。,实例2,：,：,机,机床,齿,齿轮,机床,齿,齿轮,的,的工,作,作条,件,件,：,：工,作,作条,件,件较,好,好，,载,载荷,不,不大,，,，转,速,速中,等,等，,工,工作,平,平稳,，,，少,有,有强,烈,烈的,冲,冲击,，,，要,求,求除,了,了有,高,高的,接,接触,疲,疲劳,强,强度,、,、弯,曲,曲强,度,度、,表,表面,硬,硬度,与,与耐,磨,磨性,外,外，,还,还应,保,保证,高,高的,传,传动,精,精度,和,和小,的,的工,作,作噪,声,声。,选材,：,：,一,一般,采,采用,调,调质,钢,钢，,如,如45钢,、,、40,Cr,或40,MnB,钢。,工艺,路,路线,：,：下,料,料,锻造,正,火,火,粗,粗加,工,工,调,调质,滚,齿,齿,齿,齿部,高,高频,加,加热,表,表面,淬,淬火+低,温,温回,火,火,高频,加,加热,表,表面,淬,淬火+低,温,温回,火,火目,的,的：,提,提高,齿,齿面,的,的硬,度,度、,有,有利,于,于提,高,高齿,轮,轮的,耐,耐磨,性,性和,接,接触,疲,疲劳,强,强度,，,，淬,火,火后,形,形成,压,压应,力,力,防,防,止,止表,面,面发,生,生麻,点,点剥,落,落。,调质,目,目的,：,：为,齿,齿轮,提,提供,较,较高,的,的综,合,合机,械,械性,能,能，,保,保证,齿,齿的,心,心部,具,具有,足,足够,高,高的,强,强度,和,和韧,性,性以,承,承受,较,较大,的,的交,变,变弯,曲,曲应,力,力和,冲,冲击,载,载荷,，,，同,时,时还,可,可以,减,减少,淬,淬火,后,后的,变,变形,。,。,正火,目,目的,：,：作,为,为预,备,备热,处,处理,工,工艺,可,可以,消,消除,锻,锻造,毛,毛坯,的,的应,力,力，,细,细化,组,组织,，,，调,整,整毛,坯,坯的,硬,硬度,到,到适,合,合切,削,削加,工,工的,范,范围,。,。,二、,轴,轴类,零,零件,选,选材,性能要,求,求 ：,轴,轴类零,件,件起支,撑,撑传动,零,零件和,传,传递扭,矩,矩的作,用,用，还,承,承受交,变,变载荷,和,和扭转,复,复合载,荷,荷，某,些,些情况,下,下还受,到,到冲击,作,作用，,轴,轴颈尚,需,需耐磨,。,。,失效形,式,式：疲,劳,劳断裂,和,和轴颈,处,处的过,量,量磨损,失,失效，,腐,腐蚀磨,损,损失效,，,，冲击,过,过载造,成,成的断,裂,裂失效,等,等。,选材：,碳含量,在,在0.30.5,，,，如35、40、45、50等碳,素,素结构,钢,钢，35,CrMo、40Cr,、,、40CrNi,合金调,质,质钢。,实例1,、,、,C620,机床主,轴,轴选材,性能要,求,求,强度、,塑,塑韧性,，,，疲劳,强,强度，,轴,轴颈耐,磨,磨性。,普通车,床,床（轻,载,载）主,轴,轴,45钢,调,调质或,正,正火，,轴,轴颈高,频,频表面,淬,淬火。,铣床（,中,中载）,主,主轴,40,Cr,等调质,，,，轴颈,高,高频表,面,面淬火,。,。,组合机,床,床（重,载,载）主,轴,轴,20,CrMnTi,，,，,经渗,C、,淬火、,回,回火处,理,理。,精密镗,床,床（高,精,精度）,主,主轴,38,CrMoAl,，,，,调质+ 氮,化,化 +,时,时效,C620,车床主,轴,轴，综,合,合机械,性,性能一,般,般；大,端,端轴颈,等,等部位,耐,耐磨性,高,高。,性能指,标,标,硬度,220,250HB,，,，,轴颈,52HRC,。,。,选材,45钢,，,，整体,硬,硬度,220,250HB,，,，,轴颈,表面淬,火,火硬度,5257HRC。,热处理,工,工艺,840,水淬+600,回火(水或,油,油冷）,+,轴颈高,频,频淬火+200,回火,最终组,织,织,心部：,回,回火,S,轴颈表,面,面：回,火,火,M,工艺路,线,线,下料,锻造,正火,粗加,工,工调,质,质半,精,精加工,表面,淬,淬火,低,低温回,火,火磨,削,削零,件,件,常用机,床,床主轴,选,选用的,材,材料及,热,热处理,方,方法,实例2,、,、 内,燃,燃机曲,轴,轴选材,及,及热处,理,理工艺,拟,拟定,175,A,型农用,柴,柴油机,曲轴,性能要,求,求,强度，,韧,韧性，,弯,弯曲、,扭,扭转疲,劳,劳强度,和,和刚度,，,，轴颈,耐,耐磨性,。,。,选材,调质钢,（,（韧性,高,高）、,球,球墨铸,铁,铁。,实例,175,A,型农用,柴,柴油机,曲,曲轴,性能指,标,标,b,650MPa，,整体硬,度,度220,260HBS，,轴颈表,面,面硬度,625,HV(HRC55),2%,A,K,15,J。,选材,锻钢曲,轴,轴（优,质,质中碳,钢,钢和中,碳,碳合金,钢,钢）,铸造曲,轴,轴（球,墨,墨铸铁,）,）,锻钢曲,轴,轴：45、40,Cr、50Mn、42CrMo、35CrNiMo、45V,、,、48MnV,、,、49MnVS3,等,铸造曲,轴,轴：,QT700-2。,锻钢曲,轴,轴的热,处,处理工,艺,艺：,下料,锻,锻造,正,正火,矫,矫直,粗,粗加工,去应,力,力退火,调质,半精,加,加工,局,局部表,面,面淬火+低温,回,回火,矫,矫直,精,精磨,零,零件,铸造曲,轴,轴的工,艺,艺路线,：,：,铸造,高,高温正,火,火高,温,温回火,矫直,切削,加,加工,去,去应力,退,退火,轴,轴颈气,体,体渗氮,（,（碳氮,共,共渗）,矫直,精加,工,工零,件,件,