第十四章 机械零件材料及毛坯选择.
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1、第第1414章章 机械零件材料机械零件材料及毛坯选择及毛坯选择14.1 选材原则选材原则选材的动机选材的动机 开发新产品、产品的改进和更新换代。开发新产品、产品的改进和更新换代。选材原则选材原则使用使用 、工艺性能、工艺性能经济性经济性环境与资源原则环境与资源原则一、材料的使用性能一、材料的使用性能 首要原则首要原则.零件的工作条件和失效形式零件的工作条件和失效形式 零件失效类型零件失效类型 变形变形 弹、塑性变形。弹、塑性变形。 断裂断裂 脆、塑性，疲劳断裂。脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤表面损伤 磨损、腐蚀等。磨损、腐蚀等。 零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求
2、应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变形疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳疲劳断裂，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限零件失效的原因
3、零件失效的原因 设计、材料、加工、安装和使用。设计、材料、加工、安装和使用。.工作环境工作环境 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。温度，介质（如腐蚀，摩擦）。.特殊功能要求特殊功能要求 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。.性能要求的指标化性能要求的指标化 如强硬度、塑韧性等的具体数值。如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性手册数据、经验公式的局限性 力学性能与零件尺寸有关力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能钢不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条件热处理条件毛坯尺寸毛坯尺寸/ /mmmmb / MPa/ %AKU / J850淬火淬
4、火580016120307501580500回火回火5070015561006001340二、工艺性能二、工艺性能 铸、锻、焊、机加工、热处理铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线零件的加工工艺路线一般零件一般零件 毛坯毛坯 正火或退火正火或退火 切削加工切削加工轴、齿轮轴、齿轮 等等毛坯毛坯 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（淬火最终热处理（淬火回火，时效，渗回火，时效，渗C等）等）精加工精加工精密丝杠精密丝杠毛坯毛坯 预先热处理预先热处理 粗加工粗加工 最终热处理最终热处理 半精加工半精加工时效（或时效（或 N化）化） 精加工精加工 时效时效
5、三、经济性三、经济性 根本原则根本原则.产品成本分析产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率）基本材料的成本（价格、利用率） 占总成本的占总成本的3070%制造（加工）成本制造（加工）成本 约占零件成本的约占零件成本的30%加工成本加工成本 = 工具与设备费用工具与设备费用 + 每件产品成本每件产品成本 生产批量生产批量材材 料料美元美元 / t材材 料料美元美元 / t铂铂26,000,000 工业金刚石工业金刚石900,000,000 金金19,100,000 硼硼环氧树脂复合材料环氧树脂复合材料330,000 钨钨26,000 碳纤维复材料碳纤维复材料200,000 钛合金钛合金10,1
6、9012,720 玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料24003300 黄铜（型材）黄铜（型材）16502336 尼龙尼龙663289 铝合金（型材）铝合金（型材）20002440 环氧树脂环氧树脂1650 低碳钢（型材）低碳钢（型材）440480 天然橡胶天然橡胶1430 铸铁铸铁260 氧化铝氧化铝1100-1760 硬质合金硬质合金66,000 玻璃玻璃1500四、环境与资源原则四、环境与资源原则 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。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重要金属的世界储量 .环境污
7、染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解 储量（储量（10106t）可用年数可用年数再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti1475114.2 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺一、齿轮选材一、齿轮选材性能要求性能要求 齿面硬度（决定齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度弯曲、接触疲劳强度，耐磨性耐磨性）强度，韧性。强度，韧性。 选材选材调质钢调质钢 调质调质 + 表面淬火表面淬火 + 低温回火低温回火 渗渗C钢钢 硬度、韧性高。硬度、韧性
8、高。实例实例 载重汽车变速箱齿轮载重汽车变速箱齿轮性能指标性能指标 b1000MPa，aKU250J ，齿面硬度齿面硬度HRC55 。选材选材 20CrMnTi，b 1080MPa ， aKU2 55J，齿面齿面HRC5863 。最终热处理工艺最终热处理工艺 930渗渗C + 预冷预冷830油淬油淬 + 200回火回火最终组织最终组织 心部：回火心部：回火M + F齿面：回火齿面：回火M + 碳化物碳化物 + A 工艺路线工艺路线 锻造锻造正火正火机加工机加工渗渗C、淬火低温回火淬火低温回火喷丸喷丸磨削磨削二、机床主轴选材二、机床主轴选材性能要求性能要求 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。强
9、度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴普通车床（轻载）主轴 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴铣床（中载）主轴 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴组合机床（重载）主轴 20CrMnTi ，经渗经渗C、淬火、回火处理。淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴精密镗床（高精度）主轴 38CrMoAl ，调质调质 + N化化 + 时效。时效。实例实例 C620 车床车床主轴主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。 性能指标性能指标 硬度硬度
