《金属材料与热处理》典型零件的选材原则及工艺路线设计教学文案.ppt

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1、金属材料与热处理典金属材料与热处理典型零件的选材原则及工艺型零件的选材原则及工艺路线设计路线设计 一、机械零件正确选材的使用性能原则一、机械零件正确选材的使用性能原则一、机械零件正确选材的使用性能原则一、机械零件正确选材的使用性能原则 使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。械性能、物理性能和化学性能。械性能、物理性能和化学性能。械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构对大量机器零件和工程构对大量机器零件和

2、工程构对大量机器零件和工程构件，则件，则件，则件，则主要是机械性能主要是机械性能主要是机械性能主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，。对一些特殊条件下工作的零件，。对一些特殊条件下工作的零件，。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到则必须根据要求考虑到则必须根据要求考虑到则必须根据要求考虑到材料的物理材料的物理材料的物理材料的物理、化学性能化学性能化学性能化学性能。材料的使材料的使材料的使材料的使用性能应满足使用要求。用性能应满足使用要求。用性能应满足使用要求。用性能应满足使用要求。使用性能原则使用性能原则使用性能原则使用性能原则n n 二、零件使用时的工作条件二、零件使用时的

3、工作条件二、零件使用时的工作条件二、零件使用时的工作条件n n （1 1）受力状况）受力状况）受力状况）受力状况 主要是载荷的类型主要是载荷的类型主要是载荷的类型主要是载荷的类型(例如动载、静载、循例如动载、静载、循例如动载、静载、循例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等环载荷或单调载荷等环载荷或单调载荷等环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点和大小；载荷的形式；载荷的特点和大小；载荷的形式；载荷的特点和大小；载荷的形式；载荷的特点等。等。等。等。n n （2 2）环境状况）环境状况）环境状况）环境状况 主要是温度特性、介质情况等。主要是温度特性、介质情况等。主要是温度特性、介质情况

4、等。主要是温度特性、介质情况等。n n （3 3）特殊要求）特殊要求）特殊要求）特殊要求 如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。观等的要求。观等的要求。观等的要求。n n 三、零件根据使用性能选材的步骤三、零件根据使用性能选材的步骤三、零件根据使用性能选材的步骤三、零件根据使用性能选材的步骤n n 第一步第一步第一步第一步:通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确通过对零件工作条件和失效形式的全面分析

5、，确定零件对使用性能的要求；定零件对使用性能的要求；定零件对使用性能的要求；定零件对使用性能的要求；n n 第二步第二步第二步第二步:利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；性能具体转化为实验室机械性能指标；性能具体转化为实验室机械性能指标；性能具体转化为实验室机械性能指标；n n 第三步第三步第三步第三步:根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载根

6、据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；荷，计算出零件中的应力分布；荷，计算出零件中的应力分布；荷，计算出零件中的应力分布；n n 第四步第四步第四步第四步:由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；n n 第五步第五步第五步第五步:利用手册根据使用性能选材。利

7、用手册根据使用性能选材。利用手册根据使用性能选材。利用手册根据使用性能选材。工工工工 作作作作 条条条条 件件件件 零件零件零件零件应力种应力种应力种应力种类类类类载荷性质载荷性质载荷性质载荷性质受载状态受载状态受载状态受载状态常见的失效形式常见的失效形式常见的失效形式常见的失效形式要求的主要机械性能要求的主要机械性能要求的主要机械性能要求的主要机械性能紧固紧固紧固紧固螺栓螺栓螺栓螺栓拉，拉，拉，拉，剪应力剪应力剪应力剪应力静载静载静载静载过量变形，断裂过量变形，断裂过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性强度，塑性强度，塑性传动传动传动传动轴轴轴轴弯，弯，弯，弯，扭应力扭应力扭应力扭

8、应力循环，冲循环，冲循环，冲循环，冲击击击击轴颈摩擦，轴颈摩擦，轴颈摩擦，轴颈摩擦，振动振动振动振动疲劳断裂，过量变形，疲劳断裂，过量变形，疲劳断裂，过量变形，疲劳断裂，过量变形，轴颈摩损轴颈摩损轴颈摩损轴颈摩损综合机械性能综合机械性能综合机械性能综合机械性能传动传动传动传动齿轮齿轮齿轮齿轮压，压，压，压，弯应力弯应力弯应力弯应力循环，冲循环，冲循环，冲循环，冲击击击击摩擦，振摩擦，振摩擦，振摩擦，振动动动动齿折断齿折断齿折断齿折断,磨损磨损磨损磨损,疲劳断疲劳断疲劳断疲劳断裂裂裂裂,接触疲劳接触疲劳接触疲劳接触疲劳(麻麻麻麻点点点点)表面高强度及疲劳极表面高强度及疲劳极表面高强度及疲劳极表面

9、高强度及疲劳极限，心部强度、限，心部强度、限，心部强度、限，心部强度、韧性韧性韧性韧性弹簧弹簧弹簧弹簧扭，扭，扭，扭，弯应力弯应力弯应力弯应力交变，冲交变，冲交变，冲交变，冲击击击击振动振动振动振动弹性失稳，疲劳破坏弹性失稳，疲劳破坏弹性失稳，疲劳破坏弹性失稳，疲劳破坏弹性极限，屈强比，弹性极限，屈强比，弹性极限，屈强比，弹性极限，屈强比，疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限冷作冷作冷作冷作模具模具模具模具复杂应复杂应复杂应复杂应力力力力交变，冲交变，冲交变，冲交变，冲击击击击强烈摩擦强烈摩擦强烈摩擦强烈摩擦磨损，脆断磨损，脆断磨损，脆断磨损，脆断硬度，足够的强度，硬度，足够的强度，硬度，足够的强

10、度，硬度，足够的强度，韧性韧性韧性韧性常用零件的工作和失效形式常用零件的工作和失效形式n n 由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况：情况：情况：情况：n n 材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理材料的性能不单与化学成分有

11、关，也与加工、处理材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。后的状态有关。后的状态有关。后的状态有关。n n 材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。正。正。正。n n 材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一材

12、料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。定波动范围。定波动范围。定波动范围。工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则n n 材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。考虑的问题。考虑的问题。考虑的问题。n n 1.1.性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线性能要求不高的一般金属零件选材的工

13、艺路线 毛坯毛坯毛坯毛坯正火或退火正火或退火正火或退火正火或退火切削加工切削加工切削加工切削加工零件。零件。零件。零件。n n 2.2.性能要求较高的金属零件选材的工艺路线性能要求较高的金属零件选材的工艺路线性能要求较高的金属零件选材的工艺路线性能要求较高的金属零件选材的工艺路线 毛坯毛坯毛坯毛坯预先热处理预先热处理预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火正火、退火正火、退火)粗加工粗加工粗加工粗加工最终热处最终热处最终热处最终热处理理理理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工精加工精加工精加

14、工零件。零件。零件。零件。n n 3.3.性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 毛坯毛坯毛坯毛坯预先热处理预先热处理预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火正火、退火正火、退火)粗加工粗加工粗加工粗加工最终热处最终热处最终热处最终热处理理理理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工半精加工半精加工半精加工稳稳稳稳定化处理或氮化定化处理或氮化定化处理或氮化定化处理或氮化精加

15、工精加工精加工精加工稳定化处理稳定化处理稳定化处理稳定化处理零件。零件。零件。零件。这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。尺寸精度和表面光洁度。尺寸精度和表面光洁度。尺寸精度和表面光洁度。经济性原则经济性原则经济性原则经济性原则n n 一、材料的价格一、材料的价格一、材料的价格一、材料的价格 n n 零件材料的价格无疑应该尽量低。零件材料的价格无疑应该尽量低。零件材料的价格无疑应该尽量低。零件材料的价格无疑应该尽量低。n

16、 n 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的部门中可占产品价格的部门中可占产品价格的部门中可占产品价格的30%30%70%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。n n 二、零件的总成本二、零件的总成本二、零件的总成本二

17、、零件的总成本 n n 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。n n 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。格有关。格有关。格有关。n n 三、国家的资源三、国家的资源三、国家的资源三、国家的资源n n

18、随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。n n 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽

19、量选用耗能低的材料。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。典型工件的选材及工艺路线设计典型工件的选材及工艺路线设计 主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件(齿轮齿轮齿轮齿轮、轴类零件轴类零件轴类零件轴类零件、弹簧和刃具弹簧和刃具弹簧和刃具弹簧和刃具)的工作条件、失效形式、性能要的工作条件、失效形式、性能要的工作条件、失

20、效形式、性能要的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。求及选材分析，举例说明典型工件的工艺路线。一、一、一、一、齿轮选材齿轮选材齿轮选材齿轮选材 1.1.齿轮的工作条件齿轮的工作条件齿轮的工作条件齿轮的工作条件(1)(1)由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；(2)(2)换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲

21、击载荷；换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；(3)(3)齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。及摩擦力的作用。及摩擦力的作用。及摩擦力的作用。2.2.齿轮的失效形式齿轮的失效形式齿轮的失效形式齿轮的失效形式 (1)(1)疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂 主要从根部发生；主要从根部发生；主要从根部发生；主要从根部发生；(2)(2)齿面磨损齿面磨损齿面磨损齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚

22、变小；由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；疲劳断裂 齿面磨损 (3)(3)齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产在交变接触应力作用下，齿面产在交变接触应力作用下，齿面产在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点或称麻点或称麻点或称麻点)；(4)(4)过载断裂过载断裂过载断裂过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。主要是冲击载荷过大造成的断齿。

23、主要是冲击载荷过大造成的断齿。主要是冲击载荷过大造成的断齿。齿面剥落 轮齿冲击断裂 3 3 齿轮材料的性能要求齿轮材料的性能要求齿轮材料的性能要求齿轮材料的性能要求(1)(1)高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；高的弯曲疲劳强度；(2)(2)高的接触疲劳强度和耐磨性；高的接触疲劳强度和耐磨性；高的接触疲劳强度和耐磨性；高的接触疲劳强度和耐磨性；(3)(3)较高的强度和冲击韧性。较高的强度和冲击韧性。较高的强度和冲击韧性。较高的强度和冲击韧性。此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热

24、处理变形此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。小等。小等。小等。n n 4 4齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材 齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载

25、断齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。裂。裂。裂。n n 从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类

26、钢的工艺性能好，经韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的材料。济上也较合理，所以是比较理想的材料。济上也较合理，所以是比较理想的材料。济上也较合理，所以是比较理想的材料。5 5典型齿轮选材举例典型齿轮选材举例典型齿轮选材举例典型齿轮选材举例 一、机床齿轮一、机床齿轮一、机床齿轮一、机床齿轮 机床变速箱齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，务。工作条件较好，转速

27、中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲载荷不大，工作平稳无强烈冲击。因此，一般可选中碳钢击。因此，一般可选中碳钢(45钢钢)制造，为了提高淬透性，制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢也可选用中碳合金钢(40Cr钢钢)。工艺路线为：工艺路线为：下料下料-锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-高频淬火及低温回火高频淬火及低温回火-精磨。精磨。冲击载荷小的低速齿轮也可采用冲击载荷小的低速齿轮也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁等铸铁制造。机床齿轮除选用金属齿轮外制造。机床齿轮除选用金属齿轮外,有的还可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、有的还可改用塑料齿轮

28、，如用聚甲醛齿轮、单体浇铸尼龙齿轮单体浇铸尼龙齿轮,工作时传动平稳工作时传动平稳,噪声减少噪声减少,长期使用磨损很小。长期使用磨损很小。二、汽车齿轮二、汽车齿轮二、汽车齿轮二、汽车齿轮 汽车后桥齿轮汽车后桥齿轮 渗碳齿轮的工艺路线为：渗碳齿轮的工艺路线为：渗碳齿轮的工艺路线为：渗碳齿轮的工艺路线为：下料下料下料下料-锻造锻造锻造锻造-正火正火正火正火-切削加工切削加工切削加工切削加工-渗碳、淬火及低温回火渗碳、淬火及低温回火渗碳、淬火及低温回火渗碳、淬火及低温回火-喷丸喷丸喷丸喷丸-磨削加工。磨削加工。磨削加工。磨削加工。汽车齿轮主要分装在变速箱汽车齿轮主要分装在变速箱汽车齿轮主要分装在变速箱

29、汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力和差速器中。汽车齿轮受力和差速器中。汽车齿轮受力和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨较大，受冲击频繁，其耐磨较大，受冲击频繁，其耐磨较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以性、疲劳强度、心部强度以性、疲劳强度、心部强度以性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机及冲击韧性等，均要求比机及冲击韧性等，均要求比机及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。一般用合金渗碳床齿轮高。一般用合金渗碳床齿轮高。一般用合金渗碳床齿轮高。一般用合金渗碳钢钢钢钢20Cr20Cr或或或或20CrMnTi20CrMnTi制造。制造。制造。制造。二、轴类

30、零件选材二、轴类零件选材二、轴类零件选材二、轴类零件选材 1 1 轴类零件的工作条件轴类零件的工作条件轴类零件的工作条件轴类零件的工作条件(1)(1)工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；(2)(2)轴与轴上零件有相对运动轴与轴上零件有相对运动轴与轴上零件有相对运动轴与轴上零件有相对运动,相互间存在摩擦和磨损；相互间存在摩擦和磨损；相互间存在摩擦和磨损；相互间存在摩擦和磨损；(3)(3)轴在高速运转过程中会产生振动轴在高速运转过程中会产生振动轴在高速运转过程中会产生

31、振动轴在高速运转过程中会产生振动,使轴承受冲击载荷；使轴承受冲击载荷；使轴承受冲击载荷；使轴承受冲击载荷；(4)(4)多数轴会承受一定的过载载荷。多数轴会承受一定的过载载荷。多数轴会承受一定的过载载荷。多数轴会承受一定的过载载荷。2 2 轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式轴类零件的失效方式 (1)(1)长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；劳断裂）；劳断裂）；劳断裂）；(2)(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂

32、；大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；(3)(3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。转轴弯曲疲劳断口形貌 直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断 轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损 3 3 轴类零件的性能要求轴类零件的性能要求轴类零件的性能要求轴类零件的性能要求(1)(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性良好的综合机械性能，足够强度、塑性和

33、一定韧性良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性,以防过载断裂、冲击断裂；以防过载断裂、冲击断裂；以防过载断裂、冲击断裂；以防过载断裂、冲击断裂；(2)(2)高疲劳强度高疲劳强度高疲劳强度高疲劳强度,对应力集中敏感性低对应力集中敏感性低对应力集中敏感性低对应力集中敏感性低,以防疲劳断裂；以防疲劳断裂；以防疲劳断裂；以防疲劳断裂；(3)(3)足够淬透性足够淬透性足够淬透性足够淬透性,热处理后表面要有高硬度、高耐磨性热处理后表面要有高硬度、高耐磨性热处理后表面要有高硬度、高耐磨性热处理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨损失效；以防磨损失效；以防磨损失效；以防磨损失效；(4)(4)良好切削加工性

34、能良好切削加工性能良好切削加工性能良好切削加工性能,价格便宜。价格便宜。价格便宜。价格便宜。n n 4 4 轴类零件材料及选材方法轴类零件材料及选材方法轴类零件材料及选材方法轴类零件材料及选材方法 一、材料一、材料一、材料一、材料n n 经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有

35、一定综合机械性能、对应力集劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如中敏感性较小），如中敏感性较小），如中敏感性较小），如3535、4040、4545、5050钢，经正火、调质或表面淬火热处理改钢，经正火、调质或表面淬火热处理改钢，经正火、调质或表面淬火热处理改钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要

36、求善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如高时采用合金钢，如高时采用合金钢，如高时采用合金钢，如40Cr40Cr、40MnB40MnB、40CrNiMo40CrNiMo、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等；也可等；也可等；也可等；也可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。n n 二、选择原则二、选择原则二、选择原则二、选择原则n n 根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的根据载荷

37、大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。5 5 典型轴的选材典型轴的选材典型轴的选材典型轴的选材 一、机床主轴选材一、机床主轴选材一、机床主轴选材一、机床主轴选材 以以以以C620C620车床主轴为例进行选材。车床主轴为例进行选材。车床主轴

38、为例进行选材。车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩可满足要求。但大端的轴

39、颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。C620车床主轴简图主轴用主轴用45钢制造。钢制造。做一做做一做：制定工艺路线制定工艺路线 载荷较大的主轴用载荷较大的主轴用40Cr钢制造。钢制造。承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴用合金渗碳钢（20Cr或或20CrMnTi）制造。制造。其它机床主轴选材其它机床主轴选材其它机床主轴选材其它机床主轴选材 二、内燃机曲轴选材二、内燃机曲轴选材二、内燃机曲轴选材二、内燃机曲轴选材

40、 1.1.曲轴的工作条件、性能要求、材料曲轴的工作条件、性能要求、材料曲轴的工作条件、性能要求、材料曲轴的工作条件、性能要求、材料 （1 1）工作条件）工作条件）工作条件）工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。应力分布不均匀；曲

41、轴颈与轴承有滑动摩擦。应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。（2 2）性能要求）性能要求）性能要求）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨

42、性。扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。（3 3）曲轴材料）曲轴材料）曲轴材料）曲轴材料 锻钢曲轴：锻钢曲轴：锻钢曲轴：锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如优质中碳钢和中碳合金钢，如优质中碳钢和中碳合金钢，如优质中碳钢和中碳合金钢，如3535、4040、4545、35Mn235Mn2、40Cr,35CrMo40Cr,35CrMo钢等；钢等；钢等；钢等；铸造曲轴：铸造曲轴：铸造曲轴：铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金

43、铸铁等铁等铁等铁等,如如如如ZG25ZG25、QT600-3QT600-3、QT700-2 QT700-2、KTZ450-5KTZ450-5、KTZ500-4KTZ500-4等。等。等。等。2.175A2.175A型农用柴油机曲轴选材型农用柴油机曲轴选材型农用柴油机曲轴选材型农用柴油机曲轴选材 175A型柴油机曲轴简图n n （1 1）性能要求）性能要求）性能要求）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及

44、耐磨。要求滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求 b b 750 750 MPa,MPa,整体硬度整体硬度整体硬度整体硬度240 HBS240 HBS260 HBS,260 HBS,轴颈表面硬度轴颈表面硬度轴颈表面硬度轴颈表面硬度 625 625 HV,HV,2%,2%,a ak k 150 kJ/m2150 kJ/m2。n n （2 2）曲轴材料）曲轴材料）曲轴材料）曲轴材料 QT700-2 QT700-2n n（3 3）工艺路线）工艺路线）工艺路线）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮

45、。铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮。汽车发动机曲轴也可用汽车发动机曲轴也可用汽车发动机曲轴也可用汽车发动机曲轴也可用4545、40Cr40Cr钢制造，经过模锻、调钢制造，经过模锻、调钢制造，经过模锻、调钢制造，经过模锻、调质、切削加工后质、切削加工后质、切削加工后质、切削加工后,在轴颈部位进行表面淬火。在轴颈部位进行表面淬火。在轴颈部位进行表面淬火。在轴颈部位进行表面淬火。三、三、三、三、弹簧选材弹簧选材弹簧选材弹簧选材 弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料弹簧是一种重要的机械零件。它

46、的基本作用是利用材料弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。转变为动能或机械功。转变为动能或机械功。转变为动能或机械功。弹簧按形状分主要有螺旋弹簧弹簧按形状分主要有

47、螺旋弹簧弹簧按形状分主要有螺旋弹簧弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧压缩、拉伸、扭转弹簧压缩、拉伸、扭转弹簧压缩、拉伸、扭转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。(a)压缩螺旋弹簧(b)拉伸螺旋弹簧(c)扭转螺旋弹簧(d)板弹簧(e)片弹簧 弹簧有下列用途：弹簧有下列用途：(1)缓冲或减振缓冲或减振 如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。(2)定位定位 如机床及其夹具中利用弹簧将定位销如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠或滚珠)压在定位孔压在定位孔(

48、或槽或槽)中。中。(3)复原复原 外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。(4)储存和释放能量储存和释放能量 如钟表、玩具中的发条。如钟表、玩具中的发条。(5)测力测力 如弹簧称、测力计中使用的弹簧。如弹簧称、测力计中使用的弹簧。n n 1 1 弹簧的工作条件弹簧的工作条件弹簧的工作条件弹簧的工作条件n n(1)(1)弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。受弯曲应力

49、或扭转应力。受弯曲应力或扭转应力。受弯曲应力或扭转应力。n n(2)(2)缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。荷的作用。荷的作用。荷的作用。n n(3)(3)某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。n n 2 2 弹簧的失效形式弹簧的失效形式弹簧的失效形式弹簧的失效形式n n (1)(1)塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形 在外载荷作用下，材料内部产生的

50、弯曲应力或扭转应在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。n n (2)(2)疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂 在交变应力作用下，弹簧表面缺陷在