零部件的失效与选材.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流零部件的失效与选材.精品文档.第十三章 零部件的失效与选材第一节 零部件的失效一、失效概念所谓失效（failure）是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。由于零部件的失效，会使机床失去加工精度、输气管道发生泄漏、飞机出现故障等，严重地威胁人身生命和生产的安全，造成巨大的经济损失。因此，分析零部件的失效原因、研究失效机理、提出失效的预防措施便具有十分重要的意义。二、失效形式零部件常见的失效形式有变形失效(deformation failure)、断裂失效(fracture failure)、表面损伤失效(surface damage failure)及材料老化失效(materials ageing failure)等。1、变形失效 弹性变形失效 一些细长的轴、杆件或薄壁筒零部件，在外力作用下将发生弹性变形，如果弹性变形过量，会使零部件失去有效工作能力。例如镗床的镗杆，如果工作中产生过量弹性变形，不仅会使镗床产生振动，造成零部件加工精度下降，而且还会使轴与轴承的配合不良，甚至会引起弯曲塑性变形或断裂。引起弹性变形失效的原因，主要是零部件的刚度不足。因此，要预防弹性变形失效，应选用弹性摸量大的材料。 塑性变形失效 零部件承受的静载荷超过材料的屈服强度时，将产生塑性变形。塑性变形会造成零部件间相对位置变化，致使整个机械运转不良而失效。例如压力容器上的紧固螺栓，如果拧得过紧，或因过载引起螺栓塑性伸长，便会降低预紧力，致使配合面松动，导致螺栓失效。2、断裂失效断裂失效是零部件失效的主要形式，按断裂原因可分为以下几种： 韧性断裂(toughness fracture)失效材料在断裂之前所发生的宏观塑性变形或所吸收的能量较大的断裂称为韧性断裂。工程上使用的金属材料的韧性断口多呈韧窝状，如图13-1所示。韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧断产生的。图13-1 韧窝断口 脆性断裂(brittle fracture)失效材料在断裂之前没有塑性变形或塑性变形很小（<25%）的断裂称为脆性断裂。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。 疲劳断裂(fatigue fracture)失效零部件在交变应力作用下，在比屈服应力低很多的应力下发生的突然脆断，称为疲劳断裂。由于疲劳断裂是在低应力、无先兆情况下发生的，因而具有很大的危险性和破坏性。据统计，80%以上的断裂失效属于疲劳断裂。疲劳断裂最明显的特征是断口上的疲劳裂纹扩展区比较平滑，并通常存在疲劳休止线或疲劳纹疲劳断裂的断裂源多发生在零部件表面的缺陷或应力集中部位。提高零部件表面加工质量，减少应力集中，对材料表面进行表面强化处理，都可以有效地提高疲劳断裂抗力。 低应力脆性断裂失效石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。对于含裂纹的构件，要用抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标一断裂韧性（K1C）来衡量，以确保安全。低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。金属在正应力作用下，因原子间的结合键被破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的主要特征是其断口上存在河流花样（见图13-2），它是由于不同高度解理面之间产生的台阶逐渐汇聚而形成的。沿晶断裂的断口呈冰糖状（见图13-3）。图13-2 解理断口图13-3 沿晶断口3、表面损伤失效 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。 磨损(wear)失效 磨损失效是工程上量大面广的一种失效形式。任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。例如轴与轴承，齿轮与齿轮、活塞环与汽缸套等摩擦付在服役时表面产生的损伤。 工程上主要是通过提高材料的硬度来提高零部件的耐磨性。另外，增加材料组织中硬质相的数量，并让其均匀、细小的分布；选择合理的磨擦付硬度配比；提高零部件表面加工质量；改善润滑条件等都能有效地提高零部件的抗磨损能力。提高材料耐磨性的主要途径是进行表面强化，表13-1列出了表面强化工艺方法的分类及特点。 腐蚀(corrosion)失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。合理地选用耐腐蚀材料，在材料表面涂覆防护层，采用电化学保护及采用缓蚀剂等可有效提高材料的抗腐蚀能力。表13-1 表面强化方法的分类和特点分类强化方法硬化层组织结构硬化层厚度，.mm可获得的表面硬度及变化表层残余应力大小，MPa适用工件材料最小最大表面形变强化及表面抛、磨光喷丸亚晶粒细化，高密度位错0.41.0增加20%40%压应力48钢，铸铁，有色金属滚轮磨光1.020.0增加20%50%压应力68流体抛光0.10.3增加20%40%压应力24金刚砂磨光0.010.20增加30%60%压应力810化学热处理渗碳马氏体及碳化物0.52.0HRC6067压应力410低碳钢氮化氮化物0.050.60HV6501200压应力410钢，铸铁渗硼硼化物0.070.15HV13001800钢，铸铁渗钒碳化钒0.0050.02HV28003500钢，铸铁渗硫低硬度硫化物（减摩）0.051.00-钢，铸铁表面冶金强化表面冶金涂层固溶体+化合物0.520HB200650拉应力15钢，铸铁有色金属表面激光处理细化组织HV10001200钢表面激光上轴非晶态Fe-P-SiHV12901530 钢表面薄膜强化镀铬纯金属0.011.0HV5001200拉应力26钢、铸铁，有色金属化学气相沉积TiC，TiN0.0010.01HV12003500离子镀Al膜，Cr膜0.0010.01HV2002000化学镀Ni-P，Ni-B0.0050.1HV4001200电刷镀高密度位错0.0050.3-0.5HV200700 表面疲劳失效 表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。4、材料的老化 高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。一个零部件失效，总是以一种形式起主导作用。但是，各种失效因素相互交叉作用，可以组合成更复杂的失效形式。例如应力腐蚀、腐蚀疲劳、腐蚀磨损、蠕变疲劳交互作用等。三、失效原因 造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。1、设计不合理零部件设计不合理主要表现在零部件尺寸和结构设计上，例如过渡园角太小，尖锐的切口、尖角等会造成较大的应力集中而导致失效。另外，对零部件的工作条件及过载情况估计不足，所设计的零部件承载能力不够；或对环境的恶劣程度估计不足，忽略和低估了温度、介质等因素的影响等，造成零部件过早失效。2、选材错误选材所依据的性能指标，不能反映材料对实际失效形式的抗力，不能满足工作条件的要求，错误地选择了材料。另外，材料的治金质量太差，如存在夹杂物、偏析等缺陷，而这些缺陷通常是零部件失效的发源地。3、加工工艺不当零部件在加工或成形过程中，由于采用的工艺不当而产生的各种质量缺陷。例如较深的切削刀痕、磨削裂纹等，都可能成为引发零部件失效的危险源。零部件热处理时，冷却速度不够、表面脱碳、淬火变形和开裂等，都是产生失效的重要原因。4、装配使用不当在将零部件装配成机器或装置的过程中，由于装配不当、对中不好、过紧或过松都会使零部件产生附加应力或振动，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用维护不良，不按工艺规程操作，也可使零部件在不正常的条件下运转，造成零部件过早失效。四、失效分析 由于零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈来愈受到重视。通过失效分析，找出失效原因和预防措施，可改进产品结构，提高产品质量，发现管理上的漏洞，提高管理水平，从而提高经济效益和社会效益。失效分析的成果也常是新产品开发的前提，并能推动材料科学理论的发展。失效分析是一个涉及面很广的交叉学科。掌握了正确的失效分析方法，才能找到真正合乎实际的失效原因，提出补救和预防措施。1、失效分析的一般程序 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。 调查零部件的服役条件和失效过程。 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。 试验研究： 材料成分分析及宏观与微观组织分析。检查材料成分是否附合标准，组织是否正常（包括晶粒度，缺陷，非金属夹杂物，相的形态、大小、数量、分布，裂纹及腐蚀情况等）。 宏观和微观的断口分析，确定裂纹源及断裂形式（脆性断裂还是韧性断裂，穿晶断裂还是沿晶断裂，疲劳断裂还是非疲劳断裂等）。 力学性能分析。测定与失效形式有关的各项力学性能指标。 零部件受力及环境条件分析。分析零部件在装配和使用中所承受的正常应力与非正常应力，是否超温运行，是否与腐蚀性介质接触等。 模拟试验。对一些重大失效事故，在可能和必要的情况下，应作模拟试验，以验证经上述分析后得出的结论。 综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进措施，写出分析报告。2、失效分析实例 锅炉给水泵轴的断裂分析某大型化肥厂从国外引进的两台离心式锅炉给水泵在试车过程中只运行了1400多小时便先后发生断轴事故，严重地影响了工厂的正常试车和投产。泵轴的材质相当于我国的42CrMo钢，外径为90mm，断裂部位为平衡鼓附近的轴节处，该处最小直径为74mm。在试车期间，给水泵曾频繁开停车。图13-4为泵轴的断口照片。图13-4 锅炉给水泵轴的断口成分分析表明，泵轴材料的含碳量高于标准的上限（0.45%）达到0.48%。泵轴的心部组织为魏氏组织，表面为粗大晶粒的回火索氏体组织。显然，泵轴材料为不合格材料。泵轴表面机械加工粗糙，断口部位有四条明显的深车刀痕，泵轴正是沿着这些刀痕之一整齐地发生脆性断裂。断口上存在着明显的疲劳休止线，最终韧性断裂区为较小的椭圆形区域，并且偏心。断口边缘存在许多撕裂台阶，为多源断裂。结论：泵轴的断裂为低载荷高应力集中的旋转弯曲疲劳断裂。深的车刀痕是高应力集中源，也是引起泵轴断裂的主要原因。泵轴材料是成分和热处理组织不合格材料。根据这一分析结论，国外厂商对化肥厂进行了赔付。 合成气压缩机提板阀杆断裂分析某大型合成氨厂合成气压缩机提板阀杆多次在开车后35天内断裂，严重影响正常生产，造成巨大经济损失。该压缩机是按进口机仿制的。阀杆材质为Cr11MoV，成分符合国标，组织基本正常（回火索氏体），工作介质为蒸汽。阀杆断口存在疲劳纹，裂纹源位于阀杆一侧边缘，最终瞬断区占断面绝大部分面积，为高载荷小应力集中的弯曲疲劳断裂。断裂发生于阀杆的上罗纹处（用以将阀杆固定在阀板上），在断口附近的罗纹根部与同侧下罗纹的根部发现了大量裂纹，这些裂纹平直，短而粗，尖端较钝，分支少而小，并成群出现，裂纹内充满腐蚀产物，为典型腐蚀疲劳裂纹。根据裂纹出现位置和紧固螺母与垫片之间磨痕轻重程度发现，阀杆与阀板孔偏心，使阀杆受到弯矩作用。结论：阀杆断裂为高载荷小应力集中弯曲腐蚀疲劳断裂，加工与装配不合理引起的弯曲应力是阀杆断裂的主要原因。建议适当扩大阀板孔，消除导致阀杆弯曲的因素。经改进后再未发生阀杆断裂事故。 气化炉氧管线内壁裂纹分析某化工厂进口装置气化炉的氧管线因多次泄漏影响生产而被换下，将氧管剖开后，发现其内壁存在大量裂纹，如图13-5(a)所示。氧管内通有314、105大气压的饱和蒸汽和150、100大气压纯氧的混合气体。这些裂纹的存在会严重威胁人身生命和装置的安全。氧管材质为进口TP321钢（1Cr19Ni11Ti），外径为114.3mm，壁厚为8.56mm。其成分符合ASTM标准，组织正常，无明显塑性变形。显微观察发现，裂纹起源于内壁并穿晶向外壁扩展，裂纹分支很多，尖端尖锐且存在腐蚀产物，其在径向上的形态为枯树枝状（见图13-5(b)），这些都是应力腐蚀裂纹的典型特征。应力腐蚀严重部位裂纹的径向长度已超过6mm，即壁厚的70%。氧管所受应力来自于内压，经计算，管内壁周向拉应力达63MPa。腐蚀来自于饱和蒸汽中的氯离子。尽管蒸汽用水中氯离子浓度不超过1ppm，但314的饱和蒸汽遇到150纯氧后会部分凝结于管壁，并在管壁缺陷处（如腐蚀坑）使氯离子浓缩。结论：氧管内壁损伤是应力腐蚀开裂，开裂原因是由于选材不当造成的。(a) 着色后内壁裂纹 (b) 径向裂纹 50×图13-5 氧管内壁裂纹 乙烯裂解管内壁局部腐蚀分析某大型石化厂的关键部件乙烯裂解管发生内壁减薄，严重威胁工厂正常安全生产。裂解管材质为HK40（ZG4Cr25Ni20）钢，外径为73mm，壁厚为7.5mm，管内介质为煤柴油和水蒸气，介质温度为800900，压力为0.170.25MPa，介质中硫含量较高（0.61.0%）。裂解管材料成分、组织正常。图13-6 裂解管内壁的高温腐蚀减薄裂解管因内壁局部高温腐蚀而减薄，减薄量达60%（最薄处壁厚仅为3 mm），如图13-6所示。减薄处覆盖较厚的腐蚀产物，经X-射线衍射分析，腐蚀产物为铁、铬、镍的氧化物和硫化物。基体附近腐蚀产物中元素分布的电子探针分析结果表明（见图13-7），腐蚀产物在靠近基体处分层，在腐蚀产物与基体的交界处及枝晶间腐蚀产物中，铬、硫含量很高，特别是在枝晶间腐蚀的前沿则全部是铬的硫化物。枝晶间腐蚀深度的约三分之一向外，腐蚀产物中开始有氧出现。在从交界处向外的整个腐蚀层中，氧含量很高，而硫含量很低。结论：裂解管减薄是由于高温下内壁的硫化和氧化腐蚀造成的，硫化腐蚀是引起减薄的主要原因。其腐蚀机理是在管内壁浓缩的硫穿过被破坏的Cr2O3氧化膜进入合金中，并首先与铬形成铬的硫化物（铬与硫的结合力比铁、镍强）。硫化物一旦形成，便存在着被优先氧化的倾向，氧扩散进入贫铬区， (a) 二次电子像 (b) 铬的面分布 (c) 硫的面分布 (d) 氧的面分布图13-7 合金基体附近腐蚀产物中元素的面分布与硫化物发生置换反应：2CrXS+3XO=XCr2O3+2S，在合金内部形成Cr2O3。由于硫在金属中的扩散速度比氧大，被置换出的硫进一步向内扩散，在合金深处的富铬相如铬的碳化物处形成新的硫化物，这种硫化和氧化反应是反复交替进行的。所形成的腐蚀产物与基体之间会形成低熔点共晶体，当共晶体温度低于使用温度时，共晶体便会发生熔融。由于硫和氧通过液体的扩散比固体快，从而使合金的腐蚀加速。 采用低硫原料气或耐硫腐蚀裂解管材料可有效防止高温硫化腐蚀破坏。第二节 零部件的选材在掌握各种工程材料性能的基础上，正确、合理地选择和使用材料是从事工程构件和机械零件设计与制造的工程技术人员一项重要的任务。一、选材的基本原则选材的基本原则是所选材料的使用性能应能满足零部件使用要求，经久耐用，易于加工，成本低，即从材料的使用性能、工艺性能和经济性三个方面进行考虑。1、使用性能原则使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。使用性能是指零部件在工作过程中应具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。对于机械零件，最重要的使用性能是力学性能，对零部件力学性能的要求，一般是在分析零部件的工作条件（温度、受力状态、环境介质等）和失效形式的基础上提出来的。根据使用性能选材的步骤如下： 分析零部件的工作条件，确定使用性能 零部件的工作条件是复杂的。工作条件分析包括受力状态（拉、压、弯、剪切）、载荷性质（静载、动载、交变载荷）、载荷大小及分布、工作温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑剂、海水、酸、碱、盐等）、对零部件的特殊性能要求（电、磁、热）等。在对工作条件进行全面分析的基础上确定零部件的使用性能。 分析零部件的失效原因，确定主要使用性能对零部件使用性能的要求，往往是多项的。例如传动轴，要求其具有高的疲劳强度、韧性和轴颈的耐磨性。因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确确定出零部件所必需的主要使用性能。例如，曲轴在工作时承受冲击、交变等载荷作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要使用性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。表13-2列出了几种常见零部件的工作条件、失效形式及对性能的要求。表13-2 几种常用零部件的工作条件及对性能要求零部件工作条件失效形式主要力学性能承受应力载荷性质紧固螺栓拉、剪静过量变形、断裂强度、塑性传动齿轮压、弯循环、冲击磨损、麻点、剥落、疲劳断裂表面硬度、疲劳强度、心部韧性传 动 轴弯、剪循环、冲击疲劳断裂、过量变形、轴颈磨损综合力学性能弹 簧弯、剪循环、冲击疲劳断裂屈强比、疲劳强度连 杆拉、压循环、冲击断裂综合力学性能轴 承压循环、冲击磨损、麻点剥落、疲劳断裂硬度、按触疲劳强度冷作模具复杂循环、冲击磨损、断裂硬度、足够的强度和韧性 将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求有了对零部件使用性能的要求，还不能马上进行选材。还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性能要求指标化和量化。例如“高硬度”这一使用性能要求，需转化为“>60HRC”或“6265HRC”等。这是选材最关键、最困难的一步。需根据零部件的尺寸及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确定性能指标的具体数值。 材料的预选 根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进行判断、选材。对用预选材料设计的零部件，其危险截面在考虑安全系数后的工作应力，必须小于所确定的性能指标数据值。然后再比较加工工艺的可行性和制造成本的高低、以最优方案的材料作为所选定的材料。2、工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。因此在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零部件的质量、生产效率和成本。当工艺性能与使用性能相矛盾时，有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合格的材料不得不被放弃，成为选择材料的主导因素。工艺性能对大批量生产的零部件尤为重要，因为在大批量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。 金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能概括介绍如下：     金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的能力。主要是切削加工性能、材料的成型性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。 铸造性能主要指流动性、收缩性、热裂倾向性、偏折和吸气性等。接近共晶成分合金的铸造性能最好。铸铁、硅铝明等一般都接近共晶成分。铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁又优于铸钢。 锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力以及可热压力加工的温度范围，抗氧化性和对加热、冷却的要求等。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低合金钢的锻造性接近中碳钢。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。形变铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。铸铁、铸造铝合金不能进行冷热压力加工。 切削加工性能是指材料接受切削加工的能力。一般用切削硬度、被加工表面的粗糙度、排除切屑的难易程度以及对刃具的磨损程度来衡量。材料硬度在160230HB范围内时，切削加工性能好。硬度太高，则切削抗力大，刃具磨损严重，切削加工性下降。硬度太低，则不易断屑，表面粗糙度加大，切削加工性也差。高碳钢具有球状碳化物组织时，其切削加工性优于层片状组织。马氏体和奥氏体的切削加工性差。高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）切削加工性也差。 焊接性能是指金属接受焊接的能力。一般以焊接接头形成冷裂或热裂以及气孔等缺陷的倾向大小来衡量。含碳量大于0.45%的碳钢和含碳量大于0.38%的合金钢，其焊接性能较差，碳含量和合金元素含量越高、焊接性能越差，铸铁则很难焊接。铝合金和铜合金，由于易吸气、散热快，其焊接性比碳钢差。 热处理工艺性能主要指淬透性、变形开裂倾向及氧化、脱碳倾向等。钢和铝合金、钛合金都可以进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能优于碳钢。形状复杂或尺寸大、承载高的重要零部件要用合金钢制作。碳钢含碳量越高，其淬火变形和开裂倾向越大。选渗碳用钢时，要注意钢的过热敏感性；选调质钢时，要注意钢的高温回火脆性；选弹簧钢时，要注意钢的氧化、脱碳倾向。     高分子材料工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。     陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺路线为：备料成形加工（配料、压制、烧结）磨加工装配。陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化硅或金刚石砂轮进行磨加工外，几乎不能进行任何切削加工。3、经济性原则选材的经济性原则是在满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的总成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本、减少运输、实验研究费用。选用一般碳钢和铸铁能满足要求的，就不应选用合金钢。在满足使用要求的条件下，可以铁代钢，以铸代锻、以焊代锻，有效地降低材料成本、简化加工工艺。例如用球墨铸铁代替锻钢制造中、低速柴油机曲轴、铣床主轴，其经济效益非常显著。对于要求表面性能高的零部件，可选用低廉的钢种进行表面强化处理来达到要求。当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最便宜的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。例如，一些能影响整体生产装置中的关键零部件，如果选用便宜材料制造，则需经常更换，其换件时停车所造成的损失可能大得多，这时选用性能好、价格高的材料，其总成本仍可能是最低的。二、典型零部件选材及工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。 齿轮类零件的选材齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。 齿轮的工作条件：啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。 齿轮的主要失效形式：断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。 对齿轮材料的性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；轮齿心部要有足够的强度和韧性。2、典型齿轮的选材 机床齿轮 机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。表13-3 机床齿轮的选材及热处理序号齿轮工作条件钢种热处理工艺硬度要求1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮159009500C渗碳，直接淬火，或7808000C水冷，1802000C回火5863HRC2低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的不重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮458408600C正火156217HB3低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）458208400C水冷，5005500C回火200250HB4中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如车床变速箱中的次要齿轮）45高频加热，水冷，3003400C回火4550HRC5速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿部硬度要求较高（如钻床变速箱中的次要齿轮）45高频加热，水冷，2402300C回火5055HRC6高速、中等载荷，要求齿面硬度高的齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）45高频加热，水冷，1802000C回火5460HRC7速度不大，中等载荷，断面较大的齿轮（如铣床工作面变速箱齿轮、立车齿轮）40Cr42SiMn45MnB8408600C油冷，6006500C回火200230HB8中等速度（24m/s）、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮40Cr42SiMn调质后高频加热，乳化液冷却，2603000C回火5055HRC9高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮40Cr42 SiMn调质后高频加热，乳化液冷却，1802000C回火，5460HRC10高速、中载荷、受冲击、模数<5的齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床的电动机齿轮）20Cr20Mn2B9009500C渗碳，直接淬火，或8008200C油淬，1802000C回火5863HRC11高速、重载荷、受冲击、模数>6的齿轮（如立车上的重要齿轮）20SiMnVB20CrMnTi9009500C渗碳，降温至8208500C淬火，1802000C回火5863HRC12高速、重载荷、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮38CrMoAl38CrAl正火或调质后5105500C氮化850HV以上13在不高载荷下工作的大型齿轮50Mn265Mn8208400C空冷<241HB14传动精度高，要求具有一定耐磨性的大齿轮35CrMo8508700C空冷，6006500C回火（热处理后精切齿形）255302HB机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达5258HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。其工艺路线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工高频淬火+低温回火装配。正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度一般为180207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为3348HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。 汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。表13-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理序号齿轮类型常用钢种热处理主要工序技术条件1汽车变速箱和分动箱齿轮20CrMnTi20CrMo等渗碳层深：mn<3时，0.6-1.0mm； 3< mn <5时，0.9-1.3mm；mn >5时，1.1-1.5mm齿面硬度：58-64HRC心部硬度：mn5时, 32-45HRC；mn >5时，29-45HRC40Cr（浅层）碳氮共渗层深：>0.2mm表面硬度：51-61HRC2汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮20CrMnTi 20CrMo渗碳渗层深度按图纸要求，硬要求同序号1中渗碳工序层深：ms5时 , 0.9-1.3mm；5< ms <8时，1.0-1.4mm；ms >8时，1.2-1.6mm齿面硬度：58-64HRC心部硬度：ms8时，32-45HRC；ms >8时，29-45HRC汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮20CrMnTi20CrMnMo渗碳3汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮20CrMnTi20CrMo20CrMnMo渗碳同序号1渗碳的技术条件4汽车发动机凸轮轴齿轮灰口铸铁HT180HT200170-229HB5汽车曲轴正时齿轮35、40、4540Cr正火149-179HB调质207-241HB6汽车起动机齿轮15Cr20Cr20CrMo15CrMnM,20CrMnTi渗碳层深：0.7-1.1mm表面硬度：58-63HRC心部硬度：33-43HRC7汽车里程表齿轮20（浅层）碳氮共渗层深：0.2-0.35mm8拖拉机传动齿轮，动力传动装置中的圆柱齿轮，圆锥齿轮及轴齿轮20Cr20CrMo,20CrMnMo20CrMnTi,30CrMnTi渗碳层深：模数的0.18倍，但2.1mm各种齿轮渗层深度的上下限0.5mm,硬度要求序号1、240Cr,40Cr（浅层）碳氮共渗同序号1中碳氮共渗的技术条件9拖拉机曲轴正时齿轮，凸轮轴齿轮，喷油泵驱动齿轮45正火156-217HB调质217-255HB灰口铸铁HT180170-229HB10汽车拖拉机油泵齿轮40，45调质28-35HRC       mn法向模数； ms端面模数与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料锻造正火机械加工渗碳淬火+低温回大喷丸磨削装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达5862HRC，心部硬度为3545HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约23HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。 轴类零部件的选材 轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。 轴的工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。轴颈承受较大的磨擦。承受一定的过载或冲击载荷。 轴的主要失效形式：疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。 对轴用材料的性能要求：高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。2、典型轴的选材对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。 机床主轴图13-8为C620车床主轴简图。该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高， 冲击载荷也不大。轴颈和锥孔处有磨擦。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为4654HRC。其工艺路图13-8 C620车床主轴简图线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工表面淬火+低温回火磨削装配。正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。表13-5 根据工作条件推荐选用的机床主轴材料及其热处理工艺序号工作条件选用钢号热处理工艺硬度要求