华中科技大学工程材料学课件第11章 机械设计与选材.ppt

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1、工程材料学工程材料学第十二章第十二章 机械设计与选材机械设计与选材机械设计与选材的关系机械设计与选材的关系机械产品的失效问题机械产品的失效问题 选材原则选材原则选材的典型实例分析选材的典型实例分析工程材料学工程材料学第一节第一节 机械设计与选材的关系机械设计与选材的关系一、机械产品的设计一、机械产品的设计过程过程 机械产品的设计涉机械产品的设计涉及广泛的学科。及广泛的学科。新产品的设计、老新产品的设计、老产品改进都涉及选产品改进都涉及选择材料。择材料。工程材料学工程材料学第一节第一节 机械设计与选材的关系机械设计与选材的关系二、设计与制造工艺路线二、设计与制造工艺路线 选材后，制定合适的工艺路

2、线。使构件在加选材后，制定合适的工艺路线。使构件在加工中，既达到外形尺寸要求，又使内部组织满足工中，既达到外形尺寸要求，又使内部组织满足工况的使用要求，即满足使用性能。工况的使用要求，即满足使用性能。GCr15钢制作的量规，工艺路线为：下料钢制作的量规，工艺路线为：下料锻锻造造球化退火球化退火机械加工机械加工粗磨粗磨淬火淬火低温回火低温回火精磨精磨低温人工低温人工时时效效 其中四道热处理工序是以改变和稳定量具内部组其中四道热处理工序是以改变和稳定量具内部组织为主的，四道工序是保证量具外形尺寸。设计织为主的，四道工序是保证量具外形尺寸。设计与选材是紧密相关的。与选材是紧密相关的。工程材料学工程材

3、料学第二节第二节 机械产品的失效问题机械产品的失效问题一、失效的概念一、失效的概念 失效：零件或部件失去失效：零件或部件失去应应有的功效有的功效 零件在工作零件在工作过过程中最程中最终终都都要要发发生生失效。所失效。所谓谓失效是指：失效是指：零件完全破坏，不能零件完全破坏，不能继续继续工工作；作；严严重重损损伤伤，继续继续工作很不安全；工作很不安全；虽虽能安全工作，但能安全工作，但已不能已不能满满意地起到意地起到预预定的作用。只要定的作用。只要发发生上述三种情况中的生上述三种情况中的任何一种，都任何一种，都认为认为零件已零件已经经失效。一般失效。一般称呼称呼失效大多是特指失效大多是特指零件的零

4、件的早期失效早期失效，即未达到，即未达到预预期的效果或寿命，提前出期的效果或寿命，提前出现现失失效的效的过过程。程。失效分析：探失效分析：探讨讨零件失效的方式和原因，并提出相零件失效的方式和原因，并提出相应应的改的改进进措施。措施。根据失效分析的根据失效分析的结结果，改果，改进对进对零件的零件的设计设计、选选材、材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶恶性事故的性事故的发发生，生，带带来相来相应应的的经济经济效益和社会效益。效益和社会效益。工程材料学工程材料学二、机械零件失效的原因二、机械零件失效的原因 1.1.设计：设计：由于零件设计时对由于零件设计

5、时对其工作条件估计错误，如对工其工作条件估计错误，如对工作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不足等，设计依据不合理；足等，设计依据不合理；计算错误，但现在很少发生因计算错误，但现在很少发生因计算错误造成的设计事故；计算错误造成的设计事故；结构外形设计不合理，往往结构外形设计不合理，往往容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、缺口、过小的圆角。缺口、过小的圆角。2.2.材料材料：选材不当，如根据材料的常规性能指标作判据，选材不当，如根据材料的常规性能指标作判据，但这些指标可能

6、并不是材料发生失效的抗力，还有为了经但这些指标可能并不是材料发生失效的抗力，还有为了经济或加工原因，选择的材料不合理，即材料本身没有设计济或加工原因，选择的材料不合理，即材料本身没有设计者有求于的能力。问题出在材料上，但责任在设计者。者有求于的能力。问题出在材料上，但责任在设计者。材料本身的缺陷，如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹材料本身的缺陷，如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。工程材料学工程材料学二、机械零件失效的原因二、机械零件失效的原因 3.3.加工：加工：由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。如由于生产加工

7、的工艺不良，也会造成各种缺陷。如铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕；热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致较大的残余内应力等。值得注意的是零件的结构不合理会较大的残余内应力等。值得注意的是零件的结构不合理会造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。4.4.装配与使用：装配与使用：零件安装时的配合过紧、过松、对中不良、零件安装时的配合过紧、过松

8、、对中不良、固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载或维护不良或维护不良(润滑、散热、粉尘润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期失效。也会造成零件的早期失效。5.5.意外事故：意外事故：人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的载荷。载荷。工程材料学工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系三、零件失效形式与性能之间的关系 1 1变形失效变形失效 过量弹性变形失效过量弹性变形失效：由于发生过大的弹性变形而造成的零件由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效。弹性变形超过了工作能容许的范围，造成与其配合失

9、效。弹性变形超过了工作能容许的范围，造成与其配合的零件相撞而破坏；细长杆的弹性失稳而发生塑性弯曲或的零件相撞而破坏；细长杆的弹性失稳而发生塑性弯曲或断裂。材料的弹性模量仅决定于成分，热处理对其影响较断裂。材料的弹性模量仅决定于成分，热处理对其影响较小。小。过过量塑性量塑性变变形失效形失效：零件由于零件由于发发生生过过大的塑性大的塑性变变形而不能形而不能继继续续工作的失效。材料抵抗塑性工作的失效。材料抵抗塑性变变形的能力主要指形的能力主要指标标是屈服是屈服强强度，屈服度，屈服强强度愈高，度愈高，发发生塑性生塑性变变形失效的可能行愈小，形失效的可能行愈小，而有一些脆性材料可能屈服而有一些脆性材料可

10、能屈服强强度很高，但因度很高，但因为为材料太脆，材料太脆，高高强强度的特点度的特点发挥发挥不出来。不出来。工程材料学工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系三、零件失效形式与性能之间的关系 2 2断裂失效断裂失效 快速断裂失效快速断裂失效：快速断裂又称快速断裂又称为单调为单调断裂，在断裂，在单调单调增加增加载载荷的荷的作用下，当作用下，当载载荷超荷超过过一定一定临临界界值值后迅速后迅速发发生断裂。生断裂。断裂的形断裂的形式有塑性断裂和低式有塑性断裂和低应应力脆断力脆断。塑性断裂往往是材料存在缺口。塑性断裂往往是材料存在缺口或或应应力的高度集中造成，力的高度集中造成，如如断裂前材料有明断裂前材

11、料有明显显的塑性的塑性变变形，形，在早期就定在早期就定为为塑性塑性变变形失效。低形失效。低应应力脆断力脆断发发生前没有可生前没有可见见的的征兆，往往会征兆，往往会带带来灾来灾难难性后果性后果(飞飞机机坠坠毁毁、轮轮船沉没船沉没)，为为此此要考要考虑虑材料的材料的韧韧性，特性，特别别是冲是冲击韧击韧性的脆性性的脆性转变转变温度。温度。疲疲劳劳断裂失效断裂失效：在低于屈服在低于屈服应应力的交力的交变变循循环应环应力作用下力作用下发发生的生的断裂，是机械零件的主要失效形断裂，是机械零件的主要失效形势势之一。机械之一。机械设计设计的校核的校核用用-1-1（疲（疲劳劳强强度），材料的度），材料的实质实质

12、是裂是裂纹扩纹扩展速率，它要求展速率，它要求材料有良好的材料有良好的强强韧韧性配合。但在性配合。但在设计设计中中应应考考虑虑工作工作时实际时实际发发生的循生的循环环次数，不可都以无限次校核。次数，不可都以无限次校核。工程材料学工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系三、零件失效形式与性能之间的关系 2 2表面损伤失效表面损伤失效 磨磨损损失效失效：相相对对运运动动的接触表面的材料以的接触表面的材料以细细屑形式逐屑形式逐渐渐磨耗，磨耗，而使零件尺寸不断而使零件尺寸不断变变小的一种失效方式。材料表面的硬度愈小的一种失效方式。材料表面的硬度愈高，抵抗磨高，抵抗磨损损的能力愈的能力愈强强。表面疲表面

13、疲劳劳失效失效：接触表面：接触表面(特特别别是是滚动滚动接触接触),),在工作在工作过过程中承受程中承受交交变变接触接触应应力的作用，使材料表力的作用，使材料表层发层发生疲生疲劳劳破坏而脱落，造破坏而脱落，造成零件失效。接触疲成零件失效。接触疲劳劳按其按其损伤损伤程度分程度分为为麻点麻点(浅浅层层剥落剥落)与与剥落剥落(深深层层剥落剥落)。提高表面接触疲。提高表面接触疲劳劳抗力要求在一定的抗力要求在一定的层层深深范范围围内有高的硬度。内有高的硬度。腐腐蚀蚀失效失效：由于化学或由于化学或电电化学腐化学腐蚀蚀作用造成的零件失效。腐作用造成的零件失效。腐蚀蚀的种的种类类有多种，如点腐有多种，如点腐蚀

14、蚀、裂隙腐、裂隙腐蚀蚀、晶、晶间间腐腐蚀蚀、冲刷腐、冲刷腐蚀蚀。重点在于改善材料的化学性能，不重点在于改善材料的化学性能，不仅仅材料整体的化学材料整体的化学稳稳定性，定性，特特别别是晶界的化学是晶界的化学稳稳定性。定性。工程材料学工程材料学三、零件失效形式与工作条件三、零件失效形式与工作条件 工程材料学工程材料学一、一、选材三原则选材三原则 1、使用性能原则、使用性能原则 使使用用性性能能主主要要指指零零件件在在使使用用状状态态下下应应具具有有的的力力学学性性能、物理性能和化学性能。能、物理性能和化学性能。2、工艺性能原则、工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。材料的工艺性能表示

15、材料加工的难易程度。3、经济性原则、经济性原则 一般包括材料的价格、零件的总成本与国家的资源等。一般包括材料的价格、零件的总成本与国家的资源等。第三节第三节 选材原则选材原则工程材料学工程材料学二、二、使用性能原则使用性能原则必须根据工作条件来选材：必须根据工作条件来选材：受力状况受力状况 零件承受工作时的拉、压、弯、扭、剪、冲零件承受工作时的拉、压、弯、扭、剪、冲击应力，不能断裂或超量的变形。击应力，不能断裂或超量的变形。适适应应工作工作环环境境 温度、温度、电电、磁、磁、热热、腐、腐蚀蚀等作用下，等作用下，热热膨膨胀胀不能超限，不能超限，绝缘绝缘或或导电导电，合理的外，合理的外观观。保保证

16、证零件零件经经久耐用久耐用 即零件要有一定的寿命。即零件要有一定的寿命。即所用材料要满足使用性能。即所用材料要满足使用性能。使用性能主要是指零件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。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。工程材料学工程材料学二、二、使用性能

17、原则使用性能原则零件根据使用性能选材的步骤零件根据使用性能选材的步骤 通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应零件对使用性能的要求；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；根据零关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；根据零件的几何形状、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；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能的应力分布；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

18、能指标要求的具体数值；利用指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用手册根据使用性能选材。手册根据使用性能选材。所有的材料都不是万能的，扬其利，避其弊。从失效分所有的材料都不是万能的，扬其利，避其弊。从失效分析入手，失效的方式决定对材料要求的主要性能。例如齿轮析入手，失效的方式决定对材料要求的主要性能。例如齿轮失效有折断、接触疲劳点蚀、过度磨损，要用有高硬度、好失效有折断、接触疲劳点蚀、过度磨损，要用有高硬度、好韧性的材料制造，手术刀要锋利、不断、不锈等等。韧性的材料制造，手术刀要锋利、不断、不锈等等。工程材料学工程材料学三、工艺性能原则三、工艺性能原则 所用材料要所用材料要满满足生

19、足生产产中的工中的工艺艺要求要求，即，即所用材料要有相所用材料要有相应的工艺能制造出来。应的工艺能制造出来。工艺性能包括：工艺性能包括：铸造：铸造：材料的高温流动性、收缩率、偏析、吸气性等。材料的高温流动性、收缩率、偏析、吸气性等。热锻成形：热锻成形：热塑性、流变应力、加热抗氧化性等。热塑性、流变应力、加热抗氧化性等。冷压成形：冷压成形：屈服强度、塑性、加工硬化性等。屈服强度、塑性、加工硬化性等。焊接：焊接：焊缝强度和热影响区的开裂问题，包括冷裂或热裂倾向；焊缝强度和热影响区的开裂问题，包括冷裂或热裂倾向；热处理：热处理：加热时氧化脱碳倾向和过热敏感性，淬火时变形开裂倾加热时氧化脱碳倾向和过热

20、敏感性，淬火时变形开裂倾向和淬透性、回火脆性和回火性能；向和淬透性、回火脆性和回火性能；冷机械切削加工：冷机械切削加工：合适的硬度、断屑性、得到的表面质量。合适的硬度、断屑性、得到的表面质量。工程材料学工程材料学 金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂，金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂，而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。（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 毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。（2 2）性能要求较高的

21、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 毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热处理(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)精加工精加工零件零件（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 毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处理最终热处理(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)半精加工半精加工稳定化处理稳定化处理或氮化或氮化精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。这类零件除了要求有较高的使用

22、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。工程材料学工程材料学四、四、经济经济性原则性原则 比成本系指比成本系指（材料（材料费费用工用工艺艺生生产费产费用）寿命用）寿命 比成本比成本为为最小最小 这这里要考里要考虑虑材料的来源、国家材料的来源、国家资资源、生源、生产产管理等。充分利用国内管理等。充分利用国内国际资源国际资源。在管理上，大批量的。在管理上，大批量的专业专业生生产产材料的消耗量大，材料的种材料的消耗量大，材料的种类类可多种，可多种，节节省出省出单单价差价差别别；而；而小批量的生小批量的生产产，过过多的品种增加了管

23、理多的品种增加了管理费费用，用量少的以用，用量少的以优优代代劣，可以降低成本，不一定完全依劣，可以降低成本，不一定完全依赖赖原原设计设计。在在这这三条原三条原则则中，要依次中，要依次选择选择，首先要，首先要满满足性能，其次足性能，其次考考虑虑加工、兼加工、兼顾顾成本。技成本。技术术的的发发展不断展不断对对材料提出新要求，材料提出新要求，工工艺艺的的发发展不断展不断创创新加工方法。新加工方法。工程材料学工程材料学五、选材思路五、选材思路 工程材料学工程材料学第四节第四节 选材的典型实例分析选材的典型实例分析一、工程材料使用概况一、工程材料使用概况 四类工程材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复

24、合材四类工程材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料，相辅相成，各有特点。料，相辅相成，各有特点。金属材料金属材料：优良的综合力学性能：优良的综合力学性能机械零件、工程结构机械零件、工程结构高分子材料高分子材料：轻、弹性好、绝缘性好、耐磨耐蚀、成形性好、价：轻、弹性好、绝缘性好、耐磨耐蚀、成形性好、价廉，但强度、刚度低，易老化廉，但强度、刚度低，易老化轻载零件、结构件轻载零件、结构件陶瓷材料陶瓷材料：强度刚度最好，但塑性韧性差，绝缘性好、化学稳定：强度刚度最好，但塑性韧性差，绝缘性好、化学稳定性好、高硬度和热硬性性好、高硬度和热硬性高温下工作的零件、切削工具、耐磨高温下工作的零件、切削工

25、具、耐磨零件等。零件等。复合材料复合材料：综合了不同材料的优良性能，具有广阔的发展空间。：综合了不同材料的优良性能，具有广阔的发展空间。工程材料学工程材料学 在机床、汽车等制造工业中，轴类零件是另一类用量很在机床、汽车等制造工业中，轴类零件是另一类用量很大、且占有相当重要地位的结构件。大、且占有相当重要地位的结构件。轴类零件主要作用是支撑传动零件并传递运动和动力，共轴类零件主要作用是支撑传动零件并传递运动和动力，共性特征是工作时受弯曲、扭转多种应力的交变作用，材料应有性特征是工作时受弯曲、扭转多种应力的交变作用，材料应有较高的综合机械性能。局部承受摩擦运动部位如轴颈、花键等较高的综合机械性能。

26、局部承受摩擦运动部位如轴颈、花键等处，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。处，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。不同轴的工作环境和特定性能要求也不全相同，例如工作不同轴的工作环境和特定性能要求也不全相同，例如工作温度温度(汽轮机汽轮机)、润滑条件、腐蚀介质润滑条件、腐蚀介质(海水中螺旋桨传递海水中螺旋桨传递)、刚度、刚度(精精密机床主轴密机床主轴)、安全性、安全性(提升机提升机)等。对材料的选用也不尽相同，还等。对材料的选用也不尽相同，还必需根据具体应用来进行具体分析。必需根据具体应用来进行具体分析。二、轴类零件的选材二、轴类零件的选材工程材料学工程材料学1.轴的工作条件、失效形式及性能

27、要求轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）一般轴的工作条件）一般轴的工作条件 1）传递一定扭矩，承受一定交变弯矩和拉、压载荷。）传递一定扭矩，承受一定交变弯矩和拉、压载荷。2）轴颈承受较大的磨擦。）轴颈承受较大的磨擦。3）承受一定的冲击载荷。）承受一定的冲击载荷。（2）主要失效形式）主要失效形式 1）疲劳断裂；）疲劳断裂；2）断裂失效；）断裂失效；3）磨损失效。）磨损失效。（3）对轴用材料性能要求）对轴用材料性能要求 1）良好的综合力学性能。）良好的综合力学性能。2）高的疲劳强度。）高的疲劳强度。3）良好的耐磨性。）良好的耐磨性。二、轴类零件的选材二、轴类零件的选材工程材料学工程材料学 2.2

28、.轴类零件的选材轴类零件的选材 （1 1）不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴，可以用碳）不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴，可以用碳钢或球墨铸铁来制造。钢或球墨铸铁来制造。（2 2）主主要要受受弯弯曲曲、扭扭转转的的轴轴 这这类类轴轴无无需需选选用用淬淬透透性性很很高高的的钢钢种种，通通常常选选用用中中碳碳钢钢，如如4545钢钢、40Cr40Cr、40MnB40MnB等等；若若要要求求高高精精度度、高高的的尺尺寸寸稳稳定定性性及及耐耐磨磨性性的的轴轴，如如磨磨床床主主轴轴，则常选用则常选用38CrMoAl38CrMoAl钢，进行调质及氮化处理。钢，进行调质及氮化处理。（3 3）同时承受弯曲（或

29、扭转）及拉、压载荷的轴选用淬）同时承受弯曲（或扭转）及拉、压载荷的轴选用淬透性较高的钢种。透性较高的钢种。二、轴类零件的选材二、轴类零件的选材工程材料学工程材料学机床主轴机床主轴工作特点工作特点：受力不大，有时受到冲击载荷作用，要求较高的刚度，：受力不大，有时受到冲击载荷作用，要求较高的刚度，轴头锥面和锥孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑动轴承的轴头锥面和锥孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑动轴承的轴颈则需要高的耐磨性。轴颈则需要高的耐磨性。选材：选材：由于材料的受力不大可用普通由于材料的受力不大可用普通45钢，对高精度机床为保钢，对高精度机床为保证氮化可靠性，应选用证氮化可靠性，应选用38CrM

30、oAlA专用氮化钢为好。专用氮化钢为好。3.典型轴选材举例典型轴选材举例工程材料学工程材料学机床主轴机床主轴工艺路线：工艺路线：下料下料 锻造锻造 退火退火 粗加工粗加工 调质调质 精车精车 去应力处理去应力处理 喷砂喷砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨热处理工艺说明：热处理工艺说明：退火：消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性，为调退火：消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性，为调质做准备。质做准备。调质：淬火高温回火，获得回火索氏体组织，具有高的调质：淬火高温回火，获得回火索氏体组织，具有高的综合机械性能。综合机械性能。去应力处理：降低加工应力和回火过程中的残余应力，保去应力处理：降低加工应

31、力和回火过程中的残余应力，保证渗氮时组织稳定，尺寸不变化。证渗氮时组织稳定，尺寸不变化。氮化：获得高硬度表层，并保证主轴不变形。氮化：获得高硬度表层，并保证主轴不变形。工程材料学工程材料学汽车半轴汽车半轴工作特点工作特点：驱动车轮转动的直接驱动件，承受较大的扭转应力，驱动车轮转动的直接驱动件，承受较大的扭转应力，在启动、颠簸、特别是紧急制动时受到更大的冲击应力，对在启动、颠簸、特别是紧急制动时受到更大的冲击应力，对材料的抗弯强度、疲劳强度和韧性提出较高的要求。材料的抗弯强度、疲劳强度和韧性提出较高的要求。选材：选材：调质钢，中型载重车辆可选用调质钢，中型载重车辆可选用40Cr40Cr钢，而重型

32、载重车钢，而重型载重车辆则选用性能更高的辆则选用性能更高的40CrMnMo40CrMnMo钢。钢。工艺路线：工艺路线：下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 精车精车 消除应力处理消除应力处理 喷砂喷砂 粗磨粗磨 氮化氮化 精磨精磨二、轴类零件的选材二、轴类零件的选材工程材料学工程材料学 齿齿轮轮在在机机床床、汽汽车车等等机机械械中中是是十十分分重重要要、使使用用量量很很大大的的零件，主要用于速度调节和功率传递。零件，主要用于速度调节和功率传递。1.1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮的工作条件、失效形式及性能要求（1 1）工作时的受力情况）工作时的受力情况 1)1)由于传

33、递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2)2)齿齿面面相相互互滑滑动动和和滚滚动动，承承受受较较大大的的接接触触应应力力，并并发发生生强烈的磨檫。强烈的磨檫。3)3)由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。（2 2）主要失效形式）主要失效形式 1)1)疲劳断裂疲劳断裂 主要发生在齿根。主要发生在齿根。2)2)齿面磨损齿面磨损 3)3)齿面接触疲劳破坏齿面接触疲劳破坏 4)4)过载断裂过载断裂 三、齿轮类零件的选材三、齿轮类零件的选材工程材料学工程材料学（3 3）齿轮用材性能要求）齿轮用材性能要求 1)1

34、)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。3)3)齿轮心部要有足够的强度和韧性齿轮心部要有足够的强度和韧性 2.2.齿轮零件的选材齿轮零件的选材 根据工作条件，表根据工作条件，表9-49-4给出了一般齿轮的选材情况。给出了一般齿轮的选材情况。工程材料学工程材料学工程材料学工程材料学机床齿轮机床齿轮工作特点：工作特点：机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，工作负荷不太大，中速运转，方向的任务。工作条件较好，工作负荷不太大，中速运转，较平稳。较平稳。选材：选材：常用常用4

35、545钢或钢或40Cr40Cr钢等钢等调质钢调质钢。工艺路线：工艺路线：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 经调质后心部有足够的强韧性，能承受较大的弯曲应经调质后心部有足够的强韧性，能承受较大的弯曲应力和冲击载荷。表面采用高频淬火强化，硬度可达力和冲击载荷。表面采用高频淬火强化，硬度可达52HRC52HRC左左右，提高了耐磨性。右，提高了耐磨性。三、齿轮类零件的选材三、齿轮类零件的选材工程材料学工程材料学汽车变速箱齿轮汽车变速箱齿轮工作特点工作特点：受力较大，高速运转，受冲击频繁。其耐磨性、受力较大，高速运转，受冲

36、击频繁。其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等要求均比机床用齿轮疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等要求均比机床用齿轮高。一般调质钢经高频淬火不能满足要求，并且这类齿轮高。一般调质钢经高频淬火不能满足要求，并且这类齿轮大多成批生产，对批量大、标准化程度高的产品有利实现大多成批生产，对批量大、标准化程度高的产品有利实现专门工艺过程的实施。专门工艺过程的实施。选材：选材：常用常用20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi钢等钢等渗碳钢渗碳钢制造并进行渗碳处理。制造并进行渗碳处理。工艺路线：工艺路线：下料下料 锻造锻造 正火正火 切削加工切削加工 渗碳渗碳淬火及低温回火淬火及低温回火 喷丸喷丸 磨削加工磨削加工 20CrMnTi20CrMnTi钢具有较高的力学性能，在渗碳、淬火、低温回钢具有较高的力学性能，在渗碳、淬火、低温回火后，渗层深度为火后，渗层深度为1.21.21.6mm1.6mm，表面，表面C C含量含量1.0wt%1.0wt%，表面硬度，表面硬度的达的达585862HRC62HRC，心部硬度心部硬度303045HRC45HRC。