明确金属零件选材的原则与方法

【情境导入】

请讨论：如图4-1所示，小型汽车发动机齿轮应采用碳素钢还是合金钢，这两种钢性能有什么区别?

图4-1　齿轮

【讲一讲】

一、机械零件材料选用的原则

机械零件材料选用的原则要考虑3个方面的要求。

1.使用性能原则

(1)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械性能、物理性能和化学性能。对于大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对于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。

(2)零件使用时的工作条件

受力状况：主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。

环境状况：主要是温度特性、介质情况等。

特殊要求：如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。

(3)零件根据使用性能选材的步骤

①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。

②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。

③根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布。

④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。

⑤利用手册根据使用性能选材。

2.工艺性能原则

(1)性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线

毛坯➝正火或退火➝切削加工➝零件。

(2)性能要求较高的金属零件选材的工艺路线

毛坯➝预先热处理(正火、退火)➝粗加工➝最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)➝精加工➝零件。

(3)性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线

毛坯➝预先热处理(正火、退火)➝粗加工(最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)➝半精加工➝稳定化处理或氮化➝精加工➝稳定化处理➝零件。

这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。

3.经济性原则

(1)材料的价格

零件材料的价格无疑应该尽量低。

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30%～70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。

(2)零件的总成本

零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。

零件的总成本与其使用寿命、质量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。

(3)国家的资源

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。

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。

二、金属零件的选材及工艺路线分析

1.C616-416车床主轴(图4-2)

图4-2　车床主轴

(1)工作条件

①该轴在滚动轴承中运转。

②承受中等负荷，承受一定的冲击力。

③转速中等。

(2)技术要求

①整体调质后硬度应为200～230HB，金相组织为回火索氏体。

②内锥孔和外圆锥面处硬度为45～50HRC，表面3～5mm内金相组织为回火屈氏体和少量回火马氏体。

③花键部分硬度48～50HRC，金相组织同上。

(3)选材

45钢。

2.C616机床齿轮(www.xing528.com)

(1)工作条件

①工作负荷不太大。

②中速运转(6～10m/s)。

(2)技术要求

①齿面硬度45～50HRC，金相组织为回火索氏体。

②齿心部硬度22～25HRC，金相组织为回火马氏体。

(3)选材

40、45钢。

3.JN-150型载重汽车变速箱齿轮(图4-3)

图4-3　变速箱齿轮

(1)工作条件

①工作负荷大。

②高速运转(10m/s以上)。

③受冲击频繁，磨损较严重。

(2)技术要求

①齿面硬度58～62HRC，金相组织为回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体。

②齿心部硬度35～45HRC，金相组织为回火马氏体(低碳)+铁素体+细珠光体。

(3)选材

20CrMnTi钢。

图4-4　汽车半轴

4.YJ-130汽车半轴(图4-4)

(1)工作条件

①该轴在上坡或启动时，承受较大扭矩。

②承受一定的冲击力和具有较高的抗弯能力。

③承受反复弯曲疲劳应力。

(2)技术要求

①杆部硬度37～44HRC；盘部外圆硬度24～34HRC；金相组织为回火索氏体和回火屈氏体。

②弯曲度：杆中部＜1.8mm；盘部跳动＜2.0mm。

(3)选材

40Cr、42CrMo、40CrMnMo。

【议一议】

活动一：分组讨论根据使用性能选材步骤中的注意事项有哪些?

活动二：连连看，试将常见金属材料与实际应用连线匹配。

车床主轴　　　　　　　　　20CrMnTi钢

C616机床齿轮　　　　　　　45钢

汽车半轴　　　　　　　　　40

载重汽车变速箱齿轮　　　　40Cr

【做一做】

一、判断题(正确的打√，错误的打×)

1.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。(　)

2.经济性原则包含材料的价格、零件的总成本、国家的资源。(　)

3.C616机床齿轮齿面为回火索氏体、齿心为回火马氏体。(　)

4.汽车半轴承受一定的冲击力和具有较高的抗弯能力。(　)

5.性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线为毛坯➝正火或退火➝切削加工➝零件。(　)

二、简答题

分析轻型轿车传动轴选材。

【评一评】

试用量化方式(评星)评价本节学习情况，并提出意见与建议。

学生自评：______________________________

小组互评：______________________________

老师点评：______________________________