11第十一章-工程材料的選用

1、第十一章 工程材料的選用,第一節(jié) 零部件的失效第二節(jié) 零部件的選材,1,第一節(jié) 零部件的失效,2,一、失效概念 所謂失效是指零部件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料的組織與性能等的變化而失去預(yù)定功能的現(xiàn)象。 零部件的失效，會(huì)使機(jī)床失去加工精度，輸氣管道發(fā)生泄漏，飛機(jī)出現(xiàn)故障等。 分析零部件的失效原因，研究失效機(jī)理，提出失效的預(yù)防措施具有十分重要的意義。,3,二、失效形式——零部件常見的

2、失效形式有變形失效、斷裂失效、表面損傷失效及材料老化失效等。,1．變形失效 (1)彈性變形失效 一些細(xì)長的軸、桿件或薄壁筒零部件，在外力作用下將發(fā)生彈性變形，如果彈性變形過量，會(huì)使零部件失去有效工作能力。 例如，鏜床的鏜桿，如果工作中產(chǎn)生過量彈性變形，不僅會(huì)使鏜床產(chǎn)生振動(dòng)，造成零部件加工精度下降，而且還會(huì)使軸與軸承的配合不良，甚至?xí)饛澢苄宰冃位驍嗔选?產(chǎn)生原因：引起彈性變形失效的原因，主要是零部件的剛度

3、不足。 預(yù)防：要預(yù)防彈性變形失效，應(yīng)選用彈性模量大的材料。,4,1．變形失效(2)塑性變形失效 零部件承受的靜載荷超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形。塑性變形會(huì)造成零部件間相對(duì)位置變化，致使整個(gè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)不良而失效。 例如，壓力容器上的緊固螺栓，如果擰得過緊，或因過載引起螺栓塑性伸長，便會(huì)降低預(yù)緊力，致使配合面松動(dòng)，導(dǎo)致螺栓失效。,5,2．?dāng)嗔咽?斷裂失效是零部件失效的主要形式，按斷裂原因可分為兩種。

4、 (1)韌性斷裂失效 材料在斷裂之前所發(fā)生的宏觀塑性變形或所吸收的能量較大的斷裂稱為韌性斷裂。工程上使用的金屬材料的韌性斷口多呈韌窩狀，如圖所示。,韌窩是由于空洞的形成、長大并連接而導(dǎo)致韌性斷裂產(chǎn)生的。,6,(2)脆性斷裂失效 材料在斷裂之前沒有塑性變形或塑性變形很小(<2％～5％)的斷裂稱為脆性斷裂。 包括：疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞斷裂和蠕變斷裂等形式。,①疲勞斷裂失效 零部件

5、在交變應(yīng)力作用下，在比屈服應(yīng)力低很多的應(yīng)力下發(fā)生的突然脆斷，稱為疲勞斷裂。 由于疲勞斷裂是在低應(yīng)力、無先兆情況下發(fā)生的，因此，具有很大的危險(xiǎn)性和破壞性。,7,顯著特征：是斷口上的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)比較平滑，通常存在疲勞休止線或疲勞紋。,產(chǎn)生部位： 疲勞斷裂的斷裂源多發(fā)生在零部件表面的缺陷或應(yīng)力集中部位。,預(yù)防：提高零部件表面加工質(zhì)量，減少應(yīng)力集中，對(duì)材料表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，都可以有效地提高疲勞斷裂抗力。,8,②低應(yīng)力脆性斷裂

6、失效 石油化工容器、鍋爐等一些大型鍛件或焊接件，在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服應(yīng)力作用下，由于材料自身固有的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的無明顯塑性變形的突然斷裂，稱為低應(yīng)力脆性斷裂。 對(duì)于含裂紋的構(gòu)件，要用抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的力學(xué)性能指標(biāo)——斷裂韌性(K1C)來衡量，以確保安全。,9,3．表面損傷失效 ——由于磨損、疲勞、腐蝕等原因，使零部件表面失去正常工作所必須的形狀、尺寸和表面粗糙度造成的失效。 (1)磨損失效

7、任何兩個(gè)相互接觸的零部件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面會(huì)發(fā)生磨損，造成零部件尺寸變化、精度降低而不能繼續(xù)工作，這種現(xiàn)象稱為磨損失效。 例如，軸與軸承、齒輪與齒輪、活塞環(huán)與汽缸套等摩擦副在服役時(shí)表面產(chǎn)生的損傷。 工程上主要是通過提高材料的硬度來提高零部件的耐磨性。提高材料耐磨性的主要途徑之一是進(jìn)行表面強(qiáng)化。 另外，增加材料組織中硬質(zhì)相的數(shù)量，并讓其均勻、細(xì)小地分布；選擇合理的摩擦副硬度配比；提高零部件表面加工質(zhì)量；改善

8、潤滑條件等都能有效地提高零部件的抗磨損能力。,10,(2)腐蝕失效 由于化學(xué)或電化學(xué)腐蝕造成零部件尺寸和性能的改變而導(dǎo)致的失效稱為腐蝕失效。 預(yù)防： 合理地選用耐腐蝕材料，在材料表面涂敷防護(hù)層，采用電化學(xué)保護(hù)及采用緩蝕劑等可有效地提高材料的抗腐蝕能力。,(3)表面疲勞失效 表面疲勞失效是指兩個(gè)相互接觸的零部件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在交變接觸應(yīng)力作用下，零部件表面層材料發(fā)生疲勞而脫落所造成的失效。,11,4．材料老化

9、失效 高分子材料在貯存和使用過程中發(fā)生變脆、變硬或變軟、變黏等現(xiàn)象，從而失去原有性能指標(biāo)的現(xiàn)象，稱為高分子材料的老化。 老化是高分子材料不可避免的現(xiàn)象。,綜述： 一個(gè)零部件失效，總是以一種形式起主導(dǎo)作用，但其他因素也有一定影響。另外，各種失效因素相互交叉作用，組合成更復(fù)雜的失效形式。例如，應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、蠕變疲勞交互作用等。,12,三、失效原因——造成零部件失效的原因很多，主要有設(shè)計(jì)、選材、加工、裝

10、配使用等因素。,1．設(shè)計(jì)不合理 零部件設(shè)計(jì)不合理主要表現(xiàn)在零部件尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上。例如： 過渡圓角太小、尖銳的切口、尖角等會(huì)造成較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致失效。 另外，對(duì)零部件的工作條件及過載情況估計(jì)不足，所設(shè)計(jì)的零部件承載能力不夠，或?qū)Νh(huán)境的惡劣程度估計(jì)不足，忽略或低估了溫度、介質(zhì)等因素的影響等，都會(huì)造成零部件過早失效。,13,2．選材錯(cuò)誤 選材所依據(jù)的性能指標(biāo)，不能反映材料對(duì)實(shí)際失效形式的抗力，

11、不能滿足工作條件的要求。另外，材料的冶金質(zhì)量太差，如存在夾雜物、偏析等缺陷，而這些缺陷通常是零部件失效的發(fā)源地。,3．加工工藝不當(dāng) 零部件在加工或成形過程中，采用的工藝不當(dāng)將產(chǎn)生各種質(zhì)量缺陷。 例如：較深的切削刀痕、磨削裂紋等，都可能成為引發(fā)零部件失效的危險(xiǎn)源。 零部件熱處理時(shí)，冷卻速度不夠、表面脫碳、淬火變形和開裂等，都是產(chǎn)生失效的重要原因。,14,4. 環(huán)境介質(zhì)5．裝配使用不當(dāng)、操作不當(dāng)?shù)?在

12、將零部件裝配成機(jī)器或裝置的過程中，由于裝配不當(dāng)、對(duì)中不好、過緊或過松都會(huì)使零部件產(chǎn)生附加應(yīng)力或振動(dòng)，使零部件不能正常工作，造成零部件的失效。使用維護(hù)不良，不按工藝規(guī)程操作，也可使零部件在不正常的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，造成零部件過早失效。,15,四、失效分析,零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析愈來愈受到重視。失效分析是一個(gè)涉及面很廣的交叉學(xué)科，掌握了正確的失效分析方法，才能找到真正合乎實(shí)際的失效原因，提出補(bǔ)救和預(yù)防措施。,1.失效分析的一般

13、程序(1)收集失效零部件的殘骸，進(jìn)行宏觀外形與尺寸的觀察和測(cè)量，拍照留據(jù)，確定重點(diǎn)分析的部位。(2)調(diào)查零部件的服役條件和失效過程。(3)查閱失效零部件的有關(guān)資料，包括零部件的設(shè)計(jì)、加工、安裝、使用維護(hù)等方面的資料。,16,(4)試驗(yàn)研究①材料成分分析及宏觀與微觀組織分析。檢查材料成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)，組織是否正常(包括晶粒度，缺陷，非金屬夾雜物，相的形態(tài)、大小、數(shù)量、分布，裂紋及腐蝕情況等)。②宏觀和微觀的斷口分析。確定裂紋源及

14、斷裂形式(脆性斷裂或韌性斷裂，穿晶斷裂或沿晶斷裂，疲勞斷裂或非疲勞斷裂等)。③力學(xué)性能分析。測(cè)定與失效形式有關(guān)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。④零部件受力及環(huán)境條件分析。分析零部件在裝配和使用中所承受的正常應(yīng)力與非正常應(yīng)力，是否超溫運(yùn)行，是否與腐蝕性介質(zhì)接觸等。⑤模擬試驗(yàn)。對(duì)一些重大失效事故，在可能和必要的情況下，應(yīng)作模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證經(jīng)上述分析后得Ltl的結(jié)論。(5)綜合各方面的分析資料，最終確定失效原因，提出改進(jìn)措施，寫出分析報(bào)告。,17

15、,2．失效分析實(shí)例,(1)鍋爐給水泵軸的斷裂分析,泵軸工作狀況如書本P205所述。,成分分析表明，泵軸材料的含碳量高于標(biāo)準(zhǔn)的上限(0.45%)，達(dá)到0.4 8％。泵軸的心部組織為魏氏組織，表面為粗大晶粒的回火索氏體組織。顯然，泵軸材料為不合格材料。泵軸表面機(jī)械加工粗糙，斷口,部位有四條明顯的深車刀痕，泵軸正是沿著刀痕之一整齊地發(fā)生脆性斷裂。斷口上存在著明顯的疲勞休止線，最終韌性斷裂區(qū)為較小的橢圓形區(qū)域，并且偏心。斷口邊緣存在許多撕裂臺(tái)階

16、，為多源斷裂。,18,結(jié)論：①泵軸的斷裂為低載荷高應(yīng)力集中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂。②深的車刀痕是高應(yīng)力集中源，也是引起泵軸斷裂的主要原因。③泵軸材料是成分和熱處理組織不合格材料。根據(jù)這一分析結(jié)論，國外廠商對(duì)化肥廠進(jìn)行了賠付。,19,(2)氣化爐氧管線內(nèi)壁裂紋分析,某化工廠進(jìn)口裝置氣化爐的氧管線因多次泄漏影響生產(chǎn)而被換下。將氧管剖開后，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁存在大量裂紋，氧管內(nèi)通有314℃、105 atm的飽和蒸汽和150℃、100 atm純氧的

17、混合氣體。,氧管材質(zhì)為1Cr19Ni11Ti，其成分符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)，組織正常，無明顯塑性變形。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋起源于內(nèi)壁并穿晶向外壁擴(kuò)展，裂紋分支很多，尖端尖銳且存在腐蝕產(chǎn)物，其在徑向上的形態(tài)為枯樹枝狀（圖(b)]），這些都是應(yīng)力腐蝕裂紋的典型特征。,結(jié)論：氧管內(nèi)壁損傷是應(yīng)力腐蝕開裂，開裂原因是選材不當(dāng)。,返回,第二節(jié) 零部件的選材,20,一、選材的基本原則,1．使用性能原則 保證使用性能是保證零部件完成指定功能的必要條

18、件。使用性能是指零部件在工作過程中應(yīng)具備的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，它是選材的最主要依據(jù)。對(duì)于機(jī)械零件，最重要的使用性能是力學(xué)性能。對(duì)零部件力學(xué)性能的要求，一般是在分析零部件的工作條件(溫度、受力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等)和失效形式的基礎(chǔ)上提出來的。根據(jù)使用性能選材的步驟如下：,21,根據(jù)使用性能選材的步驟：,(1)分析零部件的工作條件，確定使用性能(2)分析零部件的失效原因，確定主要使用性能(3)將對(duì)零部件的使用性能要求轉(zhuǎn)化為對(duì)材料性

19、能指標(biāo)的要求(4)材料的預(yù)選,22,2．工藝性能原則 材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。在滿足使用性能選材的同時(shí)，必須兼顧材料的工藝性能。工藝性能的好壞，直接影響零部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。當(dāng)工藝性能與使用性能相矛盾時(shí)，有時(shí)正是從工藝性能考慮，不得不放棄某些使用性能合格的材料，工藝性能實(shí)際上成為選擇材料的主導(dǎo)因素。,接下來簡(jiǎn)要介紹一下金屬材料、高分子材料、陶瓷材料的工藝性能。,23,(1)金屬材料的工藝性能——鑄造

20、性能、鍛造性能、切削加工性能、焊接性能、熱處理工藝性能等。,鑄造性能最好的是共晶成分附近的合金，鑄造鋁合金和銅合金的鑄造性能優(yōu)于鑄鐵，鑄鐵又優(yōu)于鑄鋼。鍛造性能最好的是低碳鋼，中碳鋼次之，高碳鋼則較差。變形鋁合金和加工銅合金的鍛造性較好，而鑄鐵、鑄造鋁合金不能進(jìn)行冷熱壓力加工。低碳鋼焊接性能最好，隨碳和合金元素含量增加，焊接性能下降，鑄鐵則很難焊接，鋁合金和銅合金的焊接性比碳鋼差。鋼的含碳量越高，其淬火變形和開裂傾向越大。選用滲

21、碳鋼時(shí)，要注意鋼的過熱敏感性；選用調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，要注意鋼的第二類回火脆性；選用彈簧鋼時(shí)，要注意鋼的氧化、脫碳傾向。,24,(2)高分子材料的工藝性能 高分子材料的加工工藝比較簡(jiǎn)單，主要是成形加工，成形加工方法也比較多。高分子材料的切削加工性能較好，與金屬基本相同；但由于高分子材料的導(dǎo)熱性差，在切削過程中易使工件溫度急劇升高，使熱塑性塑料變軟，使熱固性塑料燒焦。,(3)陶瓷材料的工藝性能 陶瓷材料的加工工藝路線為備料

22、 成形加工(配料、壓制、燒結(jié)) 磨加工 裝配 陶瓷材料的加工工藝也比較簡(jiǎn)單，主要工藝是成形。按零部件的形狀、尺寸精度和性能要求的不同，可采用不同的成形加工方法(粉漿、熱壓、擠壓、可塑)。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用SiC或金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工以外，幾乎不能進(jìn)行任何切削加工。,,,,25,3．經(jīng)濟(jì)性原則,選材的經(jīng)濟(jì)性原則是指在滿足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的總成本達(dá)到最低，以取得

23、最大的經(jīng)濟(jì)效益。為此，材料選用應(yīng)充分利用資源優(yōu)勢(shì)，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的材料，以降低原材料成本，減少運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用。 當(dāng)然，選材的經(jīng)濟(jì)性原則并不僅是指選擇價(jià)格最便宜的材料，或是生產(chǎn)成本最低的產(chǎn)品，而是指運(yùn)用價(jià)值分析、成本分析等方法，綜合考慮材料對(duì)產(chǎn)品功能和成本的影響，從而獲得最優(yōu)化的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。,26,二、典型零部件選材及工藝分析,1．齒輪類零件的選材,(1)齒輪的工作條件、主要失效形式及對(duì)性能的要求 齒

24、輪在傳遞動(dòng)力時(shí)，由于與其他齒輪等零件接觸，輪齒表面承受著強(qiáng)烈的摩擦和接觸疲勞應(yīng)力，輪齒根部承受著較大的彎曲疲勞應(yīng)力。同時(shí)，由于換擋、啟動(dòng)、制動(dòng)或嚙合不均勻等原因使輪齒承受著沖擊載荷。 齒輪的主要失效形式為斷齒、齒面磨損和接觸疲勞破壞。除過載(主要是沖擊載荷過大)外，輪齒根部的彎曲疲勞應(yīng)力是造成斷齒的主要原因。齒面接觸區(qū)的強(qiáng)烈摩擦，會(huì)使齒厚減小、齒隙加大，從而引起齒面磨損失效。在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，并逐漸剝落，形成

25、麻點(diǎn)，造成接觸疲勞失效。 為適應(yīng)齒輪的工作條件，避免過早失效，要求齒輪材料具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度、高的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，輪齒心部要有足夠的強(qiáng)度和韌性。,27,(2)典型齒輪的選材,①機(jī)床齒輪,機(jī)床齒輪的選材是依其工作條件(圓周速度、載荷性質(zhì)與大小、精度要求等)而定的。 右表列出了機(jī)床齒輪的選材及熱處理工藝。,28,分析： 機(jī)床傳動(dòng)齒輪工作時(shí)受力不大，工作較平穩(wěn)，沒有強(qiáng)烈沖擊，對(duì)強(qiáng)度和韌性的要求都不太高。

26、 一般用中碳鋼(例如4 5鋼)經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，再進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱表面淬火強(qiáng)化，以提高耐磨性，表面硬度可達(dá)5 2~5 8 HRC。 對(duì)于性能要求較高的齒輪，可選用中碳合金鋼(例如4 0 Cr等)。,29,正火工序作為預(yù)備熱處理，可改善組織，消除鍛造應(yīng)力，調(diào)整硬度便于機(jī)械加工，并為后續(xù)的調(diào)質(zhì)工序做組織準(zhǔn)備。正火后硬度一般為180~207H B。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較高的綜合力學(xué)性能，提高齒輪心部的強(qiáng)度和韌性，以承受較大的彎曲應(yīng)力和

27、沖擊載荷。調(diào)質(zhì)后的硬度為3 3~4 8 HRC。高頻淬火+低溫回火可提高齒輪表面的硬度和耐磨性，提高齒輪表面的接觸疲勞強(qiáng)度。高頻加熱表面淬火加熱速度快，淬火后脫碳傾向和淬火變形小，同時(shí)齒面硬度比普通淬火高約2 H RC，表面形成壓應(yīng)力層，從而提高齒輪的疲勞強(qiáng)度。在使用狀態(tài)下，齒輪表面的顯微組織為回火馬氏體，心部為回火索氏體。,30,②汽車、拖拉機(jī)齒輪,機(jī)床齒輪比較，汽車、拖拉機(jī)齒輪工作時(shí)受力較大，受沖擊頻繁，因而對(duì)性能的要求較高。這

28、類齒輪通常使用合金滲碳鋼(例如20CrMnTi、20 MnVB)制造。其工藝路線為：,正火處理的作用與機(jī)床齒輪相同。經(jīng)滲碳、淬火+低溫回火后，齒面硬度可達(dá)5 8～62 HRC，心部硬度為35～45 HRC。噴丸處理能使齒面硬度提高2～3 HRC，并提高齒面的壓應(yīng)力，進(jìn)一步提高接觸疲勞強(qiáng)度。在使用狀態(tài)下，齒輪表面的顯微組織為回火馬氏體+殘余奧氏體+顆粒狀碳化物，心部淬透時(shí)為低碳回火馬氏體(+鐵素體)，未淬透時(shí)為索氏體+鐵素體。,

29、31,2.軸類零部件的選材,軸是機(jī)械工業(yè)中最基礎(chǔ)的零部件之一，主要用以支承傳動(dòng)零部件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 (1)軸的工作條件、主要失效形式及對(duì)軸用材料的性能要求 ①軸的工作條件 a．傳遞扭矩，承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用。同時(shí)也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。 b．軸頸承受較強(qiáng)的摩擦作用。 c．承受一定的過載或沖擊載荷。,32,②軸的主要失效形式 a．疲勞斷裂 由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的

30、長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。 b．?dāng)嗔咽?由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。 c．磨損失效 軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。,33,③對(duì)軸用材料的性能要求 a．高的疲勞強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂。 b．良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖擊或過載斷裂。 c．良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。,34,(2)典型軸的選材對(duì)軸類零部件進(jìn)行選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作條件和技術(shù)要

31、求來決定。①對(duì)于承受中等載荷，轉(zhuǎn)速又不高的軸，大多選用中碳鋼(例如4 5鋼)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理；②對(duì)于要求高一些的軸，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼(例如4 0 Cr)并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；③對(duì)要求耐磨的軸頸和錐孔部位，在調(diào)質(zhì)處理后需進(jìn)行表面淬火；④當(dāng)軸承受重載荷、高轉(zhuǎn)速、大沖擊時(shí)，應(yīng)選用合金滲碳鋼(例如20 CrMnTi)進(jìn)行滲碳淬火處理。,35,(2)典型軸的選材①機(jī)床主軸,如圖所示為C620車床主軸簡(jiǎn)圖。該主軸承受交變扭轉(zhuǎn)和彎曲載荷，但載荷

32、和轉(zhuǎn)速不高，沖擊載荷也不大，軸頸和錐孔處有摩擦。,按以上分析，C620車床主軸可選用4 5鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，硬度為2 2 0~2 5 0 H B，軸頸和錐孔需進(jìn)行表面淬火，硬度為4 6～54 HRC。,36,①正火可改善組織，消除鍛造缺陷，調(diào)整硬度便于機(jī)械加工，并為調(diào)質(zhì)處理做組織準(zhǔn)備。②調(diào)質(zhì)可獲得回火索氏體，具有較高的綜合力學(xué)性能，提高疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力。③表面淬火+低溫回火可獲得高硬度和高耐磨性。,37,②汽輪機(jī)主軸,汽輪機(jī)主

33、軸尺寸大，工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。其主要失效方式是蠕變變形和由白點(diǎn)、夾雜、焊接裂紋等缺陷引起的低應(yīng)力脆斷、疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕開裂。對(duì)汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。對(duì)于在500℃以上工作的主軸還要求其材料具有一定的高溫強(qiáng)度。,38,根據(jù)汽輪機(jī)的功率和主軸工作溫度的不同，所選用的材料也不同。①對(duì)于工作在450℃以下的材料，

34、可不必考慮高溫強(qiáng)度。如果汽輪機(jī)功率較小(12000 kW)，且主軸尺寸較大，則須選用35 CrMo鋼，以提高淬透性。③對(duì)于工作在500℃以上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大(>12500 kW)，要求高溫強(qiáng)度高，需選用珠光體耐熱鋼；通常高中壓主軸選用25 CrMoVA或27 Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15 CrMo或17 CrMoV鋼。④對(duì)于工作溫度更高，要求更高的高溫強(qiáng)度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼20 CrMoWV(<54

35、0℃)或鐵基耐熱合金Crl4Ni26MoTi(<650℃)、Cr14Ni35MoWTiAl(<680℃)制造。,39,汽輪機(jī)主軸的工藝路線為:,①第一次正火可消除鍛造內(nèi)應(yīng)力；②去氫處理的目的是使氫從鍛件中擴(kuò)散出去，防止產(chǎn)生白點(diǎn)；③第二次正火是為了細(xì)化組織，提高高溫強(qiáng)度；④高溫回火是為了消除正火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使合金元素分布更趨合理(V、Ti充分進(jìn)入碳化物，Mo充分溶入鐵素體)，從而進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度。,40,③內(nèi)燃機(jī)曲

36、軸,曲軸是內(nèi)燃機(jī)的脊梁骨，工作時(shí)受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲載荷以及振動(dòng)和沖擊力的作用。按內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速不同可選用不同的材料。①通常低速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用正火態(tài)的45鋼或球墨鑄鐵；②中速的內(nèi)燃機(jī)曲軸選用調(diào)質(zhì)態(tài)的45鋼、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳合金鋼(例如40Cr)或球墨鑄鐵。③高速內(nèi)燃機(jī)曲軸選用強(qiáng)度級(jí)別再高一些的合金鋼(例如42CrMo)。,41,內(nèi)燃機(jī)曲軸的工藝路線為:,各熱處理工序的作用與機(jī)床主軸的相同。,近年來常采用球墨鑄鐵代替45鋼制作曲軸，其工藝

37、路線為：,鑄造質(zhì)量是球墨鑄鐵的關(guān)鍵。①首先要保證鑄鐵的球化良好、無鑄造缺陷，②再經(jīng)風(fēng)冷正火，以增加組織中的珠光體含量并細(xì)化珠光體，提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，③高溫回火的目的是消除正火所造成的內(nèi)應(yīng)力。,例1　某臥式車床主軸箱中三聯(lián)滑動(dòng)齒輪。工作中，通過撥動(dòng)主軸箱外手柄使齒輪在軸上滑移，利用與不同齒數(shù)的齒輪嚙合，可得到不同轉(zhuǎn)速，工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高。其熱處理技術(shù)條件是：輪齒表面硬度50～55HRC，齒心部硬度20～25HRC，整體強(qiáng)度σb=

38、780～800MPa，整體韌性aK=40～60J·cm2。從下列材料中選擇合適的鋼種， 并制訂其加工工藝路線，分析 每步熱處理的目的：15，45，T12，20Cr，40Cr， 20CrMnTi，1Cr18Ni9Ti， W18Cr4V。,42,圖1 臥式車床主軸箱中滑動(dòng)齒輪簡(jiǎn)圖,分析,該齒輪是普通車床主軸箱滑動(dòng)齒輪，是主傳動(dòng)系統(tǒng)中傳遞動(dòng)力并改變轉(zhuǎn)速的齒輪。齒輪受力不大，在變速滑移過程中，雖然同與其相

39、嚙合的齒輪有碰撞，但沖擊力不大，轉(zhuǎn)動(dòng)過程平穩(wěn)。根據(jù)題中要求，1、輪齒表面硬度只要求50～55HRC，故不必要采用滲碳等化學(xué)熱處理，整體的強(qiáng)度、韌性由調(diào)質(zhì)就可以達(dá)到。因此，選用淬透性適當(dāng)?shù)恼{(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)、高頻感應(yīng)加熱淬火和低溫回火即可達(dá)到要求。2、該齒輪較厚，為提高其淬透性，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼，油淬即可使截面大部分淬透，同時(shí)也可盡量減少淬火變形量，回火后基本上能滿足性能要求。因此，從所給鋼種中選擇40Cr鋼比較合適。,43,加工工藝路線,下

40、料→齒坯鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻感應(yīng)淬火→低溫回火→精磨熱處理目的 ？熱處理后的組織？,44,,例2　某車床主軸如圖所示。該軸工作時(shí)受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，但承受的應(yīng)力和沖擊力不大，運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)，工作條件較好。主軸大端內(nèi)錐孔、外圓錐面工作時(shí)需經(jīng)常與頂尖、卡盤有相對(duì)摩擦；花鍵部位與齒輪有相對(duì)滑動(dòng)或碰撞。該主軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸熱處理技術(shù)條件：主軸整體調(diào)質(zhì)，硬度為220～250HBS；內(nèi)錐孔和外圓錐面局部淬火，硬度為45

41、～50HRC；花鍵部位高頻感應(yīng)淬火，硬度為48～53 HRC。試從下列材料中選擇制造該主軸的合適鋼種，并制訂其加工工藝：35，45，T 12，20Cr，40Cr，20CrMnTi，38CrMoAl，1Cr18Ni9Ti，W18Cr4V。,45,,,46,47,分析及選材,根據(jù)對(duì)上述工作條件的分析，主軸應(yīng)具有良好的綜合力學(xué)性能，并且花鍵（經(jīng)常摩擦和碰撞）和大端內(nèi)錐孔、外圓錐面（經(jīng)常裝拆，也有摩擦和碰撞）部位均要求有較高的硬度和耐磨性。