第十章 材料和毛坯的选择
材料与毛坯选择
• 备料— 模锻—正火＋高温回火—机械加工
• —渗碳—高温回火—机械加工—淬火＋低温回 火
• —机械精加工—检验
２、轴类零件
主要失效形式 • 交变载荷引起疲劳断裂 • 过载、冲击载荷引起的断裂 • 局部过度磨损（轴颈、花键部位）
轴类零件常用材料
45 35CrMo
40Cr
40MnB
38CrMoAl 40CrNiMo
单级齿轮减速器选材
磨损、疲劳麻
HRC、
–1
点
接触疲劳强度
σ σ 疲劳断裂、过
度磨损
0.2、 –1、 HRC
2、材料工艺性能良好
• 铸造 • 压力加工 • 焊接 • 切削加工 • 热处理
3、充分考虑经济性
• 材料价格 • 国家资源情况 • 零件的总成本
4、考虑零件外形和尺寸特点
• 轴、齿轮 • 箱体 • 大尺寸零件
• 铸造毛坯 • 压力加工毛坯
10.3典型零件选材及工艺流程
1、齿轮类零件 • 高的弯曲疲劳强度及接触疲劳强度 • 齿面具有高的硬度和耐磨性 • 心部具有足够强度和韧性
机床齿轮
• 转速中等、载荷不大 • 工作平稳无强烈冲击 • 一般选调质钢 45 40Cr
• 备料—锻造—正火—机械粗加工—调质— • 机械半精加工—高频淬火+回火—磨削
汽车、拖拉机、摩托车齿轮
• 工作条件恶劣 • 一般选用渗碳钢 20Cr 20CrMnTi
• 备料—锻造—正火—机械加工 • —渗碳+淬火+低温回火—喷丸—磨削
航空发动机齿轮
• 高速、高载，比汽车拖拉机条件更恶劣
• 高的疲劳强度、心部高的强度和韧性
• 多采用12CrNi3A 12Cr2Ni4A
毛坯选择
6. 当毛坯用几种方法制造均可时，选用最经济的方 案
一般，工业生产中选用“以铁代钢”、“以铸代 锻”及“少切削余量、无余量的精密件”。
检验毛坯选择是否合理的依据
(1) 使用性：首先必须满足零件使用要求。 (2) 工艺性：加工方便，易获优质产品。 (3) 经济性：成本最低，消耗最少。
其它特点与冷挤压类似，但其精度和表面质量不 如冷挤压。
热挤压的特点：
❖T加工 > T再，挤压力较小。 ❖挤压件表面较冷挤压的粗糙。 ❖主要用于有色金属材料的型材、管材生产。
四. 冲压件
主要用于小于6mm塑性良好的金属板料、条料的 生产。冲压模具费用昂贵，只适应于大批量生产。
冲压生产的优点：
可生产外形复杂的冲压件； 表面质量高，尺寸精度高，不必再机械加工； 机械性能较高； 生产率高； 成品合格率、材料利用率高，成本较低。
能全部通过水压试验；不 需特殊设备；最节省材料；工 艺准备时间最短。但此规格的 无缝钢管不易获得。
焊接件
结论
结合生产批量与现实条件，以选择胎模锻件最为 合理。如果能够有此规格（或接近）的无缝钢管，也 可以选择焊接件。
3 两端法兰盘用铸钢件，轴筒用厚钢板弯成两个半 圆，再焊成筒体，最后与法兰盘焊成毛坯(c)
本方案用钢102 t , 焊成的毛坯重量53 t；材料利 用率46.4%； 切削加工只需1000台时。 三种方案的直接成本之比为：
a : b : c = 2.2 : 1.4 : 1
六.型材
形状简单的小件在大批量生产时，直接应用型材 加工，有时更为经济。
因此，铸件是优先选用的毛坯。
3 废品率高
铸造生产工序多，影响因素多，质量不易控制， 内部缺陷较多；材料的利用率低。
机械零件材料及毛坯的选择
机械零件材料及毛坯的选择〖任务描述〗车床主轴是指机床上带动工件或刀具旋转的轴，它是决定机床的加工质量和切削效率的重要部件。
下面以图6-1所示的C616型车床主轴为例来分析其选材及热处理方法。
图6-1 C616型车床主轴〖任务分析〗该车床主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷不大，转速中等，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。
但大的内锥孔、外锥体与卡盘、顶尖之间有摩擦，花键处与齿轮有相对滑动。
为防止划伤和磨损，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。
轴颈与滚动轴承配合硬度要求不高。
C616型车床主轴选用45钢。
热处理技术条件为整体硬度220～250 HBW；内锥孔和外锥体45～50 HRC；花键部分48～53 HRC。
其加工工艺路线为锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—淬火、低温回火—粗磨(外圆、锥孔、外锥体)—铣花键—花键淬火、回火—精磨。
〖相关知识〗学习情境一零部件的失效一、零部件失效的概念及形式一般机器零件常见的失效形式有过量变形、断裂和表面损伤三种。
1.过量变形（1）过量弹性变形。
机械零件在使用过程中只要受力必然会发生弹性变形，但是弹性变形量过大会使零件失效。
引起弹性变形失效的原因主要是零部件的刚度不足。
要预防过量弹性变形，则应选用弹性模量大的材料。
（2）过量塑性变形。
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。
过量塑性变形是机械零件失效的重要形式，轻则使机器工作情况变坏，重则使机器无法继续运行，甚至破坏。
（3）蠕变。
在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力下经过一定时间所引起的变形量来衡量。
2.断裂1）韧性断裂韧性断裂时，零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸发生明显的变化。
一般断面缩小，且断口呈纤维状。
零件的韧性断裂往往是由于受到很大的载荷或过载引起的。
2）低温脆性断裂零件在低于其材料的脆性转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效的现象称为低温脆性断裂。
机械零件材料及毛坯的选择与质量检验.doc
第十章机械零件材料及毛坯的选择与质量检验机械制造中，要获得满意的零件，就必须从结构设计、合理选材、毛坯制造及机械加工等 方面综合考虑。
而正确选择材料和毛坯制造方法将直接关系到产品的质量和经济效益，因此,这项工作是机械设计和制造中的重要任务之一。
机械零件的使用性是多种多样的，对材料和毛坯的选择要考虑诸多因素。
这里只介绍一 些材料及毛坯选择的一般原则。
第一节机械零件的失效在我们的现实中，机械设备可能发生多种故障。
对故障研究分析，首先应根据零件的损 坏形式，找出失效的主要原因，为选材和改进工艺提供必要的依据。
一、 失效的基本概念零件在工作过程中最终都要发生失效。
所谓失效是指： （1零件完全破坏，不能继续工 作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作 用。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
失效分析的目的就是要找 出零件损伤的原因，并提出相应的改进措施。
现代工业中零件的工作条件日益苛刻，零件的 损坏往往会带来严重的后果，因此对零件的可靠性提出了越来越高的要求。
另外，从经济性 考虑，也要求不断提高零件的寿命。
这些都使得失效分析变得越来越重要。
失效分析的结果 对于零件的设计、选材、加工以至使用，都有很大的指导意义。
二、 零件失效的主要形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件 的不同失效形式。
零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型。
如图 10-1所示。
图舂件失效的主要形式必须指出，实际零件在工作中往往不只是一种失效方式起作用。
例如，一个齿轮，齿面性交形失效7R 加边斷裂失救也1*面S 劳失效 揭失效之间的摩擦导致表面磨损失效，而齿根可能产生疲劳断裂失效，两种方式同时起作用。
但一般来说，造成一个零件失效时总是一种方式起主导作用，很少有两种方式同时都使零件失效。
失效分析的目的实际上就是要找出主要的失效形式。
机械零件毛坯的选择与材料的选用课件 (一)
机械零件毛坯的选择与材料的选用课件 (一)随着现代机械工业的不断发展，机械零件的加工质量和材料的性能越来越重要。
而作为机械零件加工过程的重要一环，机械零件毛坯的选择及材料的选用也就变得尤为关键。
本文将重点介绍机械零件毛坯的选择与材料的选用。
一、机械零件毛坯的选择机械零件毛坯的选择包括毛坯的形状和尺寸等因素。
毛坯的形状和尺寸直接影响到机械零件的加工难度和加工效率。
1.毛坯形状的选择毛坯的形状应尽量接近最终零件的形状，形状相似可以减少加工难度，提高加工质量。
对于中复杂的零件，可以采用分段加工的方法。
但是若过分复杂会增加加工工序并且造价较高，所以需要进行制造成本分析。
2.毛坯尺寸的选择毛坯尺寸的精确定位可减少加工量和加工难度, 根据电子计算机辅助技术，通过CAD/CAM设计可根据最终机械零件形状确定毛坯大小，提高机械零件成本性功能。
二、材料的选用机械零件加工材料对制造的影响十分明显，不同材料具有不同的性能和加工难度。
合适的材料选用对机械零件的加工质量、稳定性和使用寿命产生决定性影响。
1.金属材料的选用金属材料因拥有较高的强度、刚度、延展性和热处理性能，被广泛应用于机械零件制造。
钢、合金钢、铜、铝等均是常用的金属材料。
根据零件的性质和工作环境选择渗碳钢、合金钢或不锈钢状态以保证机械零件极限工况下的安全运行。
2.塑料材料的选用塑料材料因其较小的密度、较好的耐腐蚀性和绝缘性等特点，被广泛应用于机械零件制造中。
选择塑料材料时要考虑材料的性质、加工性能和耐用性，目前一些国外先进企业使用石墨塑料取代铸铁，既然保证了机械零件的使用寿命及减小了成本。
综上所述，机械零件毛坯的选择和材料的选用在机械零件制造中都是非常关键和重要的，这两方面的选择都将直接影响机械零件加工的难易程度与最终加工品质。
材料与毛坯的选择
3、材料的经济性 即材料价格和工艺成本等 尽量降低产品成本，提高经济效益
总的原则：在满足使用性能、工艺性能的前提下， 尽可能选用价廉的材料，并对零件使用寿命、重 量、加工费用等进行多方面评价。
（二）零件选材的一般方法
首先，对零件的工作条件和周围环境进行详细 分析，找出零件失效的主要形式，从而提出最 关键的性能指标（主要是力学性能指标）
3）对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯采用锻-焊结 构毛坯。
（二）轮盘类零件
1、结构特征：直径尺寸较大而长度尺寸相对较长的回转 体零件（一般长度与直径之比小于1）。
2、盘套类零件指各种齿轮、带轮、飞轮、法兰盘、联轴 节、套环、轴承环、端盖及螺母、垫圈等。
3、毛坯选择： 1）带轮、飞轮类零件的毛坯选择 受力特点：受力不大，且主要承受压力，结构复杂
材料与毛坯的选择
一、零件材料的选用 （一）材料选用的一般原则
保证使用要求的前提下，力求毛坯的质量 好、成本低和制造周期短。 1、零件使用性能的要求 使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能 主要是力学性能
2、材料的工艺性能 工艺性能—指材料经受各种加工时的难易程度 影响：影响到零件的生产率、成本和质量 种类：铸造性能
时生产率低； • 锻压只能生产形状较简单的毛坯
3、零件性能的可靠性对毛坯选择的影响
• 铸件易形成各种缺陷，冲击韧性差，故一般受动载荷 的零件不宜用铸件做毛坯
• 对强度、冲击韧性、疲劳强度要求高的重要零件大多 采用锻件做毛坯
• 焊接件主要采用轧制型材焊接，故性能也较好
4、零件生产的批量对毛坯选择的影响
铁、合金铸铁，球墨铸铁可用热处理提高力学性能。
5、毛坯选择：
机械零件材料与毛坯选择
机械零件材料与毛坯选择
机械零件材料及毛坯选择实例分析
轴类零件的选材 1. 轴类零件工作条件及失效形式 轴类零件的失效形式有：疲劳断裂、过量变形和过度磨损等。 2. 常用轴类零件材料 （1）对轴类零件材料性能要求 根据工作条件和失效形式，轴类零件材料应具备以下性能：足 够的强度、刚度、塑性和一定的韧性；高的硬度和耐磨性；高 的疲劳强度，对应力集中敏感性小；足够的淬透性，淬火变形 小；良好的切削加工性；价格低廉。 （2）常用轴类材料及热处理 常用轴类材料主要是经锻造或轧制的低、中碳钢或中碳的合金 钢。
机械零件材料与毛坯选择
机械零件材料及毛坯选择实例分析
齿轮类零件 齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一，它主要用于传 递动力、改变运动速度和方向。齿轮工作时的受力情况是： 1）由于传递扭矩，齿根部受交变弯曲应力。 2）齿面相互接触滚动、滑动，承受大的接触应力并产生强烈 的摩擦。 3）在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷。 由上述可知，齿轮的主要失效形式是疲劳断齿、疲劳点蚀以及 齿面的过量磨损。根据齿轮的受力情况和失效分析，齿轮在热 处理后应满足以下要求： 1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀）。 2）齿面具有较高的硬度和耐磨性。 3）齿轮心部具有足够的强度和韧性（抗冲击）。
机械零件材料与毛坯选择
机械零件材料及毛坯选择实例分析
箱座类零件的选材 箱座类零件是机械中的重要零件之一，其结构一般都较复杂， 工作条件相差很大。主轴箱、变速箱、进给箱、阀体等，通常 受力不大，要求有较高的刚度和密封性；工作台和导轨等，要 求有较高的耐磨性；以承压为主的机身、底座等，要求有较好 的刚性和减振性。有些机身、支架往往同时承受拉、压和弯曲 应力，甚至还承受冲击力，故要求有较好的综合力学性能。
零件材料和毛坯的选择及零件切削
二、毛坯的选择
1.保证设计的质量要求 零件加工使用的材料；工件的形状、尺寸、公差；热处
理应达到的性能指标；表面粗糙度。 2.生产零件数和制造允许成本 3.毛坯的加工余量 确定加工余量的方法有以下几种： (1)查表法根据各种工艺手册中的有关资料,结合加工
要求和条件,确定各工序的加工余量。 (2)计算法在分析影响加工余量的因素基础上,列出公
零件材料和毛坯的选择及零件切削 加工工艺的制订
第一节 零件材料的选择
一、选材的基本原则
1．使用性原则 2.工艺性原则 3.经济性原则
二、几种材料的合理选择
1．铸铁与钢 2.非合金钢、低合金钢和合金钢 3.非金属材料的合理使用
三、典型零件和常用工具的选材实例
1.齿轮类零件的选材
(1)调质钢： ❖对耐磨性要求高,而冲击韧性要求一般的硬齿面 (>40HRC)齿轮，如车床、钻床、铣床等机床的变速箱 齿轮：45、400r、42SiMn等钢,经调质后表面高频淬火, 再回火。 ❖对齿面硬度要求不高、在低速、低载荷下工作的软 齿面(≤350HBS)齿轮,如车床滑板上的齿轮、车床挂轮 架齿轮：45、40Cr、42SiMn、35SiMn等,经调质或正火 处理后使用。
第二节 零件毛坯分析与选择
一、毛坯的类型
1.轧制材料
❖铸锭或扁坯要轧制成为板材、棒材、线材、型 材、管材等产品。 ❖型材：圆钢、方钢、六角钢、槽钢、工字钢等。 ❖轧制材料：冷轧和热轧。
2.零件毛坯
❖铸件毛坯：铸铁、铸钢、铸造铜合金、铸造铝合金等。 ❖锻件毛坯：广泛用于制造对强度和韧性要求高的零件。 但是,锻造方法不适于内腔形状复杂的零件。 ❖焊接件毛坯：同铸件相比较，强度、冲击韧性都高，而 且重量轻、材料利用率高,缺点是残余应力和热影响区对 焊接质量影响较大,所以消除应力极为重要。 ❖粉末冶金毛坯：只在特殊需要时选用，能制造出用其他 方法难于制造的零件,如含油轴承、硬质合金、电气触点 材料等。
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第二节 毛坯的选择
(１)形状复杂的要求减振的大型机座。 (２)大批量生产的重载中、小型齿轮。 (３)薄壁杯状的低碳钢零件。
(４)形状复杂的铝合金构件。
第二节 毛坯的选择
(3)箱体类零件 箱体一般具有形状复杂、体积较大、壁厚较小的 特点，因而一般选用铸件毛坯。 １.材料的选择原则
1)材料的使用性能应满足使用要求。 ２)材料的工艺性能应满足生产工艺的要求(工艺性能原则)。 ３)必须考虑材料的经济性。 ２.毛坯的选择原则 １)首先保证零件的使用要求。 ２)在保证零件的使用要求的前提下，降低制造成本。 1.简述选材的基本原则、方法及步骤。 2.选择毛坯的原则是什么? 3.下列零件，采用什么方法制造毛坯比较合理：
第二节 毛坯的选择
(1)保证零件的使用要求 零件使用要求包括对零件形状、尺寸、 精度、表面质量和化学成分、金属组织的要求，及工作条件对零 件性能的要求。
(2)降低制造成本 零件的制造成本包括本身的材料费、消耗的燃 料和动力费、工资、设备和工艺装备的折旧费，以及其他辅助性 费用。 三、典型零件的毛坯选用 (1)轴、杆类零件 常见的轴、杆类零件有实心轴、空心轴、台阶 轴、曲轴、连杆件等。 (2)盘、套类零件 常见的盘、套类零件有齿轮、带轮、轴承端盖、 联轴器、套环等。第一节 Nhomakorabea材料的选择
(３)性能要求 箱体应具有足够的抗压强度和刚度、良好的耐磨性 和减振性。 (４)箱体类零件材料 对于主要承受静压力，或要求减振的箱体，
如机床主轴箱、进给箱等，常选用灰铸铁(如ＨＴ２００、ＨＴ２ ５０等)；受力不大、要求耐大气腐蚀、自重轻、导热性好的箱体， 如汽车发动机缸盖，常用铸造铝合金(如ＺＡｌＳｉ９Ｍｇ等)；受 力较大，要求强度高，韧性好的箱体，如变速箱，可选用铸钢(如 ＺＧ２００-４００等)。
第一节 材料的选择
表１０-２ 常用热处理方法的相对加工费用
二、典型零件的选材 1.齿轮类零件 (１)齿轮的作用 齿轮是各种机械、仪表中应用最广的传动零件， 其作用是传递动力、改变运动速度和方向。
第一节 材料的选择
(２)齿轮的工作条件及失效形式 齿轮工作时，齿根受很大的交变 弯曲应力，并有应力集中；齿面间相互有滑动、滚动并承受接触 应力；起动、变速、变向或啮合不均匀时，承受冲击载荷作用。
第一节 材料的选择
３)轴颈有高的硬度和耐磨性。 ４)具有一定的淬透性。 (４)轴类零件常用材料 轴的材料主要采用优质碳素结构钢和合金
结构钢。 １)对于承受交变拉、压应力作用截面尺寸较大的轴，如船用推进 器轴、锻锤锤杆等，由于整个截面受力均匀，应选用淬透性高的 调质钢，如４０ＭｎＶＢ、３０ＣｒＭｎＳｉ、４０ＣｒＭｎＭ ｏ等，经调质处理后，具有优良的综合力学性能。 ２)主要受弯曲、扭转应力作用的轴，如机床主轴、变速箱的传动 轴等。
第一节 材料的选择
３)高速、高精度、表面要求高硬度的传动轴，如精密磨床主轴、 镗床主轴等，常钢３８ＣｒＭｏＡｌＡ，经调质及渗氮处理后， 表面有高的硬度、耐磨性、抗蚀性及疲劳
４)中、低速的内燃机曲轴、凸轮轴，可选用球墨铸铁代替调质钢， 以降低材料和制造成本。 3.箱体类零件 (１)箱体的作用 箱体是机械设备的基础零件，其主要作用是保证 箱体内各运动件具有正确的相对位置，并支承这些零件达到协调 地正常运转。 (２)受力情况 箱体承受被其支承的零部件的重力及它们之间的作 用力或冲击载荷作用。
(３)对齿轮材料的主要性能要求 １)具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。 ２)齿面具有高的硬度和耐磨性。 ３)齿轮心部具有足够强度和韧性。 ４)良好的可加工性及热处理时变形小。 (４)常用齿轮材料 常用齿轮材料是优质碳素结构钢和合金结构钢。
第一节 材料的选择
１)轻载、低速、小冲击载荷、精度低的软齿面(硬度小于等于３５ ０ＨＢＷ)的齿轮，如车床挂轮箱齿轮、溜板箱齿轮，常用４５、 ４０Ｃｒ钢制造，经正火或调质后使用。
第一节 材料的选择
４)载荷平稳、润滑条件好、热处理变形要求小的精密传动齿轮或 磨齿有困难的内齿轮，可用３８ＣｒＭｏＡｌＡ钢制造，经调质 及渗氮处理后，齿面硬度高达８５０～１２００ＨＶ(相当于７０
ＨＲＷ)。 2.轴类零件 (１)轴的作用 轴是机械设备中重要零件之一，其作用是支承传动 件并传递运动和动力。 (２)轴的工作条件及失效形式 大多数轴承受交变扭转应力和弯曲 应力作用，轴颈承受摩擦作用。 (３)轴类零件的性能要求 １)高的弯曲和扭转疲劳强度。 ２)优良的综合力学性能。
第二节 毛坯的选择
一、毛坯的类型 (1)铸件 铸造生产具有较强的适应性，可以制造形状复杂的，特 别是内腔复杂的毛坯；也可以制造大型的机械结构、难以切削加
工的零件、特殊成分的合金毛坯等。 (2)锻件 锻造生产的毛坯最大的特点是锻件中晶粒细化并有方向 性纤维组织，提高了力学性能。 (3)焊件 焊件结构轻便、节省材料，气密性和强度比铸件高，应 用广泛。 (4)型材 用于制造机械零件的型材有圆钢、方钢、六角钢、扁钢、 角钢、槽钢等。 二、毛坯选择的原则
机械工程基础第2版
主编
第十章 材料和毛坯的选择
第一节 材料的选择
第二节 毛坯的选择
第一节 材料的选择
一、选材的基本原则 选择机械零件材料的基本原则是在保证零件使用性能的前提 下，要求材料有较好的加工工艺性能和经济性。
1.材料的使用性能 2.材料的工艺性能 3.材料的经济性
表１０-１ 我国常用金属材料的相对价格
２)中载、中速、传动平稳、耐磨性较好、冲击韧度要求一般的硬 齿面(硬度大于３５０ＨＢＷ)的齿轮，如车床、铣床、钻床的变速 箱齿轮，通常采用４５、４０Ｃｒ、４０ＭｎＢ钢制造，经调质 后高频淬火及低温回火，齿面硬度可达５０～５５ＨＲＷ。 ３)高速、重载、大冲击载荷、硬度要求高(大于５５ＨＲＷ)的齿 轮，如汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮，常用２０ＣｒＭｏ、 ２０ＣｒＭｎＴｉ、２０ＣｒＭｎＭｏ等制造，经渗碳、淬火及 低温回火后，齿面的硬度达到５８～６３ＨＲＷ，因淬透性好， 齿心部有较高的强韧性。