第十章船机主要零件的材料和热处理。

重要金属的世界储量 ２. 环境污染小
Fe Al Cu Zn Mo 储量（106t） 1×106 1170 308 123 5.4 可用年数 109 35 24 18 36 再生率(%) 31.7 16.9 40.9 21.2
废气排放少
材料回收及降解
Ag
Cr Ti
0.2
775 147
14
112 51
41.0
第十章 船机主要零件的材料和热处理
选材的动机 —— 开发新产品、产品的改进和更新换代。 选材原则 使用 、工艺性能 经济性 环境与资源原则
一、材料的使用性能 —— 首要原则 １. 零件的工作条件和失效形式 零件失效类型 变形 —— 弹、塑性变形。 断裂 —— 脆、塑性，疲劳断裂。 表面损伤 —— 磨损、腐蚀等。 零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。
第四节 活塞
一、活塞的工作条件及对材料的要求
十字头式活塞
筒形活塞
1、活塞的工作条件
直接受到高温高压燃气的和往复惯性力的作用，因此活塞承受很高的热 应力和机械应力； 同时，活塞在往复运动中还存在摩擦和撞击（润滑不良时更为严重）。
2、对活塞材料的要求 足够的强度、硬度，较高的疲劳强度和高温性能； 优良的导热性和较小的膨胀系数； 耐磨性和耐蚀性好，比重小（对高速柴油机尤其重要）。 二、活塞材料及热处理 1、活塞材料 1）船用中、低速柴油机 组合式活塞：头部：铸钢（ZG320-450、ZG25CrMo） 裙部：灰铸铁（HT250、HT300） 整体式活塞：灰铸铁、球墨铸铁
传动齿轮 弹簧
压、弯 扭、弯
２. 工作环境 —— 温度，介质（如腐蚀，摩擦）。 ３. 特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 ４. 性能要求的指标化 —— 如强硬度、塑韧性等的具体数值。 手册数据、经验公式的局限性 —— 力学性能与零件尺寸有关 40钢不同尺寸毛坯的力学性能
热处理条件 毛坯尺寸/mm 5 850淬火 30 50 500回火 750 700 15 15 80 56 σ b / MPa 800 δ / % 16 AKU / J 120
合金铸铁（高磷铸铁、钒钛铸铁）
2）中、高速强载柴油机
球墨铸铁（QT600-03等）
合金铸铁（硼铸铁） 2、气缸套表面处理 1）表面热处理——表面淬火、氮化。 2）表面处理——松孔镀铬（耐磨、耐蚀、摩擦系数小、硬度高）
注意；镀铬缸套和镀铬活塞环不能配合使用，否则易产生拉缸事故。
3、气缸套的生产工艺 大、中型柴油机，单件小批量——砂型铸造。 中、小型柴油机成批生产——离心铸造。
工作条件 零件 应力 种类 拉、剪 弯、扭 载荷 性质 静载 循环 冲击 循环 冲击 交变 冲击 受载 状态 -轴颈 摩擦 摩擦 振动 振动 常见失效形式 性能要求
螺栓 传动轴
过量变形，断裂 疲劳断裂， 过量变形，轴颈磨损 断齿，磨损， 疲劳断裂，接触疲劳 弹性失稳， 疲劳破坏
强度，塑性 综合力学性能 表面高硬度及疲劳 极限，心部强度及韧性 弹性极限， 屈强比，疲劳极限
三、经济性 —— 根本原则 １. 产品成本分析 基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的30~70% 制造（加工）成本 —— 约占零件成本的30%
加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批量
四、环境与资源原则 —— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程
１. 减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。
典型零件的选材与工艺 第一节 曲轴
一、曲轴的工作条件和对材料的要求 1、曲轴的工作条件 受交变载荷、弯矩和扭矩的作用，在横截面变化处存在较大的应力集中。 2、对曲轴材料的要求 具有良好的综合机械性能；足够的疲劳强度；优良的耐磨性。 二、曲轴的材料和热处理 1、曲轴的材料 1）船用大型低速柴油机的半组合式曲轴 主轴颈—中碳钢（30、40、45等） 曲柄—铸钢（ZG270-450、ZG310-570、ZG25MnV等）
2、连杆的热处理
1）船用大型低速机——正火（选用中碳钢，如40、45等） 2）中、高速柴油机——调质（选用合金调质钢，如40Cr、35CrMo等） 3、连杆毛坯锻造成型的方法——模锻和自由锻
第三节 气缸套
二冲程柴油机气缸套
四冲程柴油机气缸套
一、气缸套的工作条件及对材料的要求
1、气缸套的工作条件 气缸套的内圆表面受到高温、高压燃气的作用、 活塞组件的强烈摩擦和燃气的腐蚀； 气缸套的外表面受到冷却水的腐蚀和穴蚀； 另外，还有内、外温差引起的热应力。 2、对气缸套材料的要求 具有较高的强度、刚度，以及良好的耐磨性、耐蚀性和导热性。 二、气缸套材料及表面热处理 1、气缸套材料 1）大型低速柴油机和一般中、高速柴油机 灰铸铁（HT250、HT300等）
2）船用中、高速柴油机的整体式曲轴 中碳钢： 35、40、45 调质钢：35CrMo、40Cr等 球墨铸铁：QT600-03等
2、曲轴毛坯的生产 大、中型整体式曲轴——自由锻； 大型半组合式曲轴——主轴颈用锻钢；曲柄用锻钢或铸钢（液压套合工艺）； 小型曲ຫໍສະໝຸດ ——模锻； 球墨铸铁曲轴——铸造成型。
3、曲轴的热处理
原则：为了得到综合机械性能，曲轴的组织必须为S′或S。
1）碳素钢曲轴锻件——正火（代替调质），获得S。 2）合金钢曲轴锻件——调质，获得S′。 3）铸钢曲柄——正火。 4）球墨铸铁曲柄——正火。 4、曲轴轴颈的表面强化处理 目的：提高耐磨性和疲劳强度。 1）表面热处理（氮化） 2）喷丸、滚压强化。
第二节 连杆
100
600
13
40
二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理 零件的加工工艺路线 一般零件 —— 毛坯 → 正火或退火 → 切削加工
轴、齿轮 等
毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工 → 最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工
精密丝杠
毛坯 → 预先热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 半精加工→ 时效（或 N化）→ 精加工 → 时效
十字头式连杆
无十字头式连杆
一、连杆的工作条件和对材料的要求
1、连杆的工作条件：承受周期性变化的气体力、惯性力作用， 使连杆内部产生很大的交变拉、压应力和弯曲应力。 2、对连杆材料的要求：疲劳强度高，综合机械性能好。 二、连杆的材料和热处理 1、连杆的材料 船用大型中、低速柴油机——中碳钢（35、40、45） 调质钢（40Cr、35CrMo等） 高速大功率柴油机——合金调质钢（40Cr、35CrMo、42CrMo等）