机械零部件的选材分析与案例分享
机械零部件的选材分析与案例分享
1、选用材料应考虑的一般原则
① 使用性原则：保证零件完成规定功能的必要条件。
? 分析零件的工作条件，确定使用性能。
? 零件受力情况：拉、压、弯、扭
? 环境状况：工作温度，介质
? 特殊要求：热、电、磁
? 进行失效分析，确定使用性能：磨损、断裂、变形
? 从零件的使用性能要求，提出对零件的性能要求。
② 材料的工艺性能应满足加工要求（也称工艺性能原则）
③ 材料还应具有较好的经济性（也称经济性原则，不是越便宜越好）
2、选材的一般步骤和应注意的问题
① 选材的一般步骤
? 分析零件的工作条件及失效形式，提出关键的性能要求同时兼顾其他性能；
? 与成熟产品相同类型的零件，采用经验类比法；
? 确定零件应具有的主要性能指标值；
? 初步选定材料牌号，并决定热处理和其它强化方法；
? 关键部件批量生产要通过实验验证。
② 选材应注意的问题
? 实际性能和实验数据，考虑尺寸效应；
? 加工工艺和热处理工艺，最大限度的发挥材料潜能；
? 注意材料成分偏差引起相变点变化。
3、齿轮类零件的选材
① 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求
齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。
? 工作时的受力情况
1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。
2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。
3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。
? 主要失效形式
1）疲劳断裂。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。
2）齿面磨损。
3）齿面接触疲劳破坏。
4）过载断裂。
? 齿轮用材性能要求
1）高的弯曲疲劳强度
2）高的接触疲劳强度、硬度和耐磨性
3）齿轮心部要有足够的强度和韧性
4）较好的工艺性能
② 机床齿轮
性能要求：机床齿轮转速中等，载荷不大工作平稳，无强烈冲击，对齿轮心部强度和韧性要求不高。
选材：中等碳量的碳素钢或合金钢：４５钢、４０Cr
热处理：正火－调质－高频淬火及回火
加工工艺路线：下料－锻造－正火－粗加工－调质－精加工－高频淬火及回火－精磨
③ 汽车拖拉机齿轮
性能要求：工作条件比机床恶劣，受力较大，超载和受冲击频繁，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面比机床高。
选材：20CrMnTi、20CrMnMo
热处理：正火－渗碳－淬火－低温回火
加工工艺路线：下料－锻造－正火－机械加工－渗碳、淬火、低温回火－喷丸－磨内孔及换档槽－装配
4、轴类零件的选材
① 轴的工作条件、失效形式及性能要求
? 一般轴的工作条件
1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷；
2）轴颈承受较大的摩擦；
3）承受一定的冲击载荷
? 主要失效形式
1）疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用
2）断裂失效大载荷或冲击载荷作用
3）磨损失效轴颈或花键处过度磨损
? 对轴用材料性能要求
1）良好的综合力学性能
2）高的疲劳强度
3）良好的耐磨性
② 轴类零件的选材
(1)不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴
(2)主要受弯曲，扭转的轴
(3)同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴
③ 典型轴选材举例
? 机床主轴选材
以C620车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，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。但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。根据以上分析，车床主轴可选用45、40Cr钢。热处理为调质处理；轴颈和椎孔进行表面淬火。
工艺路线为：
下料－锻造－正火－粗加工－调质－半精车外圆，钻中心孔，精车外圆，铣键槽－车空刀槽－粗磨外圆－铣花键－花键高频淬火，回火－精磨
? 内燃机曲轴
性能：受气缸中周期变化的气体压力，曲轴连杆的惯性力，扭转、弯曲应力，冲 击力。因此曲轴要求较高的强度，一定的冲击韧度和弯曲和扭转疲劳强度，早轴颈处要求该的硬度和耐磨性。
选材：45，40Cr，球墨铸铁
加工工艺路线：
锻造曲轴：下料－锻造－正火－粗加工－调质－精加工－轴颈高频淬火，低温回火－精磨
铸造曲轴：熔炼－铸造－高温正火－高温回火－机械加工－轴颈气体渗氮
5、弹簧类零件的选材
① 弹簧的工作条件、失效形式及性能要求
? 工作条件
1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力或扭转应力。
2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用
3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用
? 主要失效形式
1）塑性变形
2）疲劳断裂
3）快速脆性断裂
4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形
? 对弹簧用材性能要求
1）高的弹性极限和屈强比（σs/σb）
2）高的疲劳强度
3）好的材质和表面质量
4）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性
② 弹簧零件的选材
弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。
③ 典型弹簧选材举例
? 汽车板簧
汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷，需要高的屈服强度和疲劳强度。中重型汽车板簧用50CrMn，55SiMnV钢；重型大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnVNb。
其工艺路线为：热轧钢带（板）冲载下料----压力成型----淬火----中温回火----喷丸强化
? 火车螺旋弹簧
火车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震，其使用条件和性能与汽车板簧相近。
其工艺路线为：
热轧钢棒下料----两头制扁----热卷成型----淬火----中温回火----喷丸强化----端面磨平。其中淬火和回火工艺同汽车板簧。
6、汽车零件用材
① 缸体和缸盖
缸体材料必须满足下列要求：
1）有足够的强度和刚度，特别是有足够的刚度，以减小变形，保证尺寸的稳定性。
2）良好的铸造性和切削性
3）价格低廉
常用灰铸铁HT250、HT300
气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一，所以要选用耐磨材料。常用耐磨合金铸铁。
③ 活塞、活塞销和活塞环——活塞组
对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热性差、膨胀系数小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。
活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。
活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、Mo的合金铸铁制造。
连杆是在很复杂的应力状态下工作的。受力有交变拉压应力、弯曲应力等，一般采用45钢、40Cr或40MnB。
气门在工作时，要承受较高的机械负荷和热负荷。应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo等；排气门可用4Cr10Si2Mo。
半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以及一定的冲击载荷。
通常使用调质钢制造：40Cr、45钢、40CrNi、40MnB等。
⑦ 车身、纵梁、档板等冷冲压零件
汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，主要是钢板—冷轧钢板和热轧钢板。如钢板08、20、25和16Mn等。
7、机床零件用材
常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、刀具等。
① 机身、底座用材
首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。
② 齿轮用材
HT150、HT200，HT250，HT300，Q235，Q255，20Cr，40Cr等等，根据不同用途选用不同材料。
③ 轴类零件用材
曲轴和主轴常用QT600-2、KTZ600-3,
不重要或受力较小的轴可用Q235、Q255等，
承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr。
④ 螺纹联接件用材
无特殊要求的螺纹常用Q235、Q255、Q275制造；
中等载荷及精密螺纹常用35钢、45钢；
重载荷及极重要的螺纹用40Cr、40CrV。
⑤ 螺旋传动件用材
通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢；进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等。
⑥ 蜗轮传动用材
蜗轮用材：HT200、HT150、HT250等；
蜗杆用材：15钢、20钢、15Cr、20Cr、45钢、40Cr，低速传动的蜗杆也可用Q275。
⑦ 滑动轴承用材
滑动轴承材料应具有优异的减磨性、耐磨性、抗胶合能力和足够的冲击韧性及抗压、疲劳强度。轴承材料可分为：
（1）金属材料包括巴士合金、铜基轴承合金和铸铁
（2）粉末冶金材料
（3）塑料轴承材料
（4）橡胶轴承
⑧ 滚动轴承用材
一般用GCr9、GCr15、GCR15SiMn、GSiMnV等制造。
⑨ 机床其它零件用材
凸轮用材45钢
刀具用材工具钢、高速钢和硬质合金钢
其它用材灵活选用
8、仪器仪表用用材
仪器仪表用材包括结构钢、有色金属和工程塑料等多种，一般应具有良好的切削性能。
① 壳体材料
金属材料：Q195、Q235，1Cr13，1Cr13Ni9Ti
非金属材料：工程塑料、复合材料
② 轴类零件用材
Q235、2A12（LY12）、2A11（LY11）、HMn58-2等。
③ 凸轮用材
中碳钢或中碳合金钢45钢，40Cr
④ 齿轮用材
仪器仪表中的齿轮用材广泛，有钢、铜、塑料、复合材料等。
⑤ 蜗轮、蜗杆用材
仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆
9、化工设备用材
① 低合金钢
压力容器用低合金结构钢
常用的是低合金结构钢。要求强度、塑性和焊接性能。常用钢种16MnR、15MnVR和18MnMoNbR。Q345、Q390等。
化工设备对耐蚀性能要求较高，因此广泛的利用各种不锈钢制造。
（1）铬不锈钢
1Cr13、2Cr13等钢种有良好的耐蚀性，0Cr13、0Cr17Ti有良好的塑性。
（2）铬镍不锈钢
由耐蚀要求的压力容器常用铬镍不锈钢，主要牌号有1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。
有些化工设备是在650℃以上的高温环境工作。此时，一般碳钢抗氧化腐蚀性能和强度变得很差而无法使用，此时必须采用耐热钢。主要牌号有：1Cr13Si3、1Cr13Ni3、1Cr25Ni20Si2等。
? 其它类型的特殊性能钢
（1）低温钢
在化工生产中，会用到零件必须采用能承受低温的金属材料制造。
主要牌号有：16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuREDR。
（2）抗氢腐蚀钢
我国目前生产的抗氢钢种有：15CrMo、20CrMo、12Cr3MoA、
15MnV、10MoVWNb。
（3）抗氮腐蚀钢
1Cr18Ni9Ti不锈钢具有较强的抗氮化腐蚀能力，故常用制造氨合成塔的内件。
② 有色金属及其合金
? 铜及其合金
铜耐蚀性好，除了各种浓度的硝酸、氨和胺盐溶液。黄铜可作深冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。锡青铜主要来制造耐蚀和耐磨零件。
? 铝及其合金
工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫的药剂等生产所用设备。防锈铝可用作空气分离的蒸馏塔、热交换器等。铸铝可制造形状复杂的耐蚀零件。
? 铅及其合金
铅在许多物质中，特别是在热硫酸和冷硫酸中具有较高耐蚀性。由于其强度、硬度低，主要用来做设备衬里。
? 镍及其合金
镍在碱类物质中具有良好的耐蚀性。
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发动机气门弹簧热处理工艺的优化
【Author】
Wang FDepartment of Vehicle Engineering,Changzhou Institute of Mechantronic T
【摘要】 根据对气门弹簧的应力分析,设计了更为优化的气门弹簧的热处理工艺,分析右旋弹簧在同等喷丸条件下,采用不同的热处理工艺,内侧与钢丝轴线成45°方向的残余应力值,绘制弹簧钢丝内表面残余应力的分布曲线,并采用不同的气门弹簧样件模拟发动机实际工况、1.1倍工作应力幅和1.2倍工作应力幅,从而得到气门弹簧热处理工艺与气门弹簧残余应力及疲劳性能的关系。
【关键词】 ；
江苏省农机三新工程资助项目(NJ2013-04)
【DOI】10.ki.16.07.016
【分类号】TG162.74
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&&气门弹簧则大多由中碳铬钒钢丝或硅铬钢丝制造而成，使弹簧拥有足够的刚性和抗疲劳强度，以承受频繁的压缩负载及保持合适的弹力。在气门弹簧的使用过程中，会常发生一些故障，下面为大家讲一下！
&&气门弹簧在高温和周期性高频交变力的长期作用下，使用一段时间后，很容易就会产生磨损和变形，那样的话，弹簧的弹力将会减弱、减小，导致气门关闭不严实、机器发动机功率下降、设置在启动时出现困难等故障，如若车辆停止在十字路口不动的情况发生，试问大家会不会想到为当时的交通情况会是怎样。
&&由于气门弹簧质量差，弹力过弱或歪斜，或者气门弹簧断裂而导致气门弹簧响。气门弹簧响表现在发动机怠速时，可清楚的在气门罩盖处听到&喀哒喀哒&的响声，且有时带有嗡声，严重时汽车的加速性能下降，并伴有起动困难和个别缸工作不良的现象。
&&当出油阀弹簧的弹力减弱后。便会造成高压油内漏变得严重，高压油管内剩余压力降低，出油阀落座不迅速，以至造成供油量减少且不稳定，发动机工作无力或者&游车&。另外，还会使喷油器始喷无力，断油不干脆，出现后滴现象。从而导致发动机过热，燃烧恶化，排气冒黑烟等造成一定的环境污染。/
&&由上可知，气门弹簧产品必须在恶劣严酷的环境下工作，尤其是气门更是直接与高温燃气接触，因此在材质上必须有足够的刚性强度以及耐热性。分类： |君，已阅读到文档的结尾了呢~~
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