机械设计中材料的选材及热处理

机械零件的选材在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。

机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。

1、工程材料的强化方式：固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。

2、工程材料的韧化途径：细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。

一、选材的基本原则＊满足机件的使用性能要求＊较好的加工工艺性＊较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。

（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。

②工作环境——温度、介质的性质等③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、外观等失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。

如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。

（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求→可测的实验室性能指标→初选一般根据设计手册的数据选材，应注意：﹡材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。

﹡材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。

﹡材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的手册一般给出：σs 、σb 、δ、ψ、ak目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。

2、材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。

机械零件选材及热处理设计手册
1. 选材原理和方法，介绍不同材料的特性、优缺点，如金属材
料（钢、铝、铜等）、塑料、复合材料等的选择原则和方法。

包括
材料的力学性能、耐磨性、耐蚀性、加工性等方面的考量。

2. 热处理基础知识，介绍热处理的基本原理，包括淬火、回火、正火、退火等常见热处理工艺，以及热处理对材料性能的影响。

3. 典型零件材料选材与热处理设计，针对不同类型的零件，如
轴承、齿轮、销轴等，介绍其常用的材料选材和热处理设计方案。

比如对于需要高强度和耐磨性的零件，可能会选择高强度合金钢并
进行表面渗碳处理。

4. 实例分析与应用，通过实际案例，分析不同选材和热处理方
案的优劣，以及在特定工况下的应用。

5. 相关标准和规范，介绍国内外相关的选材和热处理的标准和
规范，帮助读者在设计过程中遵循相关的规定。

总的来说，这本手册会从理论和实践两个方面全面介绍机械零
件选材和热处理设计的相关知识，旨在帮助工程师和设计人员在实际工程中做出合理的材料选择和热处理设计，以确保零件具有良好的性能和可靠性。

齿轮常用材料的选择及其热处理工艺分析介绍了齿轮常用材料及典型齿轮的热处理工艺，结合常用齿轮材料的性能特点，总结了齿轮材料选用原则及热处理工艺与提高其承载能力以及延长使用寿命之间的关系，旨在通过理论来指导实践。

标签：齿轮材料；热处理；性能；承载能力引言齿轮作为传动系统中应用非常广泛的零件，在工作时，所受应力往往是非常复杂的，一是需要承受齿轮齿根部的循环往复的弯曲应力，二还要考虑接触应力以及齿面之间的相互接触所带来的不良影响，同时具有较强的摩擦齿面，齿轮啮合时，它会吸收一定量的冲击载荷。

齿轮使用过程应避免齿面磨损太多，甚至以断齿、疲劳点蚀形式失效。

合适的热处理工艺能提高齿轮的耐磨性、承载能力和使用寿命，热处理后的齿轮具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀），齿面具有较高的硬度和耐磨性，齿轮心部具有足够的强度和韧性[1]。

齿轮材料的选择以及相关的热处理工艺无论是对于齿轮的质量，又或者是齿轮的使用性能都会产生很大的影响。

比较常用的热处理工艺包括：表面淬火、碳氮共渗、渗碳、渗氮、回火、正火等。

而对于齿轮材料的选择，锻钢、铸钢、铸铁、有色金属、非金属材料等都是非常理想的选择。

1 齿轮材料及热处理工艺1.1 锻钢根据齿面的软硬程度，钢制齿轮包括软齿面齿轮和硬齿面齿轮，它们之间的分界线是布氏硬度为350HBS的时候，大于350HBS为硬齿面，反之则是软齿面。

1.1.1 软齿面齿轮软尺面齿轮，工艺路线：锻造毛坯→正火→粗车→调质、精加工。

常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。

软齿面齿轮的特点：性能优良，齿面本身的硬度、强度都理想，齿心的韧性好；热处理后切齿精度可达8级；制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高。

1.1.2 硬齿面齿轮（1）采用中碳钢时的加工工艺过程为：锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→高、中频淬火→低温回火→珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。

常用材料：45、40Cr、40CrNi。

热处理基本知识和材料选用（叶芝青）改善钢的性能，有两个主要途径：一是调整钢的化学成分，加入合金 元素，即合金化的办法；另一是对钢实施热处理。

这两者之间有着极为密 切，相辅相成的关系，这里只介绍“钢的热处理”一、 钢的热处理的一般概念热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中已被广泛应 用。

钢经过正确的热处理，可提高使用性能，改善工艺性能，达到充分发 挥材料性能潜力，提高产品质量，延长使用寿命，提高经济效益的目的 据初步统计，在机床制造中，约60%~70%零件要经过热处理；在汽车、 拖拉机制造中需要热处理的零件多达70%~80%至于减速器齿轮箱的齿 轮和工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。

总之，重要的零件都必 须进行适当的热处理才能使用。

所谓钢的热处理是指将钢在固态下 进行加热、保温和冷却三个基本过程， 以改变钢的内部组织结构，从而获得 所需性能的一种加工工艺。

为简明表 明表示热处理的基本工艺过程，通常 用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线, 如图1所示，曲线①表示钢件在加热 升温阶段，曲线②表示钢件加热到规 定温度后处于保温阶段，曲线③表示钢件保温结束后进行淬火冷却。

钢热处理的最基本类型可根据加热和冷却方法不同，大致分类如下: 热处理可以是机械零件加工制造工艺中的一个中间工序，如改善锻、 轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬 度改善切削加工性能的退火等。

也可以是使机械零件性能达到规定技术指 标的最终工序，如经淬火加普通热处理- 退火正火淬火 回火表面淬火- 火焰加热感应加热表面热处理--渗碳惟学热处理- -渗氮_碳氮共渗控制气氛热处理其他热处理--真空热处理 —形变热处理热处理类型-图1热处理工艺曲线示意图高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。

由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。

齿轮材料的选择及其热处理工艺1、齿轮材料的选择原则齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。

例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。

采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30〜50HBS或更多。

当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质）；且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

绪论一、机械工程材料的定义和分类1 定义：机械工程材料主要指用于机械工程、电器工程、建筑工程、化工工程、航空航天工程等领域的材料。

2、分类按化学成分分为: 金属材料(用量最大、应用范围最广)高分子材料(质轻、耐腐蚀、化工、机械、航空航天等)陶瓷材料（高电强、高硬度、耐腐蚀、绝缘、勇于电器化工等）复合材料（轻、高强度、结合两种材料的性能优点，用于航空航天等领域）二（机械）工程材料的性能力学性能（）保证构件安全可靠（1）材料的使用性能物理性能包括两方面化学性能切削加工性能保证构件容易制备铸造性能材料的工艺性能焊接性能热处理性能：实际进行机械设计时：主要考虑的是材料的使用性能，其中有以力学性能最为重要。

原因：如果力学性能不能瞒住工作的要求时，将引起重大事故，带来灾难。

（如泰坦尼克巨轮的沉没，哥伦比亚号航天分级的解体和坠毁等）这些都是由于零件（部件）的失效引起的。

第一章机械零件的失效分析简介：一失效的定义1任何一个机械零件或部件都要具有一定的功能：（零件设计功能）（1）P、T、M 下，保持一定的几何形状和尺寸(最基本的要求，桥梁，钢轨等)（2）实现规定的机械运动（发动机中的活塞和衢州，把直线运动转换成沿圆周运动）（3）传递力和能（齿轮，传递力矩，水轮机江水能转变成电能）2失效：零件失去设计要求的效能（功能）----失效形式多样，常见的分为以下几种方式。

过量变形断裂磨损腐蚀2引起失效的原因：外界载荷、温度、介质等材料又损害作用（外界对材料的损害）材料本身：抵抗损害的能力。

（这种能力是有限的）若：前者大于后者------失效前者等于后者-------临界状态前者小于后者------正常工作二研究失效的意义1通过失效分析-----找出失效原因------确定相应的抗力指标-----为选材和制定工艺提供依据；2通过失效分析----减少和预防机械产品类事故的重复发生，提高产品质量、减少经济损失；3失效分析工作是机械产品维修工作的基础,确定维修的技术和方法,提高维修工作的质量和效益；4失效分析可以为人仲裁事故责任、侦破犯罪等提高可靠的技术依据。

齿轮材料的选择及其热处理工艺1、齿轮材料的选择原则齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。

例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。

采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。

当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质）；且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

机械零件选材及热处理手册=============1. 第一章：概述--------本手册旨在为机械零件的选材和热处理提供全面的指导和建议。

选材和热处理是机械零件制造过程中的两个关键环节，直接影响到零件的性能和质量。

本手册将帮助读者了解各种机械零件的选材和热处理要求，并提供实用的操作方法和技巧。

2. 第二章：机械零件的选材-------------本章将介绍不同类型机械零件的选材要求。

首先，将讲解各种材料的性质和特点，如碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金等。

然后，将详细阐述不同类型零件的选材要求，如齿轮、轴、轴承、活塞等。

此外，还将讨论选材的经济性和环保性。

3. 第三章：热处理的基本原理-------------热处理是机械零件制造过程中的一个重要环节。

本章将介绍热处理的基本原理和工艺，包括加热、保温和冷却三个阶段。

此外，还将讲解各种热处理方法及其对零件性能的影响，如退火、正火、淬火、回火等。

4. 第四章：热处理的实践操作-------------本章将详细介绍各种热处理设备的操作方法和技巧。

首先，将讲解热处理设备的种类和特点，如炉、罐、箱子等。

然后，将详细阐述各种设备的操作流程和注意事项，如炉子的加热方法、冷却速度的控制、淬火液的选择等。

此外，还将讨论热处理过程中的质量控制和安全问题。

5. 第五章：热处理的质量控制-------------本章将介绍热处理过程中的质量控制方法和技巧。

首先，将讲解各种检测手段在热处理过程中的作用和应用，如显微镜、硬度计、X射线等。

然后，将详细阐述各种质量控制方法的操作流程和注意事项，如炉温的监控、淬火液的浓度控制、金相组织的检验等。

此外，还将讨论热处理缺陷的产生原因和预防措施。

6. 第六章：案例分析与实践经验--------------本章将通过实际案例分析，介绍各种机械零件的热处理实践经验。

首先，将选取具有代表性的零件进行案例分析，如齿轮、轴、轴承、活塞等。

然后，将详细阐述这些零件的热处理要求、工艺流程、注意事项等。

机械零件选材及热处理手册导言：机械零件选材及热处理是机械设计中非常重要的环节之一。

合理的选材可以确保机械零件具有足够的强度和耐用性，而热处理可以进一步提高零件的物理性能和力学性能。

本手册旨在介绍机械零件选材的基本原则和热处理的常见方法，供机械设计人员参考和应用。

第一章机械零件选材1.1选材原则机械零件的选材应考虑以下几个原则：1）强度要求：根据零件的使用条件和承受的载荷，选择具有足够强度的材料。

强度要求包括抗拉强度、屈服强度和冲击韧性等。

2）耐磨性要求：根据零件在使用过程中的摩擦磨损情况，选择具有良好耐磨性的材料，如铸铜合金、高锰钢等。

3）耐腐蚀性要求：根据零件在特殊环境中的耐蚀性要求，选择具有良好耐腐蚀性的材料，如不锈钢、耐酸碱钢等。

4）加工性要求：根据零件的形状和复杂程度，选择易于加工和加工性能稳定的材料，如碳钢、合金钢等。

5）经济性要求：根据零件的制造成本和使用成本，选择成本合理的材料，既满足零件性能要求，又不浪费资源。

1.2常用材料机械零件常用的材料包括：碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、不锈钢等。

下面对这些材料进行简要介绍：1）碳钢：碳钢具有良好的可焊性、可锻性和加工性，适用于大多数机械零件的制造，但其耐蚀性较差。

2）合金钢：合金钢是通过添加合金元素（如铬、钼、镍等）来提高钢的性能，常用于承受较大载荷和高温环境的机械零件。

3）铸铁：铸铁具有良好的耐磨性和耐热性，适用于高温和摩擦磨损较大的零件，如发动机缸体和曲轴等。

4）铝合金：铝合金具有良好的强度和耐蚀性，适用于重量要求较轻和耐腐蚀性要求较高的零件。

5）不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和强度，适用于要求不生锈和耐腐蚀的零件，如食品加工设备和化工容器等。

第二章热处理方法2.1热处理的目的热处理是通过控制材料的加热和冷却过程，在不改变材料形状的情况下改变材料的组织结构和性能。

热处理的目的包括提高材料的硬度、强度和韧性，改善材料的耐磨性和耐蚀性。

2.2常见的热处理方法常见的热处理方法包括淬火、回火、正火、等温退火、冷处理等。

〖任务描述〗机械零件材料及毛坯的选择车床主轴是指机床上带开工件或刀具旋转的轴，它是打算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。

明确任务，在任务的驱动下学习。

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。

轴颈与滚动轴承协作硬度要求不高。

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；花键局部 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。

〖相关学问〗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、断裂和外表损伤三种。

1.过量变形把握零部件失效（1）过量弹性变形。

机械零件在使用过程中只要受力必定会发生弹性变形，但是弹性变的概念。

形量过大会使零件失效。

引起弹性变形失效的缘由主要是零部件的刚度缺乏。

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，轻则使机器工作状况变坏，重则使机器无法连续运行，甚至破坏。

（3）蠕变。

在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不行避开的，通常是以金属在肯定温度和应力下经过肯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。

飞机铆钉的选材及热处理工艺设计随着航空工业的不断发展，飞机的设计和制造水平也得到了极大的提升。

而在飞机制造中，铆钉作为连接飞机各个部件的重要组成部分，其选材及热处理工艺设计显得尤为重要。

本文将从选材和热处理工艺两个方面对飞机铆钉进行深入探讨，旨在为飞机制造及相关领域的专业人士提供一定的参考。

一、飞机铆钉的选材设计1. 导言飞机铆钉的选材设计不仅关乎飞机的安全性和可靠性，还涉及到飞机的轻量化和耐久性。

在选材时，需要考虑材料的强度、耐腐蚀性、成本等因素。

2. 选材原则（1）强度要求：飞机在飞行过程中受到极大的气动力和风荷载，因此飞机铆钉的选材需要具备足够的强度，以确保飞机的结构稳定。

（2）耐腐蚀性：飞机飞行环境恶劣，铆钉容易受到高温、湿润等条件的影响，因此选材时要考虑其耐腐蚀性。

（3）轻量化要求：飞机的轻量化设计是当前航空工业的发展趋势，因此在选材时需要考虑材料的密度、重量等因素，以确保飞机整体的轻量化。

3. 常用材料（1）铝合金：铝合金是目前飞机铆钉的主要选材材料，其具有较高的强度和良好的耐腐蚀性，是飞机制造中的理想选材之一。

（2）钛合金：钛合金具有比铝合金更高的强度和耐腐蚀性，但成本较高，因此在飞机铆钉的选材中应慎重考虑。

（3）不锈钢：不锈钢具有优异的耐腐蚀性，适用于一些特殊环境下的飞机制造，但其强度相对较低。

4. 选材策略根据飞机的具体设计要求和使用环境，可结合铝合金、钛合金和不锈钢等材料，进行合理的选材组合，以满足飞机铆钉在强度、耐腐蚀性和轻量化方面的要求。

二、飞机铆钉的热处理工艺设计1. 热处理原理热处理是通过加热、保温和冷却等工艺步骤，改变金属材料的结构和性能。

对于飞机铆钉来说，热处理工艺的设计直接关系到其强度和耐腐蚀性。

2. 热处理工艺（1）固溶处理：飞机铆钉在固溶处理过程中，通过加热至一定温度，使合金中的固溶元素溶解于基体中，以提高合金的塑性和加工性。

（2）时效处理：时效处理是在固溶处理后，将合金冷却至室温，然后通过加热保温一定时间，使合金内部产生析出强化相，以提高合金的强度和硬度。