工程材料中應(yīng)用較多的是金屬材料，具有強(qiáng)度高、韌性好、疲勞抗力高等優(yōu)良性能，用來制造各種重要的機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)件。
一、機(jī)床零件的選材分析
機(jī)床零件的品種繁多，按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功用和受載特點(diǎn)可分為：軸類零件、齒輪類零件、機(jī)床導(dǎo)軌等。
1．機(jī)床軸類零件的選材
機(jī)床主軸是機(jī)床中最主要的軸類零件。機(jī)床類型不同，主軸的工作條件也不一樣。根據(jù)主軸工作時(shí)所受載荷的大小和類型，大體上可以分為四類：
（1）輕載主軸。工作載荷小，沖擊載荷不大，軸頸部位磨損不嚴(yán)重，例如普通車床的主軸。這類軸一般用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理，在要求耐磨的部位采用高頻表面淬火強(qiáng)化。
（2）中載主軸。中等載荷，磨損較嚴(yán)重，有一定的沖擊載荷，例如銑床主軸。一般用合金調(diào)質(zhì)鋼制造，如40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，要求耐磨部位進(jìn)行表面淬火強(qiáng)化。
（3）重載主軸。工作載荷大，磨損及沖擊都較嚴(yán)重，例如工作載荷大的組合機(jī)床主軸。一般用20CrMnTi鋼制造，經(jīng)滲碳、淬火處理。
（4）高精度主軸。有些機(jī)床主軸工作載荷并不大，但精度要求非常高，熱處理后變形應(yīng)極小。工作過程中磨損應(yīng)極輕微，例如精密鏜床的主軸。一般用38CrMoAlA專用氮化鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，進(jìn)行氮化及尺寸穩(wěn)定化處理。
過去，主軸幾乎全部都是用鋼制造的，現(xiàn)在輕載和中載主軸已經(jīng)可用球墨鑄鐵制造。
2．機(jī)床齒輪類零件的選材
機(jī)床齒輪按工作條件殼分為三類：
（1）輕載齒輪。轉(zhuǎn)動(dòng)速度一般都不高，大多用45鋼制造，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理。
（2）中載齒輪。一般用45鋼制造，正火或調(diào)質(zhì)后，再進(jìn)行高頻表面淬火強(qiáng)化，以提高齒輪的承載能力及耐磨性。對(duì)大尺寸齒輪，則需用40Cr等合金調(diào)質(zhì)鋼制造。一般機(jī)床住傳動(dòng)系統(tǒng)及進(jìn)給系統(tǒng)中的齒輪，大部分屬于這一類。
（3）重載齒輪。對(duì)于某些工作載荷較大，特別是運(yùn)轉(zhuǎn)速度高又承受較大沖擊載荷的齒輪大多用20Cr、20CrMnTi等滲碳鋼制造。經(jīng)滲碳、淬火處理后使用。例如：變速箱中一些重要傳動(dòng)齒輪等。
3．機(jī)床導(dǎo)軌的選材
機(jī)床導(dǎo)軌的精度對(duì)整個(gè)機(jī)床的精度有很大的影響。必須防止其變形和磨損，所以機(jī)床導(dǎo)軌通常都是選用灰口鑄鐵制造，如HT200和HT350等。灰口鑄鐵在潤(rùn)滑條件下耐磨性較好，但抗磨粒磨損能力較差。為了提高耐磨性，可以對(duì)導(dǎo)軌表面進(jìn)行淬火處理。
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二、拖拉機(jī)及汽車零件的選材分析
1．發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)零件的選材
這兩部分包括的零件相當(dāng)多。其中，有大量的齒輪和各種軸，還有在高溫下工作的零件，如進(jìn)、排氣閥、活塞等。它們的用材都比較重要，目前一般都是根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)來選材。對(duì)于不同類型的汽車和不同的生產(chǎn)廠，發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的選材是不相同的。應(yīng)該根據(jù)零件的具體工作條件及實(shí)際的失效方式，通過大量的計(jì)算和試驗(yàn)選出合適的材料。
2．減輕汽車自重的選材
隨著能源和原材料供應(yīng)的日趨短缺，人們對(duì)汽車節(jié)能降耗的要求越來越高。而減輕自重可提高汽車的重量利用系數(shù)，減少材料消耗和燃油消耗，這在資源、能源的節(jié)約和經(jīng)濟(jì)價(jià)值方面具有非常重要的意義。
減輕自重所選用的材料，比傳統(tǒng)的用材應(yīng)該更輕且能保證事業(yè)性能。比如，用鋁合金或鎂合金代替鑄鐵，重量可減輕至原來的1/3～1/4，但并不影響其使用性能；采用新型的雙相鋼板材代替普通的低碳鋼板材生產(chǎn)汽車的沖壓件，可以使用比較薄的板材，減輕自重，但一點(diǎn)不降低構(gòu)件的強(qiáng)度；在車身和某些不太重要的結(jié)構(gòu)件中，采用塑料或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替鋼材，也可以降低自重，減少能耗。
三、典型零件的選材實(shí)例
1．機(jī)床主軸
機(jī)床主軸是典型的受扭轉(zhuǎn)—彎曲復(fù)合作用的軸件，它受的應(yīng)力不大（中等載荷），承受的沖擊載荷也不大，如果使用滑動(dòng)軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多采用45鋼制造，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，軸頸處由表面淬火來強(qiáng)化。載荷較大時(shí)則用40Cr等低合金結(jié)構(gòu)鋼來制造。
車床主軸的選材結(jié)果如下：
材料：45鋼。
熱處理：整體調(diào)質(zhì)，軸頸及錐孔表面淬火。
性能要求：整體硬度NB220～HB240；軸頸及錐孔處硬度HRC52。
工藝路線：鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削。
該軸工作應(yīng)力很低，沖擊載荷不大，45鋼處理后屈服極限可達(dá)400MPa以上，完全可滿足要求。現(xiàn)在有部分機(jī)床主軸已經(jīng)可以用球墨鑄鐵制造。
2．拖拉機(jī)半軸
汽車半軸是典型的受扭矩的軸件，但工作應(yīng)力較大，且受相當(dāng)大的沖擊載荷，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。最大直徑達(dá)50mm左右，用45鋼制造時(shí)，即使水淬也只能使表面淬透深度為10%半徑。為了提高淬透性，并在油中淬火防止變形和開裂，中、小型汽車的半軸一般用40Cr制造，重型車用40CrMnMo等淬透性很高的鋼制造。
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例：鐵牛45半軸
材料：40Cr。
熱處理：整體調(diào)質(zhì)。
性能要求：桿部HRC37～HRC44；盤部外圓HRC24～HRC34。
工藝路線：下料→鍛造→正火→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→盤部鉆孔→磨花鍵。
3．機(jī)床齒輪
機(jī)床齒輪工作條件較好，工作中受力不大，轉(zhuǎn)速中等，工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊，因此其齒面強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和韌性的要求均不太高，一般用45鋼制造，采用高頻淬火表面強(qiáng)化，齒面硬度可達(dá)HRC52左右，這對(duì)彎曲疲勞或表面疲勞是足夠了。齒輪調(diào)質(zhì)后，心部可保證有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的沖擊韌性，能滿足工作要求。對(duì)于一部分要求較高的齒輪，可用合金調(diào)質(zhì)鋼（如40Cr等）制造。這時(shí)心部強(qiáng)度及韌性都有所提高，彎曲疲勞及表面疲勞抗力也都增大。
例：普通車床床頭箱傳動(dòng)齒輪。
材料：45鋼。
熱處理：正火或調(diào)質(zhì)，齒部高頻淬火和低溫回火。
性能要求：齒輪心部硬度為HB220～HB250；齒面硬度HRC52。
工藝路線：下料→鍛造→正火或退火→粗加工→調(diào)質(zhì)或正火→精加工→高頻淬火→低溫回火（拉花鍵孔）→精磨。
4．拖拉機(jī)齒輪
拖拉機(jī)齒輪的工作條件遠(yuǎn)比機(jī)床齒輪惡劣，特別是主傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，因此對(duì)材料的要求更高。由于彎曲與接觸應(yīng)力都很大，用高頻淬火強(qiáng)化表面不能保證要求，所以拖拉機(jī)的重要齒輪都用滲碳、淬火進(jìn)行強(qiáng)化處理。因此這類齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造，特別是后者在我國(guó)拖拉機(jī)齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。為了進(jìn)一步提高齒輪的耐用性，除了滲碳、淬火外，還可以采用噴丸處理等表面強(qiáng)化處理工藝。噴丸處理后，齒面硬度可提高HRC1～3單位，耐用性可提高7～11倍。
例：拖拉機(jī)后橋圓錐主動(dòng)齒輪。
材料：20CrMnTi鋼。
熱處理：滲碳、淬火、低溫回火，滲碳層深1.2mm～1.6mm。
性能要求：齒面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。
工藝路線：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火、低溫回火→磨加工。
以上各類零件的選材，只能作為機(jī)械零件選材時(shí)進(jìn)行類比的參照。其中不少是長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)固然很重要，但若只憑經(jīng)驗(yàn)是不能得到最好的效果的。在具體選材時(shí)，還要參考有關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、工程材料手冊(cè)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行初選，重要零件在初選后，需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核，確定零件尺寸后，還需審查所選材料淬透性是否符合要求，并確定熱處理技術(shù)條件。目前比較好的方法是，根據(jù)零件的工作條件和失效方式，對(duì)零件可選用的材料進(jìn)行定量分析，然后參考有關(guān)經(jīng)驗(yàn)作出選材的最后決定。
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