硬度及硬度实验

硬度及硬度实验 二、选材的方法与步骤 1(选材的方法 在按力学性能选材时，具体方法有以下三种方法: (1)以综合力学性能为主时的选材 当零件工作中承受冲击载荷或循环载荷时，其失效形式主要是过量变形与疲劳断裂，因此，要求材料具有较高的强度、疲劳强度、塑性与韧性，即要求有较好的综合力学性能。如截面上受均匀循环拉应力(或压应力)及多次冲击的零件(如汽缸螺栓、锻锤杆、液压泵柱塞、锻模、连杆等)，要求整个截面淬透，应综合分析材料的淬透性和尺寸效应，选择能满足使用性能要求的材料。◎一般可选用调质或正火状态的非合金钢;调质或渗碳合金钢;正火或等温淬火状态的球墨铸铁来制造。◎也可选用低碳钢淬火回火成低碳马氏体;低碳马氏体钢淬火低温回火后获得低碳马氏体(如常用的15MnVB钢和20SiMn2MoVA钢);高碳钢等温淬火成下贝氏体;选用无碳化物贝氏体,马氏体复相钢(如 30CrMnSi);选用复相组织(在淬火钢中与马氏体共存一定数量的铁素体)以及形变热处理等。 (2)以疲劳强度为主时的选材 疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式。实践证明，材料抗拉强度越高，疲劳强度也越高;在抗拉强度相同时，调质后的组织(回火索氏体)比退火、正火的组织具有更好的塑性、韧性，且对应力集中敏感性小，具有较高的疲劳强度，因此，对受力较大的零件应选用淬透性较高的材料，以便进行调质处理。另外，钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体+马氏体及贝氏体+马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力。铁素体+珠光体钢材的疲劳抗力随珠光体组织质量分数的增加而增加。铸铁，特别是球墨铸铁，具有足够的强度和极小的缺口敏感性，因此具有较好的抗疲劳性能。对于有缺口、面结构复杂的零件应避免选用缺口敏感性高的材料。 (3)以耐磨性为主时的选材 两零件摩擦时，磨损量与其接触应力、相对速度、润滑条件及摩擦副的材料有关。而材料的耐磨性是其抵抗磨损能力的指标，它主要与材料硬度、显微组织有关。根据零件工作条件的不同，其选择也分两种情况: 1)摩擦较大，受力较小的情况 其主要失效形式是磨损，故要求材料具有高的耐磨性，如各种量具、钻套、刀具、冷冲模等。在应力较低的情况下，材料硬度越高，耐磨性越好;硬度相同时，弥散分布的碳化物相越多，耐磨性越好。因此，在受力较小、摩擦较大时，应选高碳钢或高碳合金钢经淬火、低温回火，获得高硬度的回火马氏体和碳化物，以满足耐磨性的要求。 2)同时受磨损与交变应力、冲击应力的零件 其失效形式主要是磨损、过量的变形与疲劳断裂。齿轮、凸轮等零件，为了使心部获得一定的综合力学性能，且表面有高的耐磨性，应选适于表面热 处理的钢材(如低淬透性钢等)。其中◎对传递功率大、耐磨性及精度要求高，但冲击小，接触应力也小的齿轮，则可选用中碳钢或中碳合金钢进行正火或调质后再高频感应加热淬火或渗氮处理。而◎对传递功率较大，接触应力、摩擦磨损大，又在冲击载荷情况下工作的齿轮，如汽车、拖拉机变速齿轮，应选低碳钢经渗碳、淬火、低温回火，使表面获得高硬度的高碳马氏体和碳化物组织，耐磨性高;心部是低碳马氏体，强度高，塑性和韧性好，抗冲击。◎对于在高应力和大冲击载荷作用下的零件(像铁路道岔、坦克履带等)，不但要求材料具有高的耐磨性，还要求有很好的韧性，此时可采用高锰钢经水韧处理以满足要求。◎对于冲击载荷不太大的易磨损零部件，目前较广泛选用成本较低的非合金钢或中高碳合金钢，并进行表面强化处理以提高其耐磨性。◎选用表面硬化钢或复合钢材制作的零部件，在耐磨、耐冲击等性能方面都具有明显的优点，可提高使用寿命，但成本较高。◎耐磨铸铁的耐磨性好，成本低，包括冷硬铸铁、白口铸铁和中锰球墨铸铁，一般适用于不同工况条件下使用的耐磨零件。 ※耐磨堆焊是以提高耐磨性为主要目的的堆焊工艺，耐磨堆焊材料也就成为一类重要的金属耐磨材料。常用的耐磨堆焊材料有铁基合金、钴合金、镍合金等。正确选用堆焊材料，应该从耐磨性、对环境的适应能力和焊接性等几方面综合考虑。 2(选材的步骤(参阅P) 186 重点提示:针对具体情况，灵活运用选材原则。一般在经济性、工艺性相近或相同时，应选用使用性能最优的材料。但在加工工艺上无法实现而成为突出的制约因素时，所选材料的使用性能也可以不是最优的。此时需找到使用性能与制约因素之间恰当的平衡点。如某产品采用1Cr18Ni9Ti钢制造，按要求需钻, 1.6mm细小深孔，用高速钢钻头钻孔时，由于奥氏体不锈钢粘刀严重，使钻头折断，无法加工，后改用易切削不锈钢Y1Cr18Ni9钢制造，获得了较理想的效果。 第三节 典型零件的选材 工程材料种类繁多，特性各异，且应有范围也不同。?高分子材料的性能范围广，变化多，具有巨大的应用开发潜力。但一些性能较好的高分子材料，如聚碳酸脂等，因目前价格太贵尚难大量使用;价格较低的如聚乙烯等，则因强度、韧性、抗疲劳等能力较低，应用范围有限，只能制造轻载齿轮，密封圈等零件。?陶瓷材料太脆，目前还不能作为结构材料，但它是重要的工具材料和耐高温材料，并有着良好的绝缘性能。?复合材料有很好的比强度和比模量，但价格昂贵，如A1O23晶须增强复合材料的价格非常昂贵，所以还不能在一般工业中使用。?相比之下，金属材料具有优良的综合力学性能，而且可以通过加工硬化和热处理等手段，调整其各项性能，同时生产成本较低，所以金属材料特别是钢铁，目前仍然是机械工业中最主要的结构材料。 齿轮类、轴类和箱体类零件在工业上应用范围最广，下面举例对其选材进行分析。 一、齿轮类零件的选材 (一)齿轮的工作条件、主要失效形式及对材料性能的要求 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和运动，改变速度和方向。 1、齿轮工作时的受力情况 2、齿轮的主要失效形式※ 其主要失效形式是断齿、齿面接触疲劳、磨损等。 及表8-3) 3、齿轮对材料性能的要求(参阅教材P187 4、齿轮常用材料及选用 齿轮的选材主要依据其工作条件(如圆周速度、载荷性质与大小以及精度要求等)来确定。 (1)碳钢合金钢 根据齿轮的性能要求，齿轮常用材料可选用低、中碳钢或低、中碳合金钢，并对轮齿表面进行强化处理，使轮齿表面有较高强度和硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较便宜。例如汽车、机床中的重要齿轮。 (2)非铁金属及非金属材料 承受载荷较轻，速度较小的齿轮，还常选用非铁金属材料，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等;随着高分子材料性能的不断完善，工程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。 (3)铸铁材料 对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿 轮，常采用灰铸铁并适当热处理。近年来球墨铸铁应用范围越来越广。对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。 (二)齿轮选材的具体实例 1、机床齿轮选材 机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转 速也不很高，工作条件较好。一般选用调质钢制造，如40钢，45钢，40Cr，42SiMn等，经调质(或正火)、高频感应加热淬火、低温回火即可达到使用要求。但随着机床工业的发展，机床中也出现了高速且承受冲击载荷较大的重要齿轮(如立式车床上的一些齿轮)，这种情况下，宜选20CrMnTi钢、20,r钢等合金渗碳钢制造，经渗碳、淬火、低温回火处理使之达到使用要求。 例1 如图1所示，某卧式车床主轴箱中三联滑动齿轮。 工作中，通过拨动主轴箱外手柄使齿轮在轴上滑移，利用与不同齿数的齿轮啮合，可得到不同转速，工作时转速较高。其热处理技术条件是:轮齿表面硬度50,55HRC，齿心部硬度20,25HRC， ,2整体强度σ=780,800MPa，整体韧性a=40,60J?cm。 bK 从下列材料中选择合适的钢种，并制订其加工工艺路线，分析每步热处理的目的: 35，45，T 12，20Cr，40Cr，20CrMnTi，38CrMoAl，1Cr18Ni9Ti，W18Cr4V。 1)分析及选材(教法提示1:先让学生试分析选材，而后教师补充。) 该齿轮是普通车床主轴箱滑动齿轮，是主传动系统中传递动力并改变转速的齿轮。该齿轮受力不大，在变速滑移过程中，虽然同与其相啮合的齿轮有碰撞，但冲击力不大，转动过程平稳。根据题中要求，?轮齿表面硬度只要求50,55HRC，故不必要采用渗碳等化学热处理，整体的强度、韧性由调质就可以达到。因此，选用淬透性适当的调质钢经 调质、高频感应加热淬火和低温回火即可达到要求。?因 为该齿轮较厚，为提高其淬透性，可选用合金调质钢，油 淬即可使截面大部分淬透，同时也可尽量减少淬火变形 量，回火后基本上能满足性能要求。因此，从所给钢种中 选择40Cr钢比较合适。 2)确定加工工艺(教法提示2:先让学生试排工艺简 易路线，而后教师补充。) 加工工艺路线为:下料?齿坯锻造?正火(850, 870 ?空冷)?粗加工?调质(840,860?油淬，600, 650?回火)?精加工?高频感应加热淬火(860,880? 高频感应加热，乳化液冷却)?低温回火(180,200?回 火)?精磨。 3)热处理目的(由学生自己分析) 图1 卧式车床主轴箱中滑动齿轮简图 2、汽车、拖拉机齿轮 汽车、拖拉机齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱内中，齿轮用于传递转矩和改变转速;在差速器中，齿轮主要用来增加转矩、调节左右两车轮的转速，并将发动机的动力传给驱动轮，推动汽车、拖拉机行驶。因实际路况、工作条件很复杂，这些齿轮承载较重，频繁受冲击，所以要求其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧度等均比机床齿轮高很多。实践证明，选用低碳钢或合金渗碳钢制造，经渗碳(或碳氮共渗)、淬火及低温回火处理，能满足使用要求。因为渗碳后齿轮表层碳的质量分数大大提高，保证淬火后高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳抗力，而心部仍保持低碳马氏体的良好强韧性，耐冲击与抗振动。对于汽车、拖拉机中像油泵齿轮等承载轻、受冲击小的场合，仍可选调质钢经调质处理后使用或选用塑料齿轮。 例2 有一载货汽车变速箱齿轮，如图2所示。 使用中齿轮受一定冲击，负载较重，轮齿表面要求耐磨。其热处理技术条件是:轮齿表层碳的质量分数W,0.80%,1.05%，齿面硬度为58,C 63HRC，齿心部硬度为33,45HRC，要求心部 强度σ?1 000MPa，σ?440MPa，a ?b-1K ,295J?cm。试从“例1 ”提供的材料中选择制造 该齿轮的合适钢种，并制订其加工工艺路线。 1)分析及选材(教法提示3:先让学生试选， 而后教师补充。) 由题意可知，此载货汽车变速箱齿轮在工 作时承受载荷较重，轮齿承受周期变化的弯曲应图2 载货汽车变速齿轮简图 力的作用较大，齿面承受着强烈摩擦和交变接触 应力，为防止磨损，要求具有高硬度、高的疲劳强度和良好的耐磨性(58,63HRC)。在换挡刹车时齿轮还受到较大的冲击力，齿面承受较大的压力，还要求齿的心部具有一定的强度和硬度(33,45HRC)以及适当的韧性，以防止轮齿折断。根据以上分析，可知该汽车齿轮的工作条件很苛刻，因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面的要求均比机床齿轮要高。 从例题1所列钢种中，选调质钢45钢，40Cr 钢淬火，均不能满足使用要求(表面硬度只能达50,56HRC);38CrMoAl为氮化钢，氮化层较薄，适合应用于转速高，压力小，不受冲击的使用条件，故其不适合做此汽车齿轮;合金渗碳钢20Cr钢经渗碳淬火虽然表面能达到力学性能要求，材料来源也比较充足，成本也较低，但是它的淬透性低，容易过热，淬火的变形开裂倾向较大，综合仍不能满足使用要求;合金渗碳钢20CrMnTi，经渗碳热处理后，齿面可获得高硬度(58,63HRC)，高耐磨性，并且由于该钢含有Cr、Mn元素，具有较高的淬透性，油淬后可保证轮齿心部获得强韧结合的组织，具有较高的冲击韧度，同时含有Ti，不容易过热，渗碳后仍保持细晶粒，可直接淬火，变形较小，另外，20CrMnTi钢的渗碳速度较快，表面碳的质量分数适中，过渡层平缓，渗碳热处理后，具有较高的疲劳强度，故可满足使用要求。因此该载货汽车变速箱齿轮选用20CrMnTi钢制造比较适宜。 2)确定加工工艺(教法提示4:先让学生试排工艺简易路线，而后教师补充。) 加工工艺路线为:下料?齿坯锻造?正火(950,970?空冷)?机加工?渗碳(920,950?渗碳6,8h)?预冷淬火(预冷至870,880?油冷)?低温回火?喷丸?校正花键孔?磨齿。 课堂练习 P 二、4、;.P3(4)、4 189190