5.1 选材原则
5.2 典型零件的选材与工艺第 5章 材料的选用
5.1 选材原则选材的动机 —— 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。
零件工作条件常见失效形式 性能要求应力种类载荷性质受载状态螺栓 拉、剪 静载 -- 过量变形，断裂 强度，塑性传动轴 弯、扭 循环冲击 轴颈摩擦 疲劳断裂，过量变形,轴颈磨损 综合力学性能传动齿轮 压、弯 循环冲击 摩擦振动 断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳 表面高硬度及疲劳极限,心部强度及韧性弹簧 扭、弯 交变冲击 振动 弹性失稳,疲劳破坏 弹性极限，屈强比,疲劳极限零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。
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 σ b / MPa δ / % AKU / J
850淬火
5 800 16 120
30 750 15 80
500回火
50 700 15 56
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 × 生产批量材 料 美元 / t 材 料 美元 / t
铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000
金 19,100,000 硼 ― 环氧树脂复合材料 330,000
钨 26,000 碳纤维复材料 200,000
钛合金 10,190～ 12,720 玻璃纤维复合材料 2400～ 3300
黄铜（型材） 1650～ 2336 尼龙 66 3289
铝合金（型材） 2000～ 2440 环氧树脂 1650
低碳钢（型材） 440～ 480 天然橡胶 1430
铸铁 260 氧化铝 1100-1760
硬质合金 66,000 玻璃 1500
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。
重要金属的世界储量
２,环境污染小废气排放少材料回收及降解储量（ 106t） 可用年数 再生率 (%)
Fe 1× 106 109 31.7
Al 1170 35 16.9
Cu 308 24 40.9
Zn 123 18 21.2
Mo 5.4 36
Ag 0.2 14 41.0
Cr 775 112
Ti 147 51
5.2 典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求 —— 齿面硬度（决定 弯曲、接触疲劳强度,耐磨性 ）
强度，韧性。选材调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火渗 C钢 —— 硬度、韧性高。
实例 —— 载重汽车变速箱齿轮性能指标 —— σb>1000MPa,aKU2≥50J,齿面硬度 ≥HRC55 。
选材 —— 20CrMnTi,σb> 1080MPa,aKU2≥ 55J,齿面 HRC≥58~63 。
最终热处理工艺 —— 930℃ 渗 C + 预冷 830℃ 油淬 + 200℃ 回火最终组织 —— 心部：回火 M + F 齿面：回火 M + 碳化物 + A'
工艺路线 —— 锻造 → 正火 → 机加工 → 渗 C,淬火＋低温回火 → 喷丸 → 磨削二、机床主轴选材性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。
普通车床（轻载）主轴 —— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。
铣床（中载）主轴 —— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。
组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi,经渗 C,淬火、回火处理。
精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl,调质 + N化 + 时效。
实例１ —— C620 车床 主轴,综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。
性能指标 —— 硬度 220～ 250HB,轴颈 52HRC。
选材 —— 45钢热处理工艺 —— 830℃ 水淬 + 500℃ 回火 + 轴颈高频淬火 + 200℃ 回火最终组织 —— 心部：回火 S 轴颈表面：回火 M
工艺路线 —— 锻造 → 正火 → 粗加工 → 调质 → 精加工 → 表面淬火＋低温回火 → 磨削三、内燃机曲轴选材性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。
选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。
实例 —— 175A型农用 柴油机曲轴性能指标 —— σb>750MPa,整体硬度 240～ 260HBS，
轴颈表面硬度 ≥625HV (HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。
选材 —— QT700-2
热处理工艺 —— 880~920℃ 正火 + 500～ 600℃ 回火 + 轴颈 N化最终组织 —— P + G + 少量 F
工艺路线 —— 铸造 → 高温正火 → 高温回火 → 机加工 → 轴颈 N化小结重点要求在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。
一般要求
1,选材原则 —— 材料的使用性能、工艺性能和经济性。
2,典型零件的加工工艺路线。
3,零件失效的概念。
本章是本课程的综合及实际应用作业 5 材料的选用 week14,Nov 30
1,欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料,ZChPb16-16-2,Q195,45,65Mn,T10 ）。
2,某汽车变速箱齿轮，要求 σb≥1080MPa,aKU2≥55J,齿面硬度 ≥HRC58,试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。
3,某 连杆螺栓,要求 σb≥950MPa,σ s≥ 700MPa,aKU2≥45J,试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。
（第 2,3题的待选材料：
H70,20CrMnTi,T10,GCr15,60Si2Mn,
45,Q390,2Cr13,LC4,40Cr,Cr12MoV ）
渗 C钢 的牌号（摘自 GB/T3077-1999） （ 渗 C,930℃,回火,200 ℃ ） p172
主 要 化 学 成 分,% 预备处理
／
淬火,℃C Mn Cr,Ni
0.17~0.24
0.17~0.24
0.50~0.80
1.30~1.60
0.70~1.00 880／ 800
水,油
880水,油
0.17~0.23
0.17~0.23
0.90~1.20
0.80~1.10
0.90~1.20
1.00~1.30
850 油
880 ／ 870
油钢号
20Cr
20MnV
20CrMn
20CrMnTi
淬透性低中高
18Cr2Ni4WA
20Cr2Ni4A
0.13~0.19
0.17~0.23
W0.8~1.2
0.30~0.60
1.35~1.65
4.0~4.5
1.25~1.65
3.25~3.75
950 ／ 850
空
880／ 780
油机械性能?
b
MPa
s
MPa
835
785
540
590
930
1080
735
835
1180
1180
835
1080
aKU2
J
47
55
47
55
78
63
back
调质钢 的牌号（摘自 GB/T3077－ 1999） p174
淬透性钢号主 要 成 分,% 淬火
℃
回火
℃C Mn SiCr
低
45 0.42~0.50 0.50~0.80 0.17~0.37 830~840水 580~640空
40Cr 0.37~0.45 0.50~0.80 Cr 0.8~1.10 850油 500 水，油中高
35CrMo 0.32~0.40 0.40~0.70 Cr 0.8~1.10 850油 550 水，油
38CrMoAlA 0.35~0.42 Al 0.7~1.1 Cr 1.35~1.65 940水，油 640水，油
40CrMnMo 0.37~0.45 0.90~1.20 Cr 0.9~1.20 850油 600 水，油机械性能?
b
MPa
s
MPa
aKU2
J
600?355 39
40MnB 0.37~0.44 1.10~1.40 0.20~0.40 850油 500 水，油 980 785 47
980 785 47
980 835 63
980 835 71
980 785 63
back
调质钢 回火时性能的变化 p130
back
C620 车床主轴 p336
back
球墨铸铁 的牌号、性能 p211
牌号 基体机械性能?
b
MPa
0.2
MPa
5
%
ak
kJ/m2 HB
QT400-17 F 400 250 17 600?179
QT420-10 F 420 270 10 300?207
QT500-5 F+P 500 350 5 － 147-241
QT600-2 P 600 420 2?160 229-302
QT700-2 P 700 490 2?160 229-302
QT800-2 P 800 560 2?160 241-321
QT1200-1 下 B 1200 840 1 300?38HRC
热处理 p213
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175A型农用柴油机 曲轴 p339
back
作业 3c 3.4 有色金属及其合金 参考答案
1.说出下列材料常用的强化方法,H70； 45钢； HT350； LY12 ； ZL102 。
答,H70 —— 冷变形强化（加工硬化）
45钢 —— 固溶强化（淬火）
HT350 —— 变质（孕育）处理
LY12 —— 时效强化
ZL102 —— 变质处理
2.指出下列材料牌号或代号的含义：
H59； ZQSn10； QBe2； ZChSnSb11-6； LF21； LC4； ZL102 。
答,H59 —— 含 59%Cu的普通黄铜
ZQSn10 —— 含 10%Sn的铸造 Sn青铜
QBe2 —— 含 2%Be的 Be青铜
ZChSnSb11-6 —— 含 11%Sb,6%Cu的 Sn基轴承合金
LF21 —— 含 1.0～ 1.6%Mn的防锈 Al合金
LC4 —— 序号为 4的超硬 Al合金
ZL102 —— 含 10～ 13%Si的铸造 Al-Si合金
3.试述下列零件进行时效处理的作用：
a,形状复杂的大型铸件在 500～ 600℃ 进行时效处理；
b,铝合金件淬火后于 140℃ 进行时效处理；
c,GCr15钢制造的高精度丝杠于 150℃ 进行时效处理。
消除内应力提高强度稳定尺寸
of Chapter 5
5.2 典型零件的选材与工艺第 5章 材料的选用
5.1 选材原则选材的动机 —— 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。
零件工作条件常见失效形式 性能要求应力种类载荷性质受载状态螺栓 拉、剪 静载 -- 过量变形，断裂 强度，塑性传动轴 弯、扭 循环冲击 轴颈摩擦 疲劳断裂，过量变形,轴颈磨损 综合力学性能传动齿轮 压、弯 循环冲击 摩擦振动 断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳 表面高硬度及疲劳极限,心部强度及韧性弹簧 扭、弯 交变冲击 振动 弹性失稳,疲劳破坏 弹性极限，屈强比,疲劳极限零件失效的原因 —— 设计、材料、加工、安装和使用。
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 σ b / MPa δ / % AKU / J
850淬火
5 800 16 120
30 750 15 80
500回火
50 700 15 56
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 × 生产批量材 料 美元 / t 材 料 美元 / t
铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000
金 19,100,000 硼 ― 环氧树脂复合材料 330,000
钨 26,000 碳纤维复材料 200,000
钛合金 10,190～ 12,720 玻璃纤维复合材料 2400～ 3300
黄铜（型材） 1650～ 2336 尼龙 66 3289
铝合金（型材） 2000～ 2440 环氧树脂 1650
低碳钢（型材） 440～ 480 天然橡胶 1430
铸铁 260 氧化铝 1100-1760
硬质合金 66,000 玻璃 1500
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。
重要金属的世界储量
２,环境污染小废气排放少材料回收及降解储量（ 106t） 可用年数 再生率 (%)
Fe 1× 106 109 31.7
Al 1170 35 16.9
Cu 308 24 40.9
Zn 123 18 21.2
Mo 5.4 36
Ag 0.2 14 41.0
Cr 775 112
Ti 147 51
5.2 典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求 —— 齿面硬度（决定 弯曲、接触疲劳强度,耐磨性 ）
强度，韧性。选材调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火渗 C钢 —— 硬度、韧性高。
实例 —— 载重汽车变速箱齿轮性能指标 —— σb>1000MPa,aKU2≥50J,齿面硬度 ≥HRC55 。
选材 —— 20CrMnTi,σb> 1080MPa,aKU2≥ 55J,齿面 HRC≥58~63 。
最终热处理工艺 —— 930℃ 渗 C + 预冷 830℃ 油淬 + 200℃ 回火最终组织 —— 心部：回火 M + F 齿面：回火 M + 碳化物 + A'
工艺路线 —— 锻造 → 正火 → 机加工 → 渗 C,淬火＋低温回火 → 喷丸 → 磨削二、机床主轴选材性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。
普通车床（轻载）主轴 —— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。
铣床（中载）主轴 —— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。
组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi,经渗 C,淬火、回火处理。
精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl,调质 + N化 + 时效。
实例１ —— C620 车床 主轴,综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。
性能指标 —— 硬度 220～ 250HB,轴颈 52HRC。
选材 —— 45钢热处理工艺 —— 830℃ 水淬 + 500℃ 回火 + 轴颈高频淬火 + 200℃ 回火最终组织 —— 心部：回火 S 轴颈表面：回火 M
工艺路线 —— 锻造 → 正火 → 粗加工 → 调质 → 精加工 → 表面淬火＋低温回火 → 磨削三、内燃机曲轴选材性能要求 —— 强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。
选材 —— 调质钢（韧性高）、球墨铸铁。
实例 —— 175A型农用 柴油机曲轴性能指标 —— σb>750MPa,整体硬度 240～ 260HBS，
轴颈表面硬度 ≥625HV (HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。
选材 —— QT700-2
热处理工艺 —— 880~920℃ 正火 + 500～ 600℃ 回火 + 轴颈 N化最终组织 —— P + G + 少量 F
工艺路线 —— 铸造 → 高温正火 → 高温回火 → 机加工 → 轴颈 N化小结重点要求在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。
一般要求
1,选材原则 —— 材料的使用性能、工艺性能和经济性。
2,典型零件的加工工艺路线。
3,零件失效的概念。
本章是本课程的综合及实际应用作业 5 材料的选用 week14,Nov 30
1,欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料,ZChPb16-16-2,Q195,45,65Mn,T10 ）。
2,某汽车变速箱齿轮，要求 σb≥1080MPa,aKU2≥55J,齿面硬度 ≥HRC58,试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。
3,某 连杆螺栓,要求 σb≥950MPa,σ s≥ 700MPa,aKU2≥45J,试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。
（第 2,3题的待选材料：
H70,20CrMnTi,T10,GCr15,60Si2Mn,
45,Q390,2Cr13,LC4,40Cr,Cr12MoV ）
渗 C钢 的牌号（摘自 GB/T3077-1999） （ 渗 C,930℃,回火,200 ℃ ） p172
主 要 化 学 成 分,% 预备处理
／
淬火,℃C Mn Cr,Ni
0.17~0.24
0.17~0.24
0.50~0.80
1.30~1.60
0.70~1.00 880／ 800
水,油
880水,油
0.17~0.23
0.17~0.23
0.90~1.20
0.80~1.10
0.90~1.20
1.00~1.30
850 油
880 ／ 870
油钢号
20Cr
20MnV
20CrMn
20CrMnTi
淬透性低中高
18Cr2Ni4WA
20Cr2Ni4A
0.13~0.19
0.17~0.23
W0.8~1.2
0.30~0.60
1.35~1.65
4.0~4.5
1.25~1.65
3.25~3.75
950 ／ 850
空
880／ 780
油机械性能?
b
MPa
s
MPa
835
785
540
590
930
1080
735
835
1180
1180
835
1080
aKU2
J
47
55
47
55
78
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调质钢 的牌号（摘自 GB/T3077－ 1999） p174
淬透性钢号主 要 成 分,% 淬火
℃
回火
℃C Mn SiCr
低
45 0.42~0.50 0.50~0.80 0.17~0.37 830~840水 580~640空
40Cr 0.37~0.45 0.50~0.80 Cr 0.8~1.10 850油 500 水，油中高
35CrMo 0.32~0.40 0.40~0.70 Cr 0.8~1.10 850油 550 水，油
38CrMoAlA 0.35~0.42 Al 0.7~1.1 Cr 1.35~1.65 940水，油 640水，油
40CrMnMo 0.37~0.45 0.90~1.20 Cr 0.9~1.20 850油 600 水，油机械性能?
b
MPa
s
MPa
aKU2
J
600?355 39
40MnB 0.37~0.44 1.10~1.40 0.20~0.40 850油 500 水，油 980 785 47
980 785 47
980 835 63
980 835 71
980 785 63
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调质钢 回火时性能的变化 p130
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C620 车床主轴 p336
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球墨铸铁 的牌号、性能 p211
牌号 基体机械性能?
b
MPa
0.2
MPa
5
%
ak
kJ/m2 HB
QT400-17 F 400 250 17 600?179
QT420-10 F 420 270 10 300?207
QT500-5 F+P 500 350 5 － 147-241
QT600-2 P 600 420 2?160 229-302
QT700-2 P 700 490 2?160 229-302
QT800-2 P 800 560 2?160 241-321
QT1200-1 下 B 1200 840 1 300?38HRC
热处理 p213
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175A型农用柴油机 曲轴 p339
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作业 3c 3.4 有色金属及其合金 参考答案
1.说出下列材料常用的强化方法,H70； 45钢； HT350； LY12 ； ZL102 。
答,H70 —— 冷变形强化（加工硬化）
45钢 —— 固溶强化（淬火）
HT350 —— 变质（孕育）处理
LY12 —— 时效强化
ZL102 —— 变质处理
2.指出下列材料牌号或代号的含义：
H59； ZQSn10； QBe2； ZChSnSb11-6； LF21； LC4； ZL102 。
答,H59 —— 含 59%Cu的普通黄铜
ZQSn10 —— 含 10%Sn的铸造 Sn青铜
QBe2 —— 含 2%Be的 Be青铜
ZChSnSb11-6 —— 含 11%Sb,6%Cu的 Sn基轴承合金
LF21 —— 含 1.0～ 1.6%Mn的防锈 Al合金
LC4 —— 序号为 4的超硬 Al合金
ZL102 —— 含 10～ 13%Si的铸造 Al-Si合金
3.试述下列零件进行时效处理的作用：
a,形状复杂的大型铸件在 500～ 600℃ 进行时效处理；
b,铝合金件淬火后于 140℃ 进行时效处理；
c,GCr15钢制造的高精度丝杠于 150℃ 进行时效处理。
消除内应力提高强度稳定尺寸
of Chapter 5
