教学目标 教学重点 教学难点 教学手段 教学学时 知识目标：掌握选材时依据的使用性能、工艺性能、经济性的原则；掌握选材和热处理的步骤与方法。 选材的原则、依据工作条件分析其性能需求。 分析零件的工作条件，判断其使用性能，并根据需要选材。 实物演示；教学板书；录像插件；电子课件。 14 教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 注 释 学习情境十 项目综合拓展——典型零件的选材及热处理分析 〖学习导航〗 汽车、机床、热能设备（锅炉、汽轮机等）、仪器仪表、石油化工设备、航空航天器等用途各不相同，所使用的材料的性能及加工制造方法也有很大的差别，在选择材料和加工方法时，必须结合设备不同的使用环境。 本学习情境结合具体实例分析在不同工作环境中各种典型零件所使用的材料类型、加工（热处理）方法。通过分析进一步说明选材和选择加工方法的依据，同时加深对前述知识的理解和掌握，提高利用这些知识解决实际问题的能力。 〖相关知识〗 单元一 选材方法 本任务单元从材料的使用性能、工艺性能和经济性三方面来讨论选材的基本原则。 一、根据材料的使用性能选材 所谓使用性能是材料在零件工作过程中所应具备的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能等），它是选材最主要的依据。不同零件所要求的使用性能是不同的，因此在选材时，首先必须准确地判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标及具体数值并进行选材。 1.分析零件的工作条件，确定使用性能 工作条件分析包括以下方面。 （1）零件的受力情况。 （2）零件的工作环境。 （3）零件的特殊性能要求。 对于热处理方法的选择也是如此。达到同样的硬度，采用的热处理方法不同，其性能也不同。 综上所述，通过对零件工作条件进行分析，确定零件的使用性能，考虑零件材料选用的偏重方面。由于上述分析带有一定的预估性，总会对零件实际工作条件下某些因素估计不足，甚至因忽略某些因素产生一定的偏差，因而对于重要零部件还要结合其他方法来确定材料。 2.进行失效分析，确定零件的主要使用性能 零件失效方式是多种多样的，根据零件承受载荷的类型和外界条件及失效的特点，可将失效分为三大类，即过量变形、断裂、表面损伤。 失效分析的基本步骤如下。 （1）收集失效零件的残骸并拍照记录失效实况，找出失效发源部位或能反映失效性质或特点的地方，然后在该部位取样。 1 第 页

明确该学习情景的重点知识。 零件的工作条件分析。 （2）详细查询并记录、整理失效零件的有关资料，对失效零件从设计、加工、使用各方面进行全面分析。 （3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效方式。 （4）对所选试样进行成分、组织和性能的分析与测试，包括以下几个方面：①检验材料成分是否符合要求，分析失效零件上的腐蚀产物、磨屑的成分；②检验材料有无内部或表面裂纹和缺陷及材料的组织是否正常；③测定与失效方式有关的各项性能指标，与设计时所依据的性能指标数值作比较。 （5）某些重要、关键零部件，需要进行断裂力学计算，以便于确定失效的原因。 （6）综合各方面资料，判断和确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。 3.从零件使用性能要求提出对材料力学性能、物理性能、化学性能的要求 在零件工作条件和失效方式分析的基础上明确了零件的使用性能要求以后，并不能马上按此进行选材，还要把使用性能的要求通过分析、计算转化成某些可测量的实验室性能指标和具体数值，再按这些性能指标数据查找手册中各类材料的性能数据和大致应用范围进行选材。 除了根据力学性能选材之外，对于在高温和腐蚀介质中工作的零件还要求材料具有优良的化学稳定性；此外，有些零件要求具有特殊性能。 二、根据材料的工艺性能选材 所选材料应具有好的工艺性能，即工艺简单，加工成形容易，能源消耗少，材料利用率高，产品质量好。 而零件对所选材料的工艺性能的要求与其制造的加工工艺路线有关。 三、根据材料的经济性选材 选材的经济性不只是指选用的材料价格便宜，更重要的是要使生产零件的总成本降低。零件的总成本包括制造成本（材料价格、零件自重、零件的加工费、试验研究费）和附加成本（零件的寿命，即更换零件和停机损失费及维修费）。 在保证零件使用性能的前提下，尽量选用价格便宜的材料，可降低零件总成本。但有时选用性能好的材料，虽然其价格较贵，但由于零件自重减轻，使用寿命延长，维修费用减少，反而是经济的。此外，选材时还应考虑国家资源和生产、供应情况，所选材料应符合我国资源情况，资源丰富且材料种类尽量少而集中，便于采购和管理。 单元二 典型零件选材及工艺路线 本单元仅就金属材料制成的几种典型零件的选材及工艺路线进行分析。 一、齿轮 1.齿轮的工作条件、失效方式及性能要求 1）工作条件和失效方式 齿轮是应用很广的机械零件，主要起传递转矩、变速或改变传力方向的作用，其工作条件如下。 （1）传递转矩时，轮齿根部承受较大的交变弯曲应力。 （2）轮齿啮合时，齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损。 （3）换挡、起动、制动或啮合不均匀时，齿轮承受一定的冲击力。 齿轮的失效方式主要是轮齿折断和齿面损伤。 2）性能要求 （1）足够高的弯曲疲劳强度。 （2）足够高的齿心强度和韧性。 （3）足够高的齿面接触疲劳强度和硬度及耐磨性。 2 第 页

失效分析的步骤和方法。 零件使用的特殊性能。 材料工艺性对选材的影响。 经济性原则。 齿轮的工作条件、性能要求。 （4）较好的工艺性能。 2.齿轮的选材及热处理 1）机床齿轮 机床齿轮一般选用40钢或45钢制造。经正火或调质处理后再经高频感应加热表面淬火，完全可以满足其性能要求。 对于一部分性能要求较高的齿轮，可用中碳低合金钢制造，齿面硬度提高到58 HRC左右，心部强度和韧性也有所提高。 机床齿轮的加工工艺路线为下料—锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—高频感应加热表面淬火+低温回火—精磨—成品。 2）汽车、拖拉机齿轮 汽车、拖拉机齿轮选用合金渗碳钢较为适宜。这类钢经正火处理后再经渗碳、淬火+低温回火处理，表面硬度可达58～62 HRC，心部硬度为35～45 HRC。 汽车、拖拉机齿轮的加工工艺路线为下料—锻造—正火—机械加工—渗碳、淬火+低温回火—喷丸—磨削加工—成品。 二、轴 1.轴的工作条件、失效方式及性能要求 1）工作条件和失效方式 （1）承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷或拉、压载荷。 （2）局部（轴颈、花键等处）承受摩擦和磨损。 （3）特殊条件下受温度或介质的作用。 轴的失效方式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。 2）性能要求 （1）高的疲劳强度。 （2）良好的综合力学性能，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性。 （3）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性。 （4）在特殊条件下工作的轴的材料应具有特殊性能。 2.轴的选材及热处理 1）机床主轴 机床主轴大多选用45钢制造，经调质处理后轴颈及锥孔处再进行表面淬火。载荷较大时选用40Cr制造。 机床主轴的工艺路线为下料—锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—局部表面淬火+低温回火—精磨—成品。 2）内燃机曲轴 通常低速内燃机曲轴选用正火状态的45钢或球墨铸铁制造；中速内燃机曲轴选用调质状态45钢、球墨铸铁或调质状态的中碳低合金钢制造；高速内燃机曲轴选用高强度合金钢制造。 内燃机曲轴的工艺路线为下料—锻造—正火—粗加工—调质—半精加工—轴颈表面淬火+低温回火—精磨—成品。 3）汽轮机主轴 若汽轮机功率较小，主轴尺寸较小，可选用45钢；若汽轮机功率较大、主轴尺寸较大，必须选用35CrMo，以提高淬透性。对于工作温度在500 ℃以上的主轴，由于汽轮机功率大，要求较高的高温强度，应选用合金结构钢制造，一般高、中压主轴选用25Cr2MoVA，低压主轴选用12CrMoV。对于燃气轮机主轴，由于工作温度更高，要求材料具有更高的高温强度，一般选用GH2135。 汽轮机主轴的工艺路线为钢锭—锻造—第一次正火—去氢处理—第二次正火—高温回火—机械加工—成品。 3 第 页

机床齿轮、汽车、拖拉机齿轮选材及热处理。 轴的工作条件、性能要求。 不同类型轴的选材及热处理方式。