工程材料中應用較多的是金屬材料，具有強度高、韌性好、疲勞抗力高等優良性能，用來制造各種重要的機器零件和工程結構件。

一、機床零件的選材分析

機床零件的品種繁多，按結構特點、功用和受載特點可分為：軸類零件、齒輪類零件、機床導軌等。

1．機床軸類零件的選材

機床主軸是機床中最主要的軸類零件。機床類型不同，主軸的工作條件也不一樣。根據主軸工作時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，軸頸部位磨損不嚴重，例如普通車床的主軸。這類軸一般用45鋼制造，經調質或正火處理，在要求耐磨的部位采用高頻表面淬火強化。

（2）中載主軸。中等載荷，磨損較嚴重，有一定的沖擊載荷，例如銑床主軸。一般用合金調質鋼制造，如40Cr鋼，經調質處理，要求耐磨部位進行表面淬火強化。

（3）重載主軸。工作載荷大，磨損及沖擊都較嚴重，例如工作載荷大的組合機床主軸。一般用20CrMnTi鋼制造，經滲碳、淬火處理。

（4）高精度主軸。有些機床主軸工作載荷并不大，但精度要求非常高，熱處理后變形應極小。工作過程中磨損應極輕微，例如精密鏜床的主軸。一般用38CrMoAlA專用氮化鋼制造，經調質處理后，進行氮化及尺寸穩定化處理。

過去，主軸幾乎全部都是用鋼制造的，現在輕載和中載主軸已經可用球墨鑄鐵制造。

2．機床齒輪類零件的選材

機床齒輪按工作條件殼分為三類：

（1）輕載齒輪。轉動速度一般都不高，大多用45鋼制造，經正火或調質處理。

（2）中載齒輪。一般用45鋼制造，正火或調質后，再進行高頻表面淬火強化，以提高齒輪的承載能力及耐磨性。對大尺寸齒輪，則需用40Cr等合金調質鋼制造。一般機床住傳動系統及進給系統中的齒輪，大部分屬于這一類。

（3）重載齒輪。對于某些工作載荷較大，特別是運轉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。經滲碳、淬火處理后使用。例如：變速箱中一些重要傳動齒輪等。

3．機床導軌的選材

機床導軌的精度對整個機床的精度有很大的影響。必須防止其變形和磨損，所以機床導軌通常都是選用灰口鑄鐵制造，如HT200和HT350等。灰口鑄鐵在潤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，可以對導軌表面進行淬火處理。

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二、拖拉機及汽車零件的選材分析

1．發動機和傳動系統零件的選材

這兩部分包括的零件相當多。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、排氣閥、活塞等。它們的用材都比較重要，目前一般都是根據使用經驗來選材。對于不同類型的汽車和不同的生產廠，發動機和傳動系統的選材是不相同的。應該根據零件的具體工作條件及實際的失效方式，通過大量的計算和試驗選出合適的材料。

2．減輕汽車自重的選材

隨著能源和原材料供應的日趨短缺，人們對汽車節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，減少材料消耗和燃油消耗，這在資源、能源的節約和經濟價值方面具有非常重要的意義。

減輕自重所選用的材料，比傳統的用材應該更輕且能保證事業性能。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汽車的沖壓件，可以使用比較薄的板材，減輕自重，但一點不降低構件的強度；在車身和某些不太重要的結構件中，采用塑料或纖維增強復合材料代替鋼材，也可以降低自重，減少能耗。

三、典型零件的選材實例

1．機床主軸

機床主軸是典型的受扭轉—彎曲復合作用的軸件，它受的應力不大（中等載荷），承受的沖擊載荷也不大，如果使用滑動軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多采用45鋼制造，并進行調質處理，軸頸處由表面淬火來強化。載荷較大時則用40Cr等低合金結構鋼來制造。

車床主軸的選材結果如下：

材料：45鋼。

熱處理：整體調質，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→調質→精加工→表面淬火及低溫回火→磨削。

該軸工作應力很低，沖擊載荷不大，45鋼處理后屈服極限可達400MPa以上，完全可滿足要求。現在有部分機床主軸已經可以用球墨鑄鐵制造。

2．拖拉機半軸

汽車半軸是典型的受扭矩的軸件，但工作應力較大，且受相當大的沖擊載荷，其結構如圖5所示。最大直徑達50mm左右，用45鋼制造時，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：整體調質。

性能要求：桿部HRC37～HRC44；盤部外圓HRC24～HRC34。

工藝路線：下料→鍛造→正火→機械加工→調質→盤部鉆孔→磨花鍵。

3．機床齒輪

機床齒輪工作條件較好，工作中受力不大，轉速中等，工作平穩無強烈沖擊，因此其齒面強度、心部強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化，齒面硬度可達HRC52左右，這對彎曲疲勞或表面疲勞是足夠了。齒輪調質后，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。對于一部分要求較高的齒輪，可用合金調質鋼（如40Cr等）制造。這時心部強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齒輪。

材料：45鋼。

熱處理：正火或調質，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→調質或正火→精加工→高頻淬火→低溫回火（拉花鍵孔）→精磨。

4．拖拉機齒輪

拖拉機齒輪的工作條件遠比機床齒輪惡劣，特別是主傳動系統中的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，因此對材料的要求更高。由于彎曲與接觸應力都很大，用高頻淬火強化表面不能保證要求，所以拖拉機的重要齒輪都用滲碳、淬火進行強化處理。因此這類齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造，特別是后者在我國拖拉機齒輪生產中應用最廣。為了進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：拖拉機后橋圓錐主動齒輪。

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，只能作為機械零件選材時進行類比的參照。其中不少是長期經驗積累的結果。經驗固然很重要，但若只憑經驗是不能得到最好的效果的。在具體選材時，還要參考有關的機械設計手冊、工程材料手冊，結合實際情況進行初選，重要零件在初選后，需進行強度計算校核，確定零件尺寸后，還需審查所選材料淬透性是否符合要求，并確定熱處理技術條件。目前比較好的方法是，根據零件的工作條件和失效方式，對零件可選用的材料進行定量分析，然后參考有關經驗作出選材的最后決定。

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