第九章轮机主要零件的材料Word文档下载推荐.docx

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2．常用力学性能指标在选材中的应用

常用的力学性能指标是强度、硬度、塑性、韧性等。

选材时经常要问的一个问题是：

强度能否满足抵抗服役载荷的应力。

其主要判据就是强度，屈服强度对于成形工序估计所需外力或考虑单个过载的影响时，都是重要的指标。

硬度对估计材料的磨损抗力和钢的大致强度都很有用，它最广泛的应用是作为热处理的质量保证。

塑性也是材料选择中的重要因素，如某种金属拉伸时具有一定的最小伸长值，则它在服役中将不会发生脆性断裂失效。

较高的塑性可对零件起到过载保护作用，使零件成形更为容易。

冲击韧性的实质是表征在冲击载荷和复杂应力状态下材料的塑性，它对材料组织缺陷和温度更为敏感，是判断材料脆断的一个重要指标。

以性能指标作为判据选择材料时，应充分考虑试验条件与实际工作条件的差别；

热处理工艺改变组织后对性能指标的影响；

形状尺寸效应等带来实际情况与实验数据之间的偏差。

所以应对手册数据进行适当修正，用零件做模拟试验后，提供更可靠的选材保证。

1.受力零件，宜选用________材料。

A．铸铁

B．工具钢

C．结构钢

D．低碳钢

2.船用柴油机连杆螺栓一般选用________的材料，齿轮零件可选用________的材料。

A．高强度/高硬度

B．高硬度/高强度

C．淬透性高/淬透性低

D．淬透性低/淬透性高

3.在工程设计中，对易发生脆性断裂的重要零构件，应按________进行设计。

A．屈服强度

B．抗拉强度

C．断裂韧性

D．冲击韧性

考点3：

工艺性能

材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率高低、生产成本大小等起着重要作用，同使用性能相比，工艺性能处于次要地位，但在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。

高分子材料、陶瓷材料的工艺路线较简单，而金属材料的工艺路线较复杂，但适应性能很好，常用的加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工等。

金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂，而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。

（1）性能要求不高的一般金属材料选材的工艺路线

毛坯→正火或退火→切削加工→零件

（2）性能要求较高的金属零件选材的工艺路线

毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→精加工→零件

（3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线

毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件

这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。

从工艺性能出发，若是铸件，成分接近共晶点的合金铸造性能最好，常用的铸造合金中铸造铝合金和铜合金最好，铸铁次之，铸钢最差。

锻件或冲压件，最好是纯金属或单相固溶体合金，铝和铜压力加工性良好；

低碳钢比高碳钢好；

而碳钢比合金钢好。

对于焊接结构，碳和合金元素含量越高，焊接性能越差，低碳钢焊接性能良好；

中、高碳钢和合金钢较差。

切削加工性主要取决于加工表面质量，切屑排除难易程度和刀具磨损大小，钢铁材料硬度控制在170～230HBS之间便于切削。

通过热处理可改善钢铁材料的切削加工性能。

机械零件最终使用性能很大程度上取决于热处理工艺，通常碳钢加热时易过热，造成晶粒粗大，淬火时易变形开裂，因此制造高强度、大截面形状复杂的零件，应选用合金钢。

1.形状比较复杂尤其是有复杂内腔的零件，宜选用________材料。

D．特殊性能钢

2.焊接结构，宜选用________材料。

3.模具宜选用________材料。

第二节轮机工程主要零件材料的选用及其热处理方法

曲轴

1．曲轴的工作条件和对材料的性能要求

曲轴是柴油机的重要工作零件之一，结构复杂，重量大、造价高。

曲轴的作用是汇集和输出柴油机各缸所做的功。

（1）曲轴的工作条件

曲轴在工作中受交变载荷、弯曲和扭矩的作用，由于曲轴的结构很复杂，所以在横截面变化处，如轴颈与曲柄连接处有较大的应力集中。

（2）对曲轴的性能要求

①具有良好的综合机械性能，即较高的强度、硬度与良好的塑性、韧性；

②具有足够的疲劳强度；

③具有优良的耐磨性。

2．曲轴的材料及热处理

（1）曲轴的材料

船用大型低速柴油机大多采用半组合式曲轴，主轴颈常采用中碳优质碳素结构钢30、40、45号钢，曲柄常选用铸钢，如ZG270-450、ZG310-570和ZG25MnV等；

船用中高速柴油机采用整体式曲轴，采用中碳优质碳素结构钢或合金调质钢，或选用球墨铸铁QT600-03、QT700-02等。

曲轴毛坯的制造方法依曲轴的尺寸、材料和生产批量而定。

生产批量较大的小型曲轴采用模锻；

大、中型整体式曲轴采用自由锻；

大型半组合式曲轴生产数量较少，曲柄和主轴颈可选用铸钢或锻钢毛坯，机械加工后采用红套工艺或液压套合工艺连接成整体曲轴。

球墨铸铁曲轴则以铸造成型。

（2）曲轴的热处理

曲轴的性能要求是通过热处理来满足的，为了使曲轴具有综合机械性能，曲轴材料的组织必须为S′或为S。

常见的热处理有以下几种形式：

①碳钢曲轴锻件应进行正火处理，粗加工后退火处理；

②合金钢曲轴锻件先进行退火处理，粗加工后进行调质处理，对轴颈表面要求硬度高的，可采用表面淬火或氮化处理；

③铸钢曲柄需进行两次正火处理和低温退火处理，或高温扩散退火＋正火处理＋回火处理。

④球墨铸铁曲轴进行正火处理，粗加工后退火处理，硬度为HB220～229。

轴颈表面要求硬度高时，进行高频淬火。

一般来说，碳钢曲轴由于淬透性差采用最终正火来代替调质，还可以消除组织缺陷和改善切削加工性能，合金钢的主要采用调质来获得回火索氏体满足综合机械性能的要求。

（3）曲轴轴颈的表面强化处理

曲轴轴颈的表面强化处理可使曲轴的耐磨性和疲劳强度大大提高。

主要采用的方法有：

①氮化处理，常用气体氮化、气体软氮化、离子氮化等；

②喷丸、滚压强化，可提高曲轴疲劳强度。

1.曲轴、中间轴和汽轮机转子轴常选用________。

A．20Cr

B．40CrNi

C．2Cr13

D．GCr15

2.船舶柴油机曲轴常选用________材料，然后进行调质处理或正火处理。

A．中碳钢

B．可锻铸铁

C．高碳钢

D．普通灰口铸铁

3.关于曲轴的选材，下列叙述不正确的是________。

A．对于碳钢曲轴锻件，为使其综合机械性能好，应进行正火

B．对于合金钢曲轴锻件，应进行调质处理

C．对于球墨铸铁曲轴，应进行正火

D．对于铸钢曲柄，应进行调质处理

4.船舶柴油机曲轴常选用________。

A．低碳钢

B．中碳钢

D．普通低合金钢

5.柴油机曲轴可选用________。

B．高碳钢

C．合金调质钢

D．滚珠轴承钢

6.柴油机曲轴一般采用先淬火再________。

A．低温回火

B．中温回火

C．高温回火

D．回火

7.为了提高柴油机曲轴、连杆综合机械性能，一般先进行淬火，然后立即进行________。

A．高温回火

C．低温回火

D．等温回火

8.对于碳钢曲轴锻件为使其综合机械性能好，应进行________。

A．退火

B．正火

C．调质处理

D．淬火+低温回火

9.对于合金钢曲轴锻件为使其综合机械性能好，应进行________。

A．完全退火

B．低温退火

C．正火

D．调质处理

10.对于球墨铸铁曲轴为使其综合机械性能好，应进行________。

11.船用大型低速柴油机曲轴大多采用半组合式，其主轴颈常选用________。

A．优质碳素工具钢

B．优质碳素结构钢

C．灰口铸铁

D．合金铸铁

12.45号钢曲轴锻造毛坯进行正火处理是为了________。

A．代替退火处理

B．代替调质处理

C．降低硬度便于加工

D．改善组织

13.低速柴油机曲轴如采用碳钢锻件制造，须进行正火处理，粗加工后退火处理，其目的是________。

A．代替调质处理，消除加工应力

B．消除网状渗碳体，降低硬度

C．消除过热缺陷，消除加工硬化

D．提高硬度，防止变形和开裂

14.可用于生产曲轴的材料是________。

Ⅰ．45或40Cr；

Ⅱ．QT700-02；

Ⅲ．ZG270-500。

15.船用柴油机曲轴常用的材料有________。

Ⅰ．灰口铸铁；

Ⅱ．球墨铸铁；

Ⅲ．可锻铸铁；

Ⅳ．中碳钢；

Ⅴ．合金渗碳钢；

Ⅵ．合金调质钢。

A．Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ

B．Ⅰ+Ⅴ

C．Ⅱ+Ⅳ+Ⅵ

D．Ⅰ+Ⅵ

连杆

1．连杆的工作条件

连杆是柴油机的重要工作零件。

连杆的作用是把活塞与曲轴连接起来，把作用于活塞上的气体力和惯性力传递给曲轴，从而将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动。

连杆分为无十字头式和十字头式两种。

无十字头式连杆用于四冲程中、高速筒形活塞式柴油机中；

十字头式连杆用于二冲程低速柴油机中。

连杆的运动和受力复杂，承受周期变化的气体力和惯性力的作用。

并且气体力具有冲击性，使连杆内都产生很大的交变拉、压应力和弯曲应力。

连杆大、小端分别与曲柄销、活塞销（或十字头销）相对运动，受到摩擦与磨损。

2．连杆的材料和热处理

（1）连杆材料

船用大型低、中速柴油机连杆一般选用35、40、45号碳钢和45Cr、35CrMo等合金钢；

高速大功率柴油机多选用40Cr、35CrMo、42CrMo、18Cr2Ni4WA等合金钢。

连杆毛坏锻造成型，小型高速柴油机连杆多采用模锻，大中型柴油机连杆采用自由锻。

（2）热处理

船用大型低速柴油机连杆由于转速低、交变应力频率低，对材料的疲劳强度要求不高，主要保证刚度，所以常选用中碳钢正火处理，粗加工后退火处理。

中、高速柴油机连杆由于对疲劳强度要求较高，选用中碳钢时进行调质或正火处理；

选用合金钢时进行调质处理。

高速柴油机连杆为了进一步提高材料的疲劳强度对连杆表面进行抛光、喷丸或其他表面强化处理。

1.为了提高柴油机连杆综合机械性能，一般先进行淬火，然后立即进行________。

2.连杆锻造成型后应采用________。

B．不完全退火

C．再结晶退火

D．低温退火

3.连杆螺栓一般需要________。

A．淬火+低温回火

B．淬火+中温回火

C．淬火+高温回火

D．正火

4.连杆螺栓应选用的关键热处理工艺为________。

A．正火

B．淬火＋低温回火

C．退火

5.船用低速柴油机连杆选用中碳钢，其常用的热处理是________。

A．正火处理和粗加工后退火处理

B．调质或正火处理

C．粗加工后退火处理，再进行表面热处理强化

D．渗碳后淬火，再低温回火

汽缸套

1．气缸套的工作条件及对材料的要求

气缸套是柴油机燃烧室的组成零件之一，依柴油机类型、结构的不同分为四冲程柴油机气缸套和二冲程柴油机气缸套。

（1）气缸套的工作条件

气缸套内圆表面受到高温、高压燃气的作用，同时内圆表面还承受活塞组件的强烈摩擦和燃气的腐蚀。

气缸套外表面直接或间接受到冷却水的冷却和腐蚀、穴蚀，还有由于内、外温差引起的热应力，所以气缸套的工作条件十分恶劣。

（2）对气缸套材料的要求

①具有较高的强度、刚度；

②具有良好的耐磨性、耐蚀性和导热性。

2．气缸套材料及表面热处理

（1）气缸套材料

除少数高速大功率轻型柴油机采用钢质（38CrMoAl）气缸套外，一般均采用铸铁，因为铸铁具有优良的耐磨性、铸造性和切削加工性，且价格低廉。

大型低速柴油机和一般中、高速柴油机气缸材料常选用灰口铸铁HT250、HT300和高磷铸铁、钒钛铸铁。

中、高速强载柴油机气缸套材料常选用含硼合金铸铁，或选用球铁，如QT600-03。

中、小型柴油机气缸套成批生产，多采用离心铸造；

大、中型柴油机气缸套为单件、小批量生产，一般为砂型铸造。

（2）气缸套表面处理

为了提高气缸内圆表面的耐磨性和耐蚀性进行气缸套内圆表面强化处理。

主要方法有：

①表面热处理强化，如表面淬火（高频淬火、激光淬火、电接触淬火等）和表面化学热处理方法（氮化、离子轰击扩渗处理等）。

②松孔镀铬，镀层具有硬度高、摩擦系数小和耐磨性、耐蚀性好的特点。

1.用灰口铸铁生产气缸体，主要是利用其________。

A．耐磨性

B．减摩性

C．切削加工性

D．流动性

2.柴油机气缸套的材料通常是________。

A．ZG2700-500

B．QT600-02

C．KTH350-10

D．HT300

3.柴油机气缸套的材料通常选用________

A．灰口铸铁

B．孕育铸铁

C．可锻铸铁

D．球墨铸铁

4.柴油机气缸套的材料通常是________。

A．高碳钢

B．调质钢

C．白口铸铁

D．灰口铸铁

5.船用柴油机气缸套常选用的合金铸铁是________。

A．高磷铸铁

B．球墨铸铁

C．磷钛铸铁

D．钒、铌铸铁

6.铸钢ZG270-500的铸造气缸盖毛坯应进行________。

A．低温退火

B．高温退火

C．完全退火

D．球化退火

7.曲轴、气缸套常采用________。

A．整体淬火

B．局部淬火

C．表面淬火

D．等温淬火

8.柴油机上的气缸套、曲轴等零件表面常采用________。

A．渗硼

B．渗碳

C．氮化

D．碳氮共渗

9.船舶柴油机的零件中，需进行表面热处理和表面化学热处理的是________。

Ⅰ．18Cr2Ni4WA针阀；

Ⅱ．连杆；

Ⅲ．灰口铸铁气缸套；

Ⅳ．活塞销；

Ⅴ．中碳钢凸轮；

Ⅵ．气阀。

A．Ⅰ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ

B．Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ+Ⅵ

C．Ⅰ+Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ

D．Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ+Ⅵ

10.船用柴油机气缸套常用材料有________。

Ⅱ．孕育铸铁；

Ⅳ．球墨铸铁；

Ⅴ．蠕墨铸铁；

Ⅵ．合金铸铁。

A．Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ

B．Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ

D．Ⅰ+Ⅱ+Ⅳ+Ⅵ

考点4：

活塞

活塞是柴油机的主要运动部件之一，也是燃烧室的组成零件。

活塞的结构形式有筒形活塞和十字头式活塞。

而十字头式活塞又分为整体式和组合式。

1．活塞的工作条件及对材料的要求

（1）活塞的工作条件

①活塞直接受到高温高压燃气和往复惯性力的作用，所以活塞承受很高的热应力与机械应力；

②活塞在往复运动中承受着摩擦与撞击；

在润滑不良的情况下更为严重。

（2）对活塞材料的要求

①具有足够的强度和硬度，较高的疲劳强度和高温工作性能；

②优良的导热性，散热快以降低活塞的热负荷，较小的膨胀系数，受热变形小以保持与缸套的正常配合间隙；

③具有良好的耐磨性与耐蚀性；

④具有较小的密度以减小往复惯性力，对高速柴油机尤为重要。

2．活塞材料及热处理

（1）活塞材料

船用中、低速柴油机的活塞材料常选用铸铁，如灰口铸铁HT250、HT300。

大型低速十字头柴油机采用组合式活塞，活塞头常采用ZG230-450、ZG25Mo、ZG35CrMo；

裙部采用HT250、HT300。

球墨铸铁活塞在缸径为100～400mm的中速柴油机上获得应用，如采用QT500-7。

目前国内外中、高速柴油机广泛采用铝合金活塞，如ZL108、ZL110。

随着柴油机强载程度的提高，强度高且耐高温的锻铝合金获得应用。

如高速强载柴油机活塞常采用LD8、LD10和LD11等锻铝材料。

整体式铸铁活塞毛坯采用砂模铸造，批量大的小型铸铁活塞毛坯采用金属模铸造。

整体式铸铝活塞采用金属模离心铸造。

锻铝活塞毛坯采用模锻。

（2）活塞的热处理

①铸铁活塞一般在粗加工后进行退火处理；

②碳素铸钢和合金铸钢的活塞头采用正火和粗加工后退火处理，合金铸钢可采用调质处理；

③铝合金活塞采用淬火加时效处理。

1.船用中、高速柴油机铝合金活塞材料的牌号为________。

A．ZL101

B．ZL105

C．ZL108

D．ZL111

2.船用中、高速柴油机活塞材料常选用________。

B．铸造铝合金

C．球墨铸铁

D．铸钢

3.船用柴油机组合式活塞的活塞裙材料选用________。

A．孕育铸铁

B．灰口铸铁

D．白口铸铁

4.船用中、高速柴油机活塞材料常用选用________。

B．铝合金

5.船用柴油机活塞常用材料________。

Ⅲ．合金铸铁；

Ⅳ．ZL108、ZL110铝硅合金；

Ⅴ．铸钢；

Ⅵ．耐热钢。

A．Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ+Ⅴ

D．Ⅱ+Ⅲ+Ⅴ+Ⅵ

考点5：

活塞销

①具有足够的强度、刚度，表面具有较高的硬度和较高的耐磨性；

②具有足够的冲击韧性；

③具有较高的疲劳强度。

2．活塞销的材料和热处理

（1）活塞销的材料

船用活塞式柴油机的活塞销材科一般选用低碳钢15、20号钢，或合金渗碳钢15Cr、20Cr、20CrMnTi等。

强载柴油机多选用合金渗碳钢。

（2）活塞销的热处理

低碳钢和合金渗碳钢作为活塞销的材料，仅能满足冲击韧性。

为了满足高硬度、高耐磨性的要求，必须对活塞销表面进行渗碳＋淬火＋低温回火处理。

活塞销表面渗碳后，使其含碳量由0.1%～0.25%提高到0.85%～1.05%，渗碳层厚度依活塞销壁厚不同而异：

①活塞销壁厚小于3.5mm，渗碳层厚度为0.6～0.8mm；

②活塞销壁厚为3.5～8mm，渗碳层厚度为0.8～1.2mm；

③活塞销壁厚大于8mm，渗碳层厚度为1.2～1.8mm。

活塞销渗碳后，从表面到心部的组织应均匀过渡，不允许骤然变化。

渗碳层组织为过共析钢＋共析钢＋1/2过渡层。

热处理以后，活塞销表面获得回火马氏体组织，硬度大于HRC58～62；

低碳钢热处理后心部为铁素体＋珠光体的亚共析钢组织，硬度相当于HRC10～15；

合金渗碳钢心部组织为低碳回火马氏体＋铁素体，硬度为HRC35～45。

1.当要求活塞销具有表面耐磨心部强韧时，应选用________。

A．20

B．16Mn

C．20Cr

D．35CrMo

2.当活塞销选用20钢制作时，应进行的热处理是________。

A．淬火

B．淬火+低温回火

C．渗碳+淬火+低温回火

D．渗碳+正火

3.活塞销或十字头具有心部强韧的性能要求，应选用________。

A．08

B．20Cr

C．16Mn

4.为保证活塞销、凸轮轴有足够抵抗冲击的能力，零件应具有足够的________。

A．刚度

B．硬度

C．韧性

D．塑性

5.制作活塞销一般需要________。

A．淬火+中温回火

B．退火

6.如船舶活塞销采用低碳钢，经过渗碳和热处理后，表面获得________组织，心部组织为________。

A．上贝氏体/铁素体

B．回火屈氏体/铁素体+珠光体

C．回火马氏体/铁素体

D．回火马氏体/铁素体+珠光体

7.活塞销常用材料________。

Ⅰ．低碳钢；

Ⅱ．普通低合金钢；

Ⅲ．合金渗碳钢；

A．Ⅰ+Ⅲ+Ⅴ

8.活塞销的工作要求应具备________性能。

Ⅰ．表面耐磨；

Ⅱ．表面光洁；

Ⅲ．表面疲劳强度高；

Ⅳ．心部硬；

Ⅴ．心部强度高；

Ⅵ．心部韧或强韧。

考点6：

凸轮和凸轮轴的材料及热处理

凸轮及凸轮轴用于柴油机换向和燃油喷射机构。

中、小型柴油机的凸轮和凸轮轴制成一体；

大型柴油机则分别制造，然后按喷油正时要求将凸轮装于凸轮轴上。

柴油机运转时，凸轮与顶杆或滚轮紧顶接触，承受较大的、变化的接触应力与摩擦。

因此，凸轮和凸轮轴材料除应具有一定的强度和硬度外，还必须具有较高的接触疲劳强度和耐磨性。

船用柴油机凸轮与凸轮轴常选用15、20、45号钢和20Cr、40Cr等合金钢。

对于15、20号钢和20Cr的凸轮与凸轮轴，一般采用渗碳＋淬火＋低温回火处理，使其表面硬度达HRC58～62，渗碳层的厚度在1～2.5mm之间。

对于45号钢和40Cr的凸轮与凸轮轴则采用正火＋表面淬火处理。

1.20号钢齿轮锻造毛坯正火处理是为了________。

A．提高硬度便于加工

B．提高强度

D．提高刚度

2.柴油机上的十字头销、活塞销、凸轮等零件为了获得强而韧的性能常采用________。

C．渗氮

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