第九章轮机主要零件的材料.docx

1、第九章轮机主要零件的材料第九章 轮机主要零件的材料第一节 机械零件材料的选用原则考点1：概述工程上常用的材料主要有：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等，它们各有其特点。 金属材料具有良好的力学性能、工艺性能，主要用来制造重要的结构零件和工程构件；高分子材料强度、弹性模量、疲劳抗力、韧性等较低，但它密度小，减振性良好，耐腐蚀性好，弹性变形能力强，常用于制造轻载传动齿轮、耐腐蚀的化工设备与零件和密封元件等；瓷材料质地硬而脆，但耐高温和耐腐蚀性良好，用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件；新型的复合材料，具有优异的性能，但价格昂贵，主要用于航天工业上的一些重要构件。 在众多的可选材料中，如何选择

2、一个能充分发挥材料潜能的适宜材料，一般是在满足零件使用性能要求的前提下，再考虑材料的工艺性能和总的经济性，并要充分重视、保障环境不被污染，符合可持续发展要求。1. 关于零件材料的选用原则的叙述，正确的是_。根据工况确定对零件的性能要求；根据性能要求初选相应的材料；可对初选的材料进行热处理调配所需的性能。A+B+C+D+2. 零件选材时应考虑_。材料的使用性能；材料的工艺性能；材料的经济性。A+B+C+D+3. 所谓合理选材，叙述正确的是_。以满足使用性能为前提；最大限度地发挥材料的潜力；力求所花的总费用最低。A+B+C+D+考点2：使用性能原则使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械

3、性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。设计零件进行选材时，主要根据零件的工作条件，提出合理的性能指标。 1零件工作条件分析 一个零件的使用性能指标是在充分分析了零件的服役条件和失效形式后提出的。零件的服役条件包括：受力状况-拉伸、压缩、弯曲、扭转；载荷性质-静载、冲击载荷、循环载荷；工作温度-常温、低温、高温；环境介质-有无腐蚀介质或润滑剂的存在；特殊性能要求-导电性、导热性、导磁性、密度、膨胀等。 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

4、、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

5、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

6、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）

7、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170230HBS之间便于切削

8、。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。A铸铁B工具钢C结构钢D特殊性能钢2. 焊接结构，宜选用_材料。A铸铁B工具钢C结构钢D低碳钢3. 模具宜选用_材料。A铸铁B工具钢C结构钢D低碳钢第二节 轮机工程主要零件材料的选用及其热处理方法考点1：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。

9、（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 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； 具有足够的疲劳强度； 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

10、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： 碳钢曲轴锻件应进行正火处理，粗加工后退火处理； 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； 铸钢曲柄需进行两次正火处理和低温退火处理

11、，或高温扩散退火正火处理回火处理。 球墨铸铁曲轴进行正火处理，粗加工后退火处理，硬度为HB220229。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： 氮化处理，常用气体氮化、气体软氮化、离子氮化等； 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_。A20CrB40CrNiC2Cr13DGCr152. 船舶柴油机曲轴

12、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C高碳钢D普通低合金钢5. 柴油机曲轴可选用_。A低碳钢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B中温回火C低温回火D等温回火8.

13、 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_。A退火B低温退火C正火D调质处理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

14、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_。45或40Cr；QT700-02；ZG270-500。A+B+C+D+15. 船用柴油机曲轴常用的材料有_。灰口铸铁；球墨铸铁；可锻铸铁；中碳钢；合金渗碳钢；合金调质钢。A+B+C+D+考点2：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

15、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

16、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_。A高温回火B中温回火C低温回火D回火2. 连杆锻造成型后应采用_。A完全退火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D调质处理5. 船用低速柴油

17、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，再低温回火考点3：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 具有较高的强度、刚度； 具有良好的耐磨性、

18、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： 表面热处理

19、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）。 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_。AZG2700-500BQT600-02CKTH350-10DHT3003. 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ZG27

20、0-500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_。18Cr2Ni4WA针阀；连杆；灰口铸铁气缸套；活塞销；中碳钢凸轮；气阀。A+B+C+D+10. 船用柴油机气缸套常用材料有_。灰口铸铁；孕育铸铁；可锻铸铁；球墨铸铁；蠕墨铸铁；合金铸铁。A+B+C+D+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

21、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 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； 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 具有足够的强度和硬度，较高的疲劳强度和高温工作性能； 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； 具有良好的耐磨性与耐蚀性； 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

22、。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100400mm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 铸铁活塞一般在粗加工后进行退火处理；

23、 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； 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_。AZL101BZL105CZL108DZL1112. 船用中、高速柴油机活塞材料常选用_。A灰口铸铁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C可锻铸铁D白口铸铁4. 船用中、高速柴油机活塞材料常用选用_。A灰口铸铁B铝合金C球墨铸铁D铸钢5. 船用柴油机活塞常用材料_。灰口铸铁；孕育铸铁；合金铸铁；ZL108、ZL110铝硅合金；铸钢；耐热钢。A+B+C+D+考点5：活塞销具有足够

24、的强度、刚度，表面具有较高的硬度和较高的耐磨性； 具有足够的冲击韧性； 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： 活塞销壁厚小于3.5mm，渗碳层厚度为0.60.8mm； 活

25、塞销壁厚为3.58mm，渗碳层厚度为0.81.2mm； 活塞销壁厚大于8mm，渗碳层厚度为1.21.8mm。 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HRC5862；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HRC1015；合金渗碳钢心部组织为低碳回火马氏体铁素体，硬度为HRC3545。1. 当要求活塞销具有表面耐磨心部强韧时，应选用_。A20B16MnC20CrD35CrMo2. 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

26、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_。A08B20CrC16MnD35CrMo4. 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C渗碳+淬火+低温回火D正火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_。低碳钢；普通低合金钢；合金渗碳钢；中碳钢；铸钢；合金调质钢。A+B+C+D+8. 活塞销的工作要求应具备_性能。表面耐磨；

27、表面光洁；表面疲劳强度高；心部硬；心部强度高；心部韧或强韧。A+B+C+D+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HRC5862，渗碳层的厚度在12.5mm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C降低硬度便于加工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_。A渗硼B渗碳C渗氮D碳氮共渗3