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2. 热处理零件的选材原则 2.1 使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。服役条件不同，性能要求也不一样。如：螺栓、拉杆等承受拉伸载荷的工件要求有较高的屈服强度和抗拉强度；承受交变载荷的半轴、曲轴等除了应具备良好的综合机械性能外，还应有高的疲劳强度；而冲模、齿轮、铣刀等则要求有高的表面硬度。 2.2工艺性原则
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的
加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
初选材料 2.3 经济性原则
选材要讲经济效益，即应计算所得与所费、投入与产出、有用效果与、劳动消耗，要对它们进行评价和比较，从中选择最合适的不一定是最好的或单价最贵的材料，以最好的消耗量得到最大的效益，这就是经济性原则。 2.4 选材时应注意的几个问题
零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。同时，应注意以下几点：
⑴ 在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则次之;
重选或修改 不合格 合格 确定材料 制造加工工艺路线 提出对材料工艺性能的要求 综合比较初选材料 5
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⑵ 有些力学性能指标（如 ζb、ζ
0.2
、ζ-1、K1c）可直接用于设计计算; δ、
Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;
⑶ 在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注意手册上给出的组织状态。如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验； ⑷ 手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；
⑸ 由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意； ⑹ 同一材料的不同供应状态对数据影响很大； ⑺ 选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。 3 热处理工艺设计
热处理工艺设计包括热处理工艺在整个工件加工制造过程中的位置，热处理工艺选择和热处理工艺规程拟定。 3.1 热处理在加工工艺路线中的位置
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
⑴ 毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
⑵ 毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
⑶ 毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件） 3.2 热处理工艺选择时应重点考虑的因素
⑴ 工件设计中热处理技术条件 如材料（包括规格、钢种、晶粒度等）、金相组织、硬化层及渗层厚度、强度、冲击韧性及硬度要求；
⑵ 热处理的工艺性 确定热处理工艺时，应根据每种工件的技术,尽量
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做到工艺上的先进性，技术上的可靠性和经济上的合理性;
⑶ 工厂生产条件及批量 确定热处理工艺时还应考虑工厂的现场特点、现有设备、生产批量等因素。在保证技术要求和质量稳定的前提下，可选用周期作业炉、连续作业炉或设计新标准设备。 3.3 热处理工艺规程的拟定
⑴ 分析所有可能的热处理工艺方案，比较后选择其中保证工件高质量而有最经济的方案；
⑵ 需要热处理的工件应按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等选择合适的热处理工艺；
⑶ 根据现场加热和冷却设备选择工件的加热和冷却方法；
⑷ 热处理工艺过程各工序顺序应力求优化，避免在工艺传递过程中的重复。
三．热处理工艺课程设计的任务
根据题目中零件的技术要求，分析零件服役条件和可能的失效形式，根据失效形式，确定零件的性能特点，根据性能特点，选择材料，相变点的确定，分析含碳量及合金元素的作用，确定该零件的加工工艺路线以及热处理在加工工艺路线中的位置，选定能实现技术要求的热处理方法，热处理工艺参数的制定，热处理设备的选择，画出各热处理工艺后的金相组织示意图，分析显微组织特点，说明相组成物、组织组成物的名称，夹具的设计或选用，工艺卡片的填写。 1. 零件的服役条件和可能的失效形式
服役条件
齿轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。是主要零件。其服役条件如下：
⑴ 齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。因此，齿轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；
⑵ 高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载； ⑶ 在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
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失效形式
根据其服役条件，常见的失效形式为以下四点： ⑴ 疲劳断裂
齿轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致齿轮点面接疲劳断裂。其产生是由于当齿轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；
⑵ 表面损伤
a. 点蚀 是闭式齿轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂。
b. 硬化层剥落 由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。
⑶ 磨损失效
汽车、拖拉机上的主载荷齿轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效
⑷ 磨粒磨损
外来质点进入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械擦伤和磨损，比正常磨损的速度来得更快。 2. 材料的选择
⑴零件的用途
高速齿轮是机械工业的重要基础件，广泛地应用在动力、冶金、石油化工、航空航天以及舰船工业等重要领域，常常被用于重型载货汽车上。适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的齿轮。还被用于内燃机机车、坦克、飞机上的变速齿轮，这对材料的性能要求更高。
⑵工作条件
齿轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。两齿轮在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动，表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；高速齿轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
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⑶性能要求
齿轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。
⑷选材
高速、高载、承受较大冲击载荷的齿轮，一般采用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，工作时表面承受很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用，高速转动承受一定的冲击力或过载。选用20CrMnTi钢，由于钢中含有Cr能够提高淬透性，Cr还是碳化物形成元素，提高回火稳定性；Mn能增加钢的强度和硬度，还有脱硫的功效，也能提高钢的淬透性；Ti是强碳化物形成元素，在钢中生成MC型碳化物，对提高钢的耐磨性和细化晶粒有一定的好处。20CrMnTi钢采用渗碳+淬火+低温回火，齿轮表面可以获得55~63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部具有较高的强度和韧性。因而选用20CrMnTi钢。
20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢,渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体, 以保证心部具有足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢铁索体的强度,同时提高钢的淬透性。Ti元素能阻止钢的奥氏体晶粒的长大, 提高钢的回火稳定性。20CrMnTi齿轮根据使用性能要求表面耐磨,心部又要求有良好的强韧性,所以要对20CrMnTi钢进行表面渗碳处理,渗碳淬火后表面得到高碳马氏体, 具有较高的硬度和耐磨性。
3. 相变点的确定 牌 号 临界温度/℃ Ac1 Ar1 715 625
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锻造加工温度/℃ 加热 始锻 终锻 1160~ 1200 1240 >850 温度 /℃ 950~ 970 正 火 冷却 /℃ 空冷 硬度 HBW 156~ 207 Ac3 Ar3 843 795 Ms Mf 360 1200~ 20CrMnTi