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1、,工程材料,第三篇 材料的選用,第一節(jié) 選材的一般原則,判斷零件選材是否合理的基本標(biāo)志是： 能否滿足必需的使用性能； 能否具有良好的工藝性能； 能否實(shí)現(xiàn)最低成本經(jīng)濟(jì)性。 選材的任務(wù)就是求得三者之間的統(tǒng)一。,工程材料,1. 使用性能原則,使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能。 對(duì)大量機(jī)器零件和工程構(gòu)件，主要是機(jī)械性能。 對(duì)一些特殊條件下工作的零件，必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。,工程材料,材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求,零件使用時(shí)的工作條件,受力狀況 主要是載荷的類型(動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的形式(拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切)和特

2、點(diǎn)(均勻分布、集中分布)等。 環(huán)境狀況 主要是溫度(常溫、高溫、低溫或變溫)、介質(zhì)(有無腐蝕介質(zhì)、潤滑劑)等。 特殊要求 如對(duì)導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。,工程材料,使用性能要求的簡單分類,工程材料,零件根據(jù)使用性能選材的步驟,分析零件工作條件和失效形式，確定零件對(duì)使用性能的要求； 將零件對(duì)使用性能的要求具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)(如強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度等) ； 根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計(jì)算出零件中的應(yīng)力分布； 由工作應(yīng)力、使用壽命或安全性與實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)的關(guān)系，確定對(duì)實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)要求的具體數(shù)值；利用手冊(cè)根據(jù)使用性能選材。,工程材料,常用零件的工作和失

3、效形式,工程材料,注意事項(xiàng),零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊(cè)、書本中所給出的完全等同相待，必須注意以下情況： 材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)。 材料的性能與加工處理時(shí)試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊(cè)中試樣尺寸的差別，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)本身都有一定波動(dòng)范圍。,工程材料,2. 工藝性能原則,材料的工藝性能包括： 鑄造性能：流動(dòng)性、收縮性、疏松及偏析傾向、吸氣性、熔點(diǎn)高低等。 壓力加工性能：材料的塑性和變形抗力等。 焊接性能：焊接應(yīng)力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其它缺陷傾向等。 切削加工性能：切削抗力、零件表

4、面光潔度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。 熱處理性能：材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開裂傾向等。,工程材料,3. 經(jīng)濟(jì)性原則,材料的價(jià)格：零件材料的價(jià)格應(yīng)該盡量低。在許多工業(yè)部門材料的價(jià)格可占產(chǎn)品價(jià)格的30%70%。 零件的總成本：零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。 環(huán)境與資源：所用材料應(yīng)該來源豐富并顧及我國資源狀況。材料在生產(chǎn)使用廢棄的全過程中，對(duì)能源和資源的消耗少，對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小，可以完全再生利用或廢棄時(shí)完全降解。,工程材料,產(chǎn)品消費(fèi)的總成本,工程材料,4. 選材的一般方法,分析零件的工作特性和使用條件，找出主要失效方式，提出主要抗力指標(biāo)。

5、根據(jù)工作條件需要和分析，對(duì)零件的設(shè)計(jì)制造提出必要的技術(shù)條件 根據(jù)技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟(jì)性方面的考慮，對(duì)進(jìn)行預(yù)選擇。通常是憑積累的經(jīng)驗(yàn)，通過與類似機(jī)器零件的比較和已有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的判斷，或者通過各種材料選用手冊(cè)來進(jìn)行選擇。 對(duì)預(yù)選方案材料進(jìn)行計(jì)算，以確定是否能滿足上述工作條件要求。 材料的二次（或最終）選擇。二次選擇方案也可以是若干種方案。 通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)，最終確定合理的選材方案。 在中、小型生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，接受生產(chǎn)考驗(yàn)。以檢驗(yàn)選材方案的合理性。,工程材料,選材步驟流程,工程材料,5. 零件的失效分析方法,失效主要指零件因某種原因?qū)е缕涑叽纭⑿螤?、或組織與性能變化而不能完滿

6、地完成指定的功能。包括： 零件完全破壞，不能繼續(xù)工作； 嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作很不安全； 雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用 只要發(fā)生上述任何一種情況，都認(rèn)為零件已經(jīng)失效,工程材料,失效分析的目的就是找出零件損傷的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,失效的分類,通常是按失效模式和其相應(yīng)的失效機(jī)理分類 失效模式：指失效的外在宏觀表現(xiàn)和規(guī)律 失效機(jī)理：指引起失效的微觀的物理、化學(xué)變化過程的本質(zhì) 這種失效模式和失效機(jī)理相結(jié)合的分類就是宏觀和微觀相結(jié)合，由表及里地揭示失效的物理本質(zhì)的過程。,工程材料,零件失效的模式及其失效機(jī)理,工程材料,零件失效的主要原因,工程材料,失效分析的一般方法,盡量仔細(xì)地收集失效

7、零件的殘骸，并拍照記錄實(shí)況，確定重點(diǎn)分析的對(duì)象，樣品應(yīng)取自失效的發(fā)源部位，或能反映失效的性質(zhì)或特點(diǎn)的地方。 詳細(xì)記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計(jì)資料、實(shí)際加工情況及尺寸、使用情況等。根據(jù)這些資料從設(shè)計(jì)、加工、使用各方面進(jìn)行分析。 對(duì)所選試樣進(jìn)行宏觀及微觀斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源點(diǎn)及失效的方式。 對(duì)失效樣品進(jìn)行性能測(cè)試、組織分析、化學(xué)分析和無損探傷，檢驗(yàn)材料的性能指標(biāo)是否合格，組織是否正常，成分是否符合要求，有無內(nèi)部或表面缺陷等等，全面收集各種必要的數(shù)據(jù)。 斷裂力學(xué)分析。在某些情況下需要進(jìn)行斷裂力學(xué)計(jì)算，以便于確定失效的原因及提出改進(jìn)措施。 綜合各方面分析資料作出判斷

8、，確定失效的具體原因，提出改進(jìn)措施，寫出報(bào)告。,工程材料,零件失效形式分類,工程材料,失效分析與選材,彈性變形失效與選材：指標(biāo)是e。在容易發(fā)生彈性變形失效時(shí)，應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。 塑性變形失效與選材：指標(biāo)是材料的s。在經(jīng)典設(shè)計(jì)中，s是衡量材料承載能力的最重要指標(biāo)。 脆性斷裂失效與選材：指標(biāo)是ak、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性 疲勞斷裂失效與選材：疲勞壽命分為低周疲勞與高周疲勞壽命兩種。 蠕變失效與選材：主要考慮材料的工作溫度和工作應(yīng)力。 表面損傷失效與選材：在有摩擦應(yīng)力存在的場合，應(yīng)考慮表面損傷的影響。,工程材料,第二節(jié) 典型零件的選材與工藝,工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的四大類典型工件為：齒輪、軸類零

9、件、彈簧和刃具 首先分析零件的工作條件和失效形式，提出對(duì)該零件合理的性能要求，選擇適宜的材料,工程材料,一、齒輪類零件選材,工程材料,齒輪類零件的失效形式,工程材料,、機(jī)床變速箱齒輪,機(jī)床變速箱齒輪擔(dān)負(fù)傳遞動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)速度和方向的任務(wù)。 工作條件較好，轉(zhuǎn)速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強(qiáng)烈沖擊。,工程材料,機(jī)床變速箱齒輪選材及工藝,一般選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。 工藝路線為： 下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工 高頻淬火及低溫回火精磨 沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2等鑄鐵制造。機(jī)床齒輪除選用金屬齒輪外,

10、 有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪, 工作時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn), 噪聲減少, 長期使用磨損很小。,工程材料,汽車齒輪,汽車齒輪主要分裝在變速箱 和差速器中。 汽車齒輪受力較大，受沖擊 頻繁，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、心部強(qiáng)度以及沖擊韌性等，均要求比機(jī)床齒輪高。 一般用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi制造。 滲碳齒輪的工藝路線為： 下料鍛造正火切削加工滲碳、淬火及低溫回火噴丸磨削加工,汽車后橋齒輪,工程材料,二、軸類零件選材,工程材料,軸類零件的失效形式,軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損,轉(zhuǎn)軸彎曲疲勞斷口,工程材料,軸類零件選材方法及常用材料,選擇原則：根據(jù)載荷大小、類型等決定。 主要受

11、扭轉(zhuǎn)、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種 受軸向載荷軸，因心部受力較大，應(yīng)具有較高淬透性 材料：經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼 一般軸類零件使用碳鋼，如35、40、45、50鋼，經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理改善性能； 載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時(shí)采用合金鋼，如40Cr、40MnB、20Cr、20CrMnTi等； 也可以采用球墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵作曲軸材料。,工程材料,、C620車床主軸,該主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大，具有一般綜合機(jī)械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，要求有較高的硬度和耐磨性。,工程材料,C620車床主軸選材及工藝,材料： 45鋼（載荷較大時(shí)用40Cr） 熱處理： 整體調(diào)質(zhì)，軸頸及錐孔表面淬火 性能要求：整體硬度HB220240；軸頸及錐孔處 硬度HRC52 工藝路線：鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工 表面淬火及低溫回火磨削。 該軸工作應(yīng)力很低，沖擊載荷不大，現(xiàn)在有部分機(jī)床主軸已經(jīng)可以用球墨鑄鐵制造。,工程材料,、130載重車半軸,汽車半軸是典型的受扭矩的軸件，但工作應(yīng)力較大，且