第十二章 工程材料的合理選用

1、第十二章 工程材料的合理選用選用工程材料的基本原則：首先要考慮材料的使用性能能夠適應(yīng)機械零件的工作條件要求、使機器經(jīng)久耐用，同時還要兼顧材料的加工工藝性能、經(jīng)濟性與可持續(xù)發(fā)展性，以提高零件的生產(chǎn)率、降低成本、減少能耗、減少乃至避免環(huán)境污染等。第一節(jié) 零件的失效一、失效及其形式 零件的失效是指零件嚴(yán)重?fù)p傷，完全破壞，喪失使用價值，或繼續(xù)工作不安全，或雖能安全的工作，但不能保證工作精度或達不到預(yù)期工效。例如，齒輪在工作過程中磨損而不能正常嚙合及傳遞動力；主軸在工作過程中變形而失去精度；彈簧因疲勞或受力過大而失去彈性等，均屬失效。 零件的失效，尤其是無明顯預(yù)兆的失效，往往會帶來巨大的危害，甚至造成嚴(yán)

2、重事故。因此，對零件失效進行分析，查出失效原因，提出防止措施是十分重要的。通過失效分析，為改進零件結(jié)構(gòu)設(shè)什、修正加工工藝、更換村料等提出可靠依據(jù)。第一節(jié) 零件的失效 （1）斷裂失效 指零件完全斷裂而無法工作的失效。斷裂方式有塑性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、低應(yīng)力脆性斷裂等。 （2）過量變形 指零件變形量超過允許范圍而造成的失效。過量變形失效主要有過量彈性變形失效和過量塑性變形失效。 （3）表面損傷失效 指零件在工作中，因機械和化學(xué)作用，使其表面損傷而造成的失效。表面損傷失效生要有表面磨損失效、表面腐蝕失效、表面疲勞失效。失效的形式：第一節(jié) 零件的失效二、失效原因1、設(shè)計不合理2、選材不合理3、加

3、工工藝不當(dāng)4、安裝使用不正確第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟選材的一般原則選材的一般原則( (一一) )滿足使用性能滿足使用性能1 1、分析零件的工作條件、分析零件的工作條件工作條件是指工作條件是指受力形式受力形式( (拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭復(fù)拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭復(fù)合等合等) )、載荷性質(zhì)載荷性質(zhì)( (靜載、動載、沖擊、載荷分布等靜載、動載、沖擊、載荷分布等) )、受摩擦磨受摩擦磨損損情況；情況；工作環(huán)境條件工作環(huán)境條件( (如環(huán)境介質(zhì)、工作溫度等如環(huán)境介質(zhì)、工作溫度等) )；以及；以及導(dǎo)電、導(dǎo)電、導(dǎo)熱導(dǎo)熱等特殊要求。等特殊要求。2 2、判斷主要失效形式、判斷主要失效形式零件的失效

4、形式與其特定的工作條件是分不開的。要深入零件的失效形式與其特定的工作條件是分不開的。要深入現(xiàn)場，收集整理有關(guān)資料，進行相關(guān)的實驗分析，判斷失效的現(xiàn)場，收集整理有關(guān)資料，進行相關(guān)的實驗分析，判斷失效的主要形式及原因，找出原設(shè)計的缺陷，提出改進措施，確定所主要形式及原因，找出原設(shè)計的缺陷，提出改進措施，確定所選材料應(yīng)滿足的主要力學(xué)性能指標(biāo)，為正確選材提供具有實用選材料應(yīng)滿足的主要力學(xué)性能指標(biāo)，為正確選材提供具有實用意義的信息，確保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。意義的信息，確保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。 第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟3 3、合理選用材料的力學(xué)性能指標(biāo)、合理選

5、用材料的力學(xué)性能指標(biāo)(1)(1)正確運用材料的強度、塑性、韌性等指標(biāo)正確運用材料的強度、塑性、韌性等指標(biāo)一般情況下，材料的強度越高，其塑性、韌性越低。通常一般情況下，材料的強度越高，其塑性、韌性越低。通常狀況下以強度計算為主，塑性和韌性指標(biāo)一般不直接用于設(shè)計狀況下以強度計算為主，塑性和韌性指標(biāo)一般不直接用于設(shè)計計算。計算。 (2)(2)巧用硬度與強度等力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系巧用硬度與強度等力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系4 4、綜合考慮多種因素、綜合考慮多種因素若零件在特殊的條件下工作，則選材的主要依據(jù)也應(yīng)視若零件在特殊的條件下工作，則選材的主要依據(jù)也應(yīng)視具體條件而定，如選用高分子材料（如用尼龍繩作吊具等），具體條

6、件而定，如選用高分子材料（如用尼龍繩作吊具等），還要考慮在使用時，溫度、光、水、氧、油等周圍環(huán)境對其還要考慮在使用時，溫度、光、水、氧、油等周圍環(huán)境對其性能的影響，所以防老化則必須作為其重要的選材依據(jù)。性能的影響，所以防老化則必須作為其重要的選材依據(jù)。第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟5 5、根據(jù)使用性能選材時應(yīng)注意的問題、根據(jù)使用性能選材時應(yīng)注意的問題(1)(1)特別注意性能數(shù)據(jù)的可靠性和使用范圍特別注意性能數(shù)據(jù)的可靠性和使用范圍(2)(2)充分考慮材料的尺寸效應(yīng)充分考慮材料的尺寸效應(yīng) 隨著截面尺寸的增隨著截面尺寸的增大，金屬材料的力學(xué)性能將下降的現(xiàn)象，稱為尺寸效大，金屬材料的力學(xué)性能將下降的現(xiàn)

7、象，稱為尺寸效應(yīng)。應(yīng)。 (3)(3)零件的力學(xué)性能指標(biāo)受預(yù)期壽命的影響零件的力學(xué)性能指標(biāo)受預(yù)期壽命的影響 壽命壽命越長，要求的指標(biāo)越高，零件的生產(chǎn)和使用成本也會越長，要求的指標(biāo)越高，零件的生產(chǎn)和使用成本也會越高，所以要辯證處理制造成本與壽命的關(guān)系。越高，所以要辯證處理制造成本與壽命的關(guān)系。(4)(4)工作環(huán)境對不同材料組織和性能的影響工作環(huán)境對不同材料組織和性能的影響 如工如工程塑料、橡膠等，不僅其力學(xué)性能受環(huán)境條件的影響程塑料、橡膠等，不僅其力學(xué)性能受環(huán)境條件的影響很大，而且其物理、化學(xué)性能也會隨環(huán)境條件的變化很大，而且其物理、化學(xué)性能也會隨環(huán)境條件的變化而變化；而變化；第二節(jié) 選材的原則、

8、方法與步驟( (二二) )兼顧材料的工藝性能兼顧材料的工藝性能所謂工藝性能，一般是指材料適應(yīng)某種加工的能所謂工藝性能，一般是指材料適應(yīng)某種加工的能力，或加工成零部件的難易程度。力，或加工成零部件的難易程度。 金屬材料的工藝性能包括鑄造性、壓力加工性能、金屬材料的工藝性能包括鑄造性、壓力加工性能、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等；焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等； 陶瓷零件的形狀、尺寸精度和性能要求不同，陶瓷陶瓷零件的形狀、尺寸精度和性能要求不同，陶瓷材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能差；差； 同一種塑料因加工方法不同，其制品的使用性

9、能會同一種塑料因加工方法不同，其制品的使用性能會產(chǎn)生很大的差異。產(chǎn)生很大的差異。第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟(三三)充分考慮經(jīng)濟性充分考慮經(jīng)濟性 1、盡量降低材料及其加工成本、盡量降低材料及其加工成本 在滿足零件對使在滿足零件對使用性能與工藝性能要求的前提下，能用鐵不用鋼，用性能與工藝性能要求的前提下，能用鐵不用鋼，能用非合金鋼不用合金鋼，能用硅錳鋼不用鉻鎳鋼，能用非合金鋼不用合金鋼，能用硅錳鋼不用鉻鎳鋼，能用型材不用鍛件。能用型材不用鍛件。 2、用非金屬材料代替金屬材料、用非金屬材料代替金屬材料 非金屬材料的資非金屬材料的資源豐富，性能也在不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，源豐富，性能也在不斷提

10、高，應(yīng)用范圍不斷擴大，尤其是發(fā)展較快的聚合物具有很多優(yōu)異的性能，在尤其是發(fā)展較快的聚合物具有很多優(yōu)異的性能，在某些場合可代替金屬材料，既改善了使用性能，又某些場合可代替金屬材料，既改善了使用性能，又可降低制造成本和使用維護費用?？山档椭圃斐杀竞褪褂镁S護費用。 3、零件的總成本、零件的總成本 第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟選材的方法與步驟選材的方法與步驟1 1、選材的方法、選材的方法 (1)(1)以綜合力學(xué)性能為主時的選材以綜合力學(xué)性能為主時的選材 當(dāng)零件工當(dāng)零件工作中承受沖擊載荷或循環(huán)載荷時，其失效形式作中承受沖擊載荷或循環(huán)載荷時，其失效形式主要是過量變形與疲勞斷裂，因此，要求材料主要是過量變

11、形與疲勞斷裂，因此，要求材料具有較高的強度、疲勞強度、塑性與韌性，即具有較高的強度、疲勞強度、塑性與韌性，即要求有較好的綜合力學(xué)性能。要求有較好的綜合力學(xué)性能。 (2)(2)以疲勞強度為主時的選材以疲勞強度為主時的選材 (3)(3)以耐磨性為主時的選材以耐磨性為主時的選材 (4)(4)摩擦較大摩擦較大 (5)(5)同時受磨損與交變應(yīng)力、沖擊應(yīng)力的零件同時受磨損與交變應(yīng)力、沖擊應(yīng)力的零件 第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟2 2、選材的步驟、選材的步驟(1)(1)分析零件的工作條件及可能的失效形式，確定控制分析零件的工作條件及可能的失效形式，確定控制失效的關(guān)鍵性能指標(biāo)（使用性能和工藝性能），以此作失

12、效的關(guān)鍵性能指標(biāo)（使用性能和工藝性能），以此作為選材的依據(jù)。為選材的依據(jù)。(2)(2)對同類或相近零件的用材情況進行調(diào)查研究，可從對同類或相近零件的用材情況進行調(diào)查研究，可從其使用性能、材料供應(yīng)、材料價格、加工工藝性能等方其使用性能、材料供應(yīng)、材料價格、加工工藝性能等方面進行綜合分析以供參考，擬定較為合理的選材方案。面進行綜合分析以供參考，擬定較為合理的選材方案。 (3)(3)針對所確定的零件性能要求，找出關(guān)鍵性能要求。針對所確定的零件性能要求，找出關(guān)鍵性能要求。通過力學(xué)計算或輔以試驗等方法確定零件應(yīng)具有的力學(xué)通過力學(xué)計算或輔以試驗等方法確定零件應(yīng)具有的力學(xué)性能判據(jù)或理化性能判據(jù)。性能判據(jù)或理化性能判據(jù)。第二節(jié) 選材的原則、方法與步驟(4)(4)針對具體情況，合理選材。針對具體