材料的選擇40課件

第十二章工程材料的選擇與應用第一節(jié)第二節(jié)機械工程材料第一節(jié)失效分析一、失效概念

失效是指零件在使用過程中，由于尺寸形狀或材料的組織與性能發(fā)生變化而失去原設計的效能。一般在以下三種情況下認為失效：零件完全不能工作；零件雖能工作，但已不能完成指定的功能；零件有嚴重的損傷而不能繼續(xù)安全使用。失效有達到預定壽命的失效，有遠低于壽命的不正常失效。不論何種失效都是在外界因素的作用下造成的損害。

機械工程材料二.失效形式一般零件失效形式有：斷裂失效：包括靜載荷或沖擊載荷斷裂、疲勞破壞以及應力腐蝕破裂等。

磨損失效：包括過量的磨損、表面龜裂、麻點剝落等。

變形失效：包括過量的彈性變形或塑性變形（整體或部分）、高溫蠕變等。對工程構件因腐蝕而影響使用的也是失效。機械工程材料三.失效的原因引起失效的因素很多，有設計、材料選擇與使用、加工制造、裝配、使用保養(yǎng)等。設計中結構的合理性、安全系數(shù)的選擇都會造成失效。材料的選用、材料的質量也是失效的重要原因。加工過程中產生的應力集中、加工缺陷等，使用過程中的保養(yǎng)、維修不當都是造成失效的原因。機械工程材料機械工程材料幾種零件(工具)工作條件、失效形式及要求的力學性能

導致機械零件失效的主要原因

第二節(jié)選材原則(一)使用性能原則----首要原則

使用性能是材料在零件工作過程中所應具備的性能，包括力學性能、物理性能、化學性能等。是選材最主要的依據(jù)。

機械工程材料（一）分析零件的工作條件，確定使用性能工作條件分析：1.零件的受力情況，如載荷類型（靜載、交變載荷、沖擊載荷）、載荷形式（拉伸、壓縮、扭轉、剪切、彎曲）、載荷大小及分布情況（均勻分布或有較大的局部應力集中）。2.零件的工作環(huán)境（溫度和介質）；3.零件的特殊性能要求，如電性能、磁性能、熱性能、密度、顏色等。機械工程材料（二）進行失效分析。確定零件的主要性能根據(jù)零件承受載荷的類型和外界條件及失效的特點，分析可能出現(xiàn)的失效形式，找出產生失效的主導因素，為較準確確定零件主要使用性能提供依據(jù)。機械工程材料（三）從零件使用性能要求提出對材料性能（力學、物理、化學性能）的要求通過對工作條件和失效形式的分析，明確了零件的使用性能，把使用性能的要求，經分析計算轉化成量化的指標和具體數(shù)值。在按這些數(shù)值從手冊上查找材料的指標和大致應用范圍，進行選用。

在利用具體性能指標進行選材時，必須注意實驗室指標、手冊性能數(shù)據(jù)、經驗關系式的局限性。

需注意的問題：1.材料的尺寸效應2.零件的結構形狀對性能的影響零件的結構效率：指零件承受的載荷與其質量之比。由于實際設計過程中采用的主要性能指標不同，結構效率可表達為性能與質量之比。如剛度與質量密度之比為比剛度；強度與質量密度之比為比強度。這兩者還取決于加載方式。結構效率對要求減輕自重的零件設計非常重要。

機械工程材料熱處理條件

毛坯尺寸mmσb/MPa

δ/%Ak/J

850淬火

530

800750161512080500回火

5010070060015135640

中碳鋼(0.4%C)不同尺寸毛坯的力學性能

金屬零件的加工工藝路線

2.壓力加工性能主要指冷熱壓力加工時的塑性和變形抗力及溫度范圍、抗氧化性和加熱、冷卻性要求等。3.焊接性能鋼鐵材料的焊接性能隨碳和合金元素含量的提高而變差。主要指焊縫區(qū)形成冷裂或熱裂及氣孔的傾向。4.機械加工性能：主要指切削加工性、磨削加工性等。材料的硬度越高，加工硬化能力越強，切削性能越差。5.熱處理工藝性能主要指加熱溫度范圍、氧化和脫碳傾向、淬透性、變形開裂傾向等，是否可熱處理強化。機械工程材料（二）高分子材料的工藝性能工藝簡單，主要是成型工藝加工，又以模具成型為主。方法有注射成型、吹塑成型、擠壓成型等。也可進行切削加工、焊接與熱處理，但受其導熱性能的影響。（三）陶瓷材料的工藝性能由于其硬而脆且導熱性較差，其制品的工藝較簡單。主要是成型工藝。成型工藝主要有粉漿成型、壓制成型、擠壓成型、可塑成型等。切削性能極差。機械工程材料工藝

適用材料

形狀

表面光潔度尺寸精度

模具費用

生產率

熱壓成形

范圍較廣

復雜形狀很好

好

高中等

噴射成形

熱塑性塑料

復雜形狀

很好非常好

很高

高熱擠成形

熱塑性塑料

棒類

好

一般低高真空成形熱塑性塑料

棒類一般

一般低低

高分子材料主要成形工藝特點

陶瓷材料成形工藝的比較

工藝

優(yōu)點

缺點粉漿成形

可做形狀復雜件、薄壁件，成本低收縮大，尺寸精度低，生產率低

壓制成形

可做形狀復雜件，有高密度和高強度，精度較高

設備較復雜，成本高擠壓成形

成本低，生產率高不能做薄壁件，形狀要對稱

可塑成形

尺寸精度高，可做形狀復雜件

成本高

（三）經濟性原則——根本原則

材料的經濟性包括：產品的價值分析、成本分析

經濟性選材的基本原則：在保證產品使用性能的前提下，盡量選用價格便宜的材料。零件選用的材料必須保證生產和使用的總成本最低。零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關。機械工程材料（四）環(huán)境與資源原則1.能源和資源消耗少

石油天然氣

煤鈾可開采儲量9970億桶

138萬億m3

1039272億噸

200萬噸

可開采年限45.5年

64年

219年74年

主要產地及儲量比例

中東66.4%

獨聯(lián)體、中東70%

美、蘇、中、澳>70%

儲量（106t）

可用年數(shù)再生率(%)

Fe1×106

10931.7Al1170

3516.9

Cu3082440.9

Zn1231821.2

Mo5.4

36

Ag0.21441.0Cr775112

Ti14751

重要金屬的世界儲量（一）齒輪類零件：1.性能要求：

工作條件失效形式性能要求齒根交變彎曲應力齒面接觸壓應力、滑動摩擦輪齒沖擊疲勞斷裂表面損傷過載斷裂

高彎曲疲勞強度高接觸疲勞強度和耐磨性較高強度及沖擊韌性2.選材依據(jù)：

彎曲疲勞強度接觸疲勞強度

其他SB=k（HV）mSB彎曲疲勞強度HV齒面維氏硬度k

、m材料有關的常數(shù)

Sc=0.2(HV/100)2Sc接觸疲勞強度HV齒面維氏硬度

齒心強度和硬度如重載齒輪要求心部淬硬硬化層深度應為模數(shù)的15%---20%如疲勞斷裂取上限，表面損傷取下限。3.選材（1）鋼：可應用于多種工作條件，是齒輪最主要的用材。

速度、載荷、沖擊鋼種類別熱處理工藝中碳鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調質鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火

合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火（2）高分子材料：重量輕，摩擦系數(shù)小，減振性強、噪音小，不需潤滑。但強度低不能承受較大載荷。如夾布層壓熱固性樹脂等。

名稱特性應用MC尼龍強度高，拉伸強度可達90Mpa以上，減摩耐磨性優(yōu)于其它尼龍。

大型鑄件，如大型齒輪

聚碳酸酯突出的抗蠕變性和沖擊韌性，脆化溫度為-100℃，成型精度高，透明，耐熱性高于有機玻璃儀表中的小模數(shù)齒輪

序號

齒輪工作條件

鋼種

熱處理工藝

硬度要求

1在低載荷下工作，要求耐磨性好的齒輪

15

滲碳直接淬火法或一次淬火法（780℃水淬、180℃回火）

58～63HRC2低速（＜0.1m/s）低載荷下工作的不重要變速箱齒輪和掛輪架齒輪

45840℃～860℃正火

156～217HBS3低速（＜1m/s）低載荷下工作的齒輪（如車床溜板上的齒輪）

45調質（820℃～840℃水淬+500℃～550℃回火）200～250HBS

4中速、中載荷或大載荷下工作的齒輪（如車床變速箱中的次要齒輪）

45高頻加熱、水淬，300℃～340℃回火

45～50HRC5速度較大或中等載荷下工作的齒輪，齒部硬度較高（如鉆床變速箱中次要齒輪）

45高頻加熱、水淬，240℃～280℃回火

50～55HRC6高速、中等載荷，斷面較大齒輪（如磨床砂輪箱齒輪）

45高頻加熱、水淬，180℃～200℃回火

54～60HRC7速度不大，中等載荷，斷面較大的齒輪（如銑床工作面變速箱齒輪、立車齒輪）

40Cr，45MnB，42SiMn調質（840℃～860℃油淬、600℃～650℃回火）

200～230HBS8中等速度（2～4m/s）、中等載荷下工作的高速機床走刀箱、變速箱齒輪

40Cr，42SiMn調質后高頻加熱、乳化液淬火，260℃～300℃回火

50～55HRC9高速、高載荷、齒部要求高硬度的齒輪

40Cr，42SiMn調質后高頻加熱、乳化液淬火，180℃～200℃回火

55～60HRC10高速、中載荷、受沖擊、模數(shù)＜5齒輪（如機床變速箱齒輪、龍門銑床電動機齒輪）

20Cr，20Mn2B滲碳、直接淬火，或一次淬火（810℃油淬、180℃回火）

58～63HRC11高速、重載、受沖擊、模數(shù)＞6齒輪（如立車上的重要齒輪）

20CrMnTi，20SiMnVB滲碳、直接淬火法（預冷至840℃油淬、180℃回火）58～63HRC12高速、重載、形狀復雜，要求熱處理變形小的齒輪

38CrMoAlA，38CrAl正火或調質后510℃～550℃氮化

850HV以上

13在不高載荷下工作的大型齒輪

50Mn2，65Mn820℃～840℃空冷

＜240HBS14傳動精度高、要求具有一定耐磨性的大齒輪

35CrMo860℃空冷，600℃～650℃回火（熱處理后精切齒形）

255～305HBS實例：解放牌載重汽車變速箱齒輪性能要求：表面高耐磨性及疲勞極限；心部較高強度與韌性（σb>1000MN/m2，ak>60J/cm2）。

選材：滲碳鋼---20CrMnTi（淬透性：油淬30---40mm；滲碳淬火后σb>1100MN/m2，ak>60J/cm2）熱處理工藝：900~950℃滲碳---820~850℃油淬----180~200℃低溫回火(二)軸類零件：

1.性能要求：

工作條件（傳動）

失效形式性能要求交變扭轉、旋轉彎曲應力軸頸摩擦沖擊疲勞斷裂磨損過載或沖擊斷裂較高強度與較好韌、塑性配合較高疲勞抗力軸頸耐磨性速度載荷沖擊磨損

鋼種類別

熱處理工藝中碳鋼調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調質鋼

調質處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火2.選材：

序號工作條件材料熱處理硬度原因使用實例11.與滾動軸承配合2.輕、中載荷、轉速低3.精度要求不高4.稍有沖擊，疲勞忽略不記

45

正火或調質

200～250HBS

熱處理后有一定機械強度；精度要求不高

一般簡式機床21.與滾動軸承配合2.輕、中載荷，轉速略高3.精度要求不太高4.沖擊和疲勞可忽略不計

45

整體淬火或局部淬火

40～45HRC有足夠強度；軸頸及配件裝拆處有一定硬度；不能承受沖擊載荷龍門銑床、搖臂鉆床、組合機床等31.與滑動軸承配合2.有沖擊載荷45軸頸表面淬火52～58HRC經正火有一定機械強度；軸頸高硬度C620車床主軸41.與滾動軸承配合2.受中等載荷，轉速較高3.精度要求較高4.沖擊和疲勞較小

整體淬火或局部淬火

42或52HRC有足夠強度，軸頸和配件裝拆處有一定硬度；沖擊小，硬度取高值搖臂鉆床、組合機床等51.與滑動軸承配合2.受中等載荷，轉速較高3.較高的疲勞和沖擊載荷4.精度要求較高

40Cr軸頸及配件裝拆處表面淬火≥52≥50

HRC坯料經預先熱處理后有一定機械強度；軸頸高耐磨性；配件裝拆處有一定硬度車床主軸、磨床砂輪主軸61.與滑動軸承配合2.中等載荷，轉速很高3.精度要求很高

38CrMoAlA調質+氮化250～280HBS心部具很高強度；表面具高硬度與疲勞強度；氮化變形小