第十章材料的選擇

第十章材料的選擇第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第一節(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(shè)計的效能。一般在以下三種情況下認(rèn)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(yán)重的損傷而不能繼續(xù)安全使用。失效有達(dá)到預(yù)定壽命的失效，有遠(yuǎn)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(jī)械工程材料第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三二.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(yīng)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(gòu)件因腐蝕而影響使用的也是失效。機(jī)械工程材料第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)械零件失效的主要形式

第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三三.失效的原因引起失效的因素很多，有設(shè)計、材料選擇與使用、加工制造、裝配、使用保養(yǎng)等。設(shè)計中結(jié)構(gòu)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(zhì)量也是失效的重要原因。加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中、加工缺陷等，使用過程中的保養(yǎng)、維修不當(dāng)都是造成失效的原因。機(jī)械工程材料第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三機(jī)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(xué)性能

第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三導(dǎo)致機(jī)械零件失效的主要原因

第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三失效分析的基本環(huán)節(jié)示意圖

第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三第二節(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(yīng)具備的性能，包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。是選材最主要的依據(jù)。

機(jī)械工程材料第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（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(zhuǎn)、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(yīng)力集中）。2.零件的工作環(huán)境（溫度和介質(zhì)）；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(jī)械工程材料第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（二）進(jìn)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(chǎn)生失效的主導(dǎo)因素，為較準(zhǔn)確確定零件主要使用性能提供依據(jù)。機(jī)械工程材料第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三零件

工作條件

常用失效形式

性能要求

應(yīng)力種類載荷性質(zhì)

受載狀態(tài)

螺栓

拉、剪

靜載──

過量變形，斷裂

強(qiáng)度，塑性

傳動軸彎、扭

循環(huán)，沖擊

軸頸摩擦

疲勞斷裂，過量變形，軸頸磨損綜合力學(xué)性能

傳動齒輪

壓、彎

循環(huán)，沖擊

摩擦，振動

斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞表面高強(qiáng)度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎

交變，沖擊

振動

彈性失穩(wěn)，疲勞破壞

彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（三）從零件使用性能要求提出對材料性能（力學(xué)、物理、化學(xué)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(jīng)分析計算轉(zhuǎn)化成量化的指標(biāo)和具體數(shù)值。在按這些數(shù)值從手冊上查找材料的指標(biāo)和大致應(yīng)用范圍，進(jìn)行選用。

在利用具體性能指標(biāo)進(jìn)行選材時，必須注意實驗室指標(biāo)、手冊性能數(shù)據(jù)、經(jīng)驗關(guān)系式的局限性。

第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三需注意的問題：1.材料的尺寸效應(yīng)2.零件的結(jié)構(gòu)形狀對性能的影響零件的結(jié)構(gòu)效率：指零件承受的載荷與其質(zhì)量之比。由于實際設(shè)計過程中采用的主要性能指標(biāo)不同，結(jié)構(gòu)效率可表達(dá)為性能與質(zhì)量之比。如剛度與質(zhì)量密度之比為比剛度；強(qiáng)度與質(zhì)量密度之比為比強(qiáng)度。這兩者還取決于加載方式。結(jié)構(gòu)效率對要求減輕自重的零件設(shè)計非常重要。

機(jī)械工程材料第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三熱處理條件

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(xué)性能

第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（二）工藝性能原則：材料的工藝性能表示材料加工的難易程度。原則是：工藝簡單、加工成型容易，能源消耗少、材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量好（變形小、尺寸精度高、表面光潔、組織均勻致密）。零件對所選材料的工藝性能要求與制造工藝路線有關(guān)。（一）金屬材料的工藝性能1.鑄造性能

主要是指流動性、收縮、偏析、吸氣性等。

機(jī)械工程材料第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

金屬零件的加工工藝路線

第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.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(jī)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(qiáng)，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(qiáng)化。機(jī)械工程材料第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（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(jìn)行切削加工、焊接與熱處理，但受其導(dǎo)熱性能的影響。（三）陶瓷材料的工藝性能由于其硬而脆且導(dǎo)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(jī)械工程材料第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三高分子材料的加工工藝路線

陶瓷材料的加工工藝路線

第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三工藝

適用材料

形狀

表面光潔度尺寸精度

模具費用

生產(chǎn)率

熱壓成形

范圍較廣

復(fù)雜形狀很好

好

高中等

噴射成形

熱塑性塑料

復(fù)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

第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三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(fù)雜件、薄壁件，成本低收縮大，尺寸精度低，生產(chǎn)率低

壓制成形

可做形狀復(fù)雜件，有高密度和高強(qiáng)度，精度較高

設(shè)備較復(fù)雜，成本高擠壓成形

成本低，生產(chǎn)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(fù)雜件

成本高

第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（三）經(jīng)濟(jì)性原則——根本原則

材料的經(jīng)濟(jì)性包括：產(chǎn)品的價值分析、成本分析

經(jīng)濟(jì)性選材的基本原則：在保證產(chǎn)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(chǎn)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(guān)。機(jī)械工程材料第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三材料

相對價格

材料

相對價格

普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

1

鉻不銹鋼5優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.5

鉻鎳不銹鋼

15

合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5

灰口鑄鐵

~1.4

鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）

5鑄造鋁合金、銅合金

8~10

滾珠軸承鋼3普通黃銅

13~17

低合金工具鋼3~4

錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20

鈦合金50~80

硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）

5~15

第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（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(chǎn)地及儲量比例

中東66.4%

獨聯(lián)體、中東70%

美、蘇、中、澳>70%

第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

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第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2.環(huán)境污染小環(huán)境準(zhǔn)則必將成為選材的重要依據(jù)之一，即要求材料在生產(chǎn)─使用─廢棄的全過程中具有與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，充分降低對環(huán)境造成的負(fù)荷。采用能耗少、污染小的材料，節(jié)能無害化的生產(chǎn)、制造工藝，選擇可再生循環(huán)性好的材料（材質(zhì)單純，化學(xué)組成簡單，便于提純，通用性強(qiáng)），降低廢棄物環(huán)境負(fù)荷，選擇以再生資源為原料的材料。第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三選材的一般程序1．基于對具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對同類零件現(xiàn)有狀況（所用材料、使用壽命、失效形式以及供應(yīng)情況）的調(diào)研，再結(jié)合力學(xué)計算或試驗確定零件應(yīng)具有的力學(xué)性能指標(biāo)和理化性能指標(biāo)。2．對若干備選材料的性能指標(biāo)和制造工藝進(jìn)行綜合分析和篩選，初步選定材料的牌號、規(guī)格及制造工藝。3．進(jìn)行實驗室試驗以檢驗選用材料是否達(dá)到各項性能要求，并進(jìn)行小批試生產(chǎn)以檢驗材料制造過程中工藝性是否滿足要求。小批試驗產(chǎn)品質(zhì)量合格后，選材方案即可確定下來。第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（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(yīng)力齒面接觸壓應(yīng)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(qiáng)度高接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性較高強(qiáng)度及沖擊韌性2.選材依據(jù)：

彎曲疲勞強(qiáng)度接觸疲勞強(qiáng)度

其他SB=k（HV）mSB彎曲疲勞強(qiáng)度HV齒面維氏硬度k

、m材料有關(guān)的常數(shù)

Sc=0.2(HV/100)2Sc接觸疲勞強(qiáng)度HV齒面維氏硬度

齒心強(qiáng)度和硬度如重載齒輪要求心部淬硬硬化層深度應(yīng)為模數(shù)的15%---20%如疲勞斷裂取上限，表面損傷取下限。第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3.選材（1）鋼：可應(yīng)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(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)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+低溫回火第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（2）高分子材料：重量輕，摩擦系數(shù)小，減振性強(qiáng)、噪音小，不需潤滑。但強(qiáng)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(yīng)用MC尼龍強(qiáng)度高，拉伸強(qiáng)度可達(dá)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(jī)玻璃儀表中的小模數(shù)齒輪

第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三序號

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(diào)質(zhì)（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

50～55HRC第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6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(diào)質(zhì)（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(jī)床走刀箱、變速箱齒輪

40Cr，42SiMn調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(jī)床變速箱齒輪、龍門銑床電動機(jī)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(yù)冷至840℃油淬、180℃回火）58～63HRC第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三12高速、重載、形狀復(fù)雜，要求熱處理變形小的齒輪

38CrMoAlA，38CrAl正火或調(diào)質(zhì)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第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三實例：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(qiáng)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℃低溫回火第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(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(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力軸頸摩擦沖擊疲勞斷裂磨損過載或沖擊斷裂較高強(qiáng)度與較好韌、塑性配合較高疲勞抗力軸頸耐磨性第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三速度載荷沖擊磨損

鋼種類別

熱處理工藝中碳鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火合金調(diào)質(zhì)鋼

調(diào)質(zhì)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：

第37頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三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(zhuǎn)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(diào)質(zhì)

200～250HBS

熱處理后有一定機(jī)械強(qiáng)度；精度要求不高

一般簡式機(jī)床21.與滾動軸承配合2.輕、中載荷，轉(zhuǎn)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(qiáng)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(jī)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(jīng)正火有一定機(jī)械強(qiáng)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(zhuǎn)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(qiáng)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(jī)床等51.與滑動軸承配合2.受中等載荷，轉(zhuǎn)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(jīng)預(yù)先熱處