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汽車(chē)零件的選材汽車(chē)零件的選材1第七章
汽車(chē)零件的選材第七章
汽車(chē)零件的選材2第一節(jié)零件的失效分析一、失效的概念失效
主要指某零件由于某種原因,導(dǎo)致其尺寸、形狀、或材料的組織與性能的變化而喪失原設(shè)計(jì)所規(guī)定的功能。完全破壞嚴(yán)重?fù)p壞未達(dá)功能要求(安全工作)包括第一節(jié)零件的失效分析一、失效的概念失效
主要指某零件3失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸斷裂零件已完全破壞,不能繼續(xù)工作失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸斷裂零件已完全破壞,不能繼續(xù)工作4失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸軸徑出現(xiàn)裂紋零件已受到嚴(yán)重?fù)p傷,已不能安全工作失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故曲軸軸徑出現(xiàn)裂紋零件已受到嚴(yán)重?fù)p傷,已不能5失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故零件雖然仍能能安全工作,但對(duì)正常燃燒產(chǎn)生了影響頭部燒傷痕跡失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故零件雖然仍能能安全工作,但對(duì)正常燃燒產(chǎn)生了6二、常見(jiàn)的失效形式與原因二、常見(jiàn)的失效形式與原因7導(dǎo)致零件失效的主要原因設(shè)計(jì)不合理材料不合理加工工藝不當(dāng)安裝使用不正確導(dǎo)致零件失效的主要原因設(shè)計(jì)不合理8零件失效形式
1過(guò)量變形失效
過(guò)量變形失效是指在某種程度上減弱了零件規(guī)定功能的變形。從變形的形貌上看,變形有兩種基本類型:尺寸或體積變化(長(zhǎng)大或縮?。┖托螤钭兓ㄈ鐝澢蚵N曲)。例如,受軸向載荷的連桿可產(chǎn)生軸向拉、壓變形,軸的彎曲、殼體的翹曲變形等。
變形后:不能承受所規(guī)定載荷,不能起到規(guī)定的作用,與其他零件的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生干擾。零件失效形式1過(guò)量變形失效過(guò)量變形失9零件失效形式——過(guò)量變形失效彈性變形失效——材料剛度不足,受力過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量彈性變形或彈性失穩(wěn)。
影響彈性畸變的主要因素有:零件形狀、尺寸、材料的彈性模量、零件工作的溫度、載荷的大小。零件失效形式——過(guò)量變形失效彈性變形失效——材料剛度不足,受10零件失效形式——過(guò)量變形失效塑性畸變失效——是外加應(yīng)力超過(guò)零件材料的屈服極限時(shí)發(fā)生明顯的塑性變形(永久變形)。引起零件塑性畸變的因素,除在彈性畸變中所討論的有關(guān)影響因素外,常見(jiàn)的還有材質(zhì)缺陷、使用不當(dāng)、設(shè)計(jì)有誤等,特別是熱處理不良。實(shí)際上往往是多種因素的綜合結(jié)果。零件失效形式——過(guò)量變形失效塑性畸變失效——是外加應(yīng)力超過(guò)零11零件失效形式——過(guò)量變形失效翹曲畸變失效——是一種大小與方向上常產(chǎn)生復(fù)雜規(guī)律的變形而最終形成了翹曲的外形,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的翹曲畸變失效。
翹曲畸變往往是由溫度、外加載荷、受力截面、材料組成等所引起的不均勻性的組合,其中以溫度變化,特別是高溫所導(dǎo)致的形狀翹曲最為嚴(yán)重。零件失效形式——過(guò)量變形失效翹曲畸變失效——是一種大小與方向12零件失效形式2斷裂失效機(jī)械零件因斷裂(特別是突然斷裂)而產(chǎn)生的失效稱為斷裂失效。斷裂失效的形式有多種,常見(jiàn)的主要有韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂及蠕變失效斷裂等從斷口可分析斷裂失效的種類,是分析的核心,同時(shí)又是斷裂失效分析的向?qū)?,指引斷裂失效分析少走彎路?/p>
零件失效形式2斷裂失效斷裂失效的形式有多種,常見(jiàn)的主要有韌13韌性斷裂的特征宏觀特征:宏觀變形方式為頸縮,典型斷口為杯錐狀斷口,底部成纖維狀剪切斷口,其平面和拉伸軸大致成45角。塑性材料拉伸后的實(shí)物韌性斷裂的特征宏觀特征:宏觀變形方式為頸縮,典型斷口為杯錐狀14脆性斷裂的特征脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低,通常不超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度,甚至不超過(guò)常規(guī)的許用應(yīng)力,所以又稱為低應(yīng)力脆斷。脆性斷裂總是以零件內(nèi)部存在的宏觀裂紋(如肉眼可見(jiàn)的0.1mm~1mm)作為源開(kāi)始的。這種宏觀裂紋可以是在生產(chǎn)工藝過(guò)程中產(chǎn)生,還可能是由于疲勞或應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生。脆性斷裂的特征脆斷時(shí)承受的工作應(yīng)力較低,通常不超過(guò)材料的屈服15脆性斷裂實(shí)物脆性斷裂實(shí)物16零件失效形式3磨損失效
相互接觸的一對(duì)金屬表面,相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)金屬表面不斷發(fā)生損耗或產(chǎn)生塑性變形,使金屬表面狀態(tài)和尺寸改變的現(xiàn)象稱為磨損。零件失效形式3磨損失效17磨損失效形式——粘著磨損兩個(gè)金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)生局部粘結(jié)(固相粘著),使材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一表面或撕下作為磨料留在兩個(gè)表面之間,這一現(xiàn)象稱為粘著磨損。磨損失效形式——粘著磨損兩個(gè)金屬表面的微凸部分在局部高壓下產(chǎn)18磨損失效形式——磨料磨損
配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,因外來(lái)硬顆?;虮砻嫖⑼惑w的作用造成表面損傷(被犁削形成溝漕)的磨損稱為磨粒(料)磨損。磨損失效形式——磨料磨損配合表面之間在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,因外19磨損失效形式——表面疲勞磨損兩個(gè)接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合磨擦?xí)r,在交變接觸壓應(yīng)力作用下,使材料表面疲勞而產(chǎn)生材料損失的現(xiàn)象稱為表面疲勞磨損。如汽車(chē)的齒輪副、凸輪副、滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體與座圈等都容易產(chǎn)生表面疲勞磨損。磨損失效形式——表面疲勞磨損兩個(gè)接觸面作滾動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合磨20磨損失效形式——沖刷磨損、腐
蝕磨損沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子的流體(常為液體)沖刷造成表面材料損失的磨損。腐蝕磨損是金屬在摩擦過(guò)程中,同時(shí)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生表層金屬的損失或遷移現(xiàn)象。磨損失效形式——沖刷磨損、腐
蝕磨損沖刷磨損是由于含固態(tài)粒子21影響磨損失效的基本因素①摩擦副材質(zhì)摩擦副的互溶性。相同金屬、晶格類型、原子間距、電子密度、電化學(xué)性能相近的材料副互溶性大,易于粘著而導(dǎo)致粘著磨損失效。金屬與非金屬(如塑料、石墨等),互溶性小,粘著傾向小。摩擦副的表面強(qiáng)化處理情況。材料表層組織和結(jié)構(gòu)缺陷。夾雜疏松、空洞、鍛造夾層以及各種微裂紋,過(guò)高的裝配應(yīng)力等都將使各種磨損加劇。影響磨損失效的基本因素①摩擦副材質(zhì)22影響磨損失效的基本因素②工況參數(shù)
包括接觸應(yīng)力、滑動(dòng)距離和滑動(dòng)速度、溫度、介質(zhì)條件與潤(rùn)滑等。合理的表面強(qiáng)化處理可以減少磨損合理的表面強(qiáng)化處理,一是改變組織結(jié)構(gòu),二是適度提高硬度。表面強(qiáng)化處理有利于降低磨料磨損、表面疲勞磨損、粘著磨損等的磨損率。影響磨損失效的基本因素②工況參數(shù)
23零件失效形式4腐蝕失效腐蝕是金屬暴露于活性介質(zhì)環(huán)境中而發(fā)生的一種表面損耗,它是金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用的結(jié)果。(1)均勻腐蝕均勻腐蝕是在整個(gè)金屬的表面均勻地發(fā)生。腐蝕均勻性的前提是:被腐蝕的金屬表面具有均勻的化學(xué)成分和顯微組織腐蝕環(huán)境包圍的金屬表面是均勻而且不受限制與障礙的零件失效形式4腐蝕失效腐蝕均勻性的前提是:24腐蝕失效(2)點(diǎn)腐蝕
腐蝕集中于局部,呈尖銳小孔,進(jìn)而向深度擴(kuò)成孔穴甚至穿透(孔蝕)。金屬表面受破壞處和未受破壞處形成“局部電池”,其中受破壞處是陽(yáng)極,未受破壞處是陰極,腐蝕電流由陽(yáng)極流向周?chē)年帢O,陽(yáng)極處很快被腐蝕成小孔。腐蝕失效(2)點(diǎn)腐蝕25腐蝕失效(3)晶間腐蝕腐蝕發(fā)生于晶粒邊界或其近旁。其主要原因是晶界處化學(xué)成分不均勻。腐蝕失效(3)晶間腐蝕26第二節(jié)零件選材的原則及方法選材通常遵循三大原則:(1)使用性能原則:(2)工藝性能原則:(3)經(jīng)濟(jì)性原則:用所選材料制造的零件在使用過(guò)程中具有良好的工作性能。所選材料能夠確保零件便于加工。所選材料能使產(chǎn)品具有較低的總成本。第二節(jié)零件選材的原則及方法選材通常遵循三大原則:用所選材27一、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)該具有的力學(xué)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,則主要是力學(xué)性能。對(duì)一些特殊條件下工作的零件,則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。一、使用性能原則28一、使用性能原則1.零件使用時(shí)的工作條件(1)受力狀況,主要是載荷的類型(例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大小;載荷的形式;載荷的特點(diǎn)等。(2)環(huán)境狀況,主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。(3)特殊要求,如對(duì)導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、比重、外觀等的要求。一、使用性能原則1.零件使用時(shí)的工作條件29一、使用性能原則2.零件根據(jù)使用性能選材的步驟
通過(guò)對(duì)零件工作條件和失效形式的全面分析,確定零件對(duì)使用性能的要求;利用使用性能與實(shí)驗(yàn)室性能的相應(yīng)關(guān)系,將使用性能具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室機(jī)械性能指標(biāo);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。一、使用性能原則2.零件根據(jù)使用性能選材的步驟30幾種常用工作零件、失效形式及所要求的主要力學(xué)性能零件工作條件常見(jiàn)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(guò)量變形,斷裂強(qiáng)度,塑性傳動(dòng)軸彎、扭循環(huán)
沖擊軸頸
摩擦疲勞斷裂,過(guò)量變形,軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動(dòng)齒輪壓、彎循環(huán)
沖擊摩擦
振動(dòng)斷齒,磨損,
疲勞斷裂,接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限,心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎交變
沖擊振動(dòng)彈性失穩(wěn),
疲勞破壞彈性極限,屈強(qiáng)比
,疲勞極限幾種常用工作零件、失效形式及所要求的主要力學(xué)性能零件工作條件31注意事項(xiàng)由于零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù),不能簡(jiǎn)單地同手冊(cè)、書(shū)本中所給出的完全等同相待,還必須注意以下情況: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。注意事項(xiàng)由于零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù),不能簡(jiǎn)單地同手冊(cè)、書(shū)本32二、工藝性能原則材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求,這是選材必須考慮的問(wèn)題。二、工藝性能原則材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求,這是選材33工藝性能金屬材料的加工工藝路線
工藝性能金屬材料的加工工藝路線34金屬材料的工藝性能(1)性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝路線
毛坯正火或退火切削加工零件。(2)性能要求較高的金屬零件選材的工藝路線
毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、回火,固溶時(shí)效或滲碳處理等)精加工零件(3)性能要求較高的精密金屬零件選材的工藝路線
毛坯預(yù)先熱處理(正火、退火)粗加工最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時(shí)效或滲碳)半精加工穩(wěn)定化處理或氮化精加工穩(wěn)定化處理零件。
這類零件除了要求有較高的使用性能外,還要有很高的尺寸精度和表面光潔度。金屬材料的工藝性能(1)性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝35工藝性能高分子材料的工藝路線高分子材料的切削加工性能較好,與金屬基本相同。不過(guò)它的導(dǎo)熱性差,在切削過(guò)程中不易散熱,易使工件溫度急劇升高,使其變焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)工藝性能高分子材料的工藝路線高分子材料的切削加工性能較好,與36工藝性能陶瓷材料的加工工藝路線
陶瓷材料成形后,除了可以用碳化硅或金剛石砂磨加工外,幾乎不能進(jìn)行任何其它加工。工藝性能陶瓷材料的加工工藝路線陶瓷材料成形后,除了可以用碳37三、經(jīng)濟(jì)性原則1.材料的價(jià)格
零件材料的價(jià)格無(wú)疑應(yīng)該盡量低。
材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),在許多工業(yè)部門(mén)中可占產(chǎn)品價(jià)格的30%~70%,因此設(shè)計(jì)人員要十分關(guān)心材料的市場(chǎng)價(jià)格。三、經(jīng)濟(jì)性原則1.材料的價(jià)格
38三、經(jīng)濟(jì)性原則2.零件的總成本
零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。
零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān)。三、經(jīng)濟(jì)性原則2.零件的總成本
39三、經(jīng)濟(jì)性原則3.國(guó)家的資源等因素
隨著工業(yè)的發(fā)展,資源和能源的問(wèn)題日漸突出,選用材料時(shí)必須對(duì)此有所考慮,特別是對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件,所用材料應(yīng)該來(lái)源豐富并顧及我國(guó)資源狀況。
另外,還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗,盡量選用耗能低的材料。三、經(jīng)濟(jì)性原則3.國(guó)家的資源等因素
404、環(huán)境與資源原則
1)減少材料使用量、延長(zhǎng)零件壽命、材料再利用。
2)環(huán)境污染小廢氣排放少材料回收及降解
儲(chǔ)量(106t)可用年數(shù)再生率(%)Fe1×10610931.7
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