第十二章 工程材料的合理選用

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(jī)械零件的工作條件要求、使機(jī)器經(jīng)久耐用，同時還要兼顧材料的加工工藝性能、經(jīng)濟(jì)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(dá)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)重事故。因此，對零件失效進(jìn)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(jìn)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(jī)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

(一)滿足使用性能

1、分析零件的工作條件

工作條件是指受力形式(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)或彎扭復(fù)合等)、載荷性質(zhì)(靜載、動載、沖擊、載荷分布等)、受摩擦磨損情況；工作環(huán)境條件(如環(huán)境介質(zhì)、工作溫度等)；以及導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特殊要求。

2、判斷主要失效形式

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(jìn)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(jìn)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、合理選用材料的力學(xué)性能指標(biāo)

(1)正確運用材料的強(qiáng)度、塑性、韌性等指標(biāo)

一般情況下，材料的強(qiáng)度越高，其塑性、韌性越低。通常狀況下以強(qiáng)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。

(2)巧用硬度與強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)間的關(guān)系

4、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)視具體條件而定，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、根據(jù)使用性能選材時應(yīng)注意的問題

(1)特別注意性能數(shù)據(jù)的可靠性和使用范圍

(2)充分考慮材料的尺寸效應(yīng)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，稱為尺寸效應(yīng)。

(3)零件的力學(xué)性能指標(biāo)受預(yù)期壽命的影響壽命越長，要求的指標(biāo)越高，零件的生產(chǎn)和使用成本也會越高，所以要辯證處理制造成本與壽命的關(guān)系。

(4)工作環(huán)境對不同材料組織和性能的影響如工程塑料、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；第二節(jié)選材的原則、方法與步驟(二)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、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，陶瓷材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能差；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。第二節(jié)選材的原則、方法與步驟(三)充分考慮經(jīng)濟(jì)性

1、盡量降低材料及其加工成本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，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。

2、用非金屬材料代替金屬材料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(kuò)大，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，又可降低制造成本和使用維護(hù)費用。

3、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

1、選材的方法

(1)以綜合力學(xué)性能為主時的選材當(dāng)零件工作中承受沖擊載荷或循環(huán)載荷時，其失效形式主要是過量變形與疲勞斷裂，因此，要求材料具有較高的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、塑性與韌性，即要求有較好的綜合力學(xué)性能。

(2)以疲勞強(qiáng)度為主時的選材

(3)以耐磨性為主時的選材

(4)摩擦較大

(5)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、選材的步驟

(1)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），以此作為選材的依據(jù)。

(2)對同類或相近零件的用材情況進(jìn)行調(diào)查研究，可從其使用性能、材料供應(yīng)、材料價格、加工工藝性能等方面進(jìn)行綜合分析以供參考，擬定較為合理的選材方案。(3)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)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)針對具體情況，合理選材。(5)根據(jù)所選材料及使用性能要求，確定