CH11-典型零件的選材示例-第17講-2009-6-30

選材的動機首次開發(fā)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品、新零件或新裝置；現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代；零件過早失效甚至災(zāi)難性事故發(fā)生后，需改變用材。第11章典型零件選材11.1材料選用原那么11.2材料選用方法11.3典型零件選材及工藝分析11.1材料選用原那么〔一〕使用性能原那么——首要原那么〔二〕工藝性能原那么〔三〕經(jīng)濟(jì)性原那么——〔四〕環(huán)境與資源原那么根本原那么11.2材料選用方法〔一〕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、失效形式以及供給情況〕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．對假設(shè)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到達(dá)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?！捕尺x擇材料的定量方法簡介〔了解〕1．固定效果選材法──單位性質(zhì)本錢法在選擇材料最簡單的情況下，一種材料性能被突出地作為最關(guān)鍵的工作要求。在這種情況下，可以估算不同的材料到達(dá)這種要求〔固定效果〕所需的本錢。[實例]:單軸拉伸的實心圓柱零件選材分析等強度判據(jù)分析等剛度判據(jù)分析截面尺寸D

相對成本RC

，

：備選材料：1、Q235〔σS1=235MN∕m2，相對本錢p1=1〕2、低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn〔σS2=350MN∕m2，相對本錢p2=1.25〕，E1≈E2≈200000MN∕m2。在等剛度判據(jù)下，根據(jù)式8.9RCE=P2/P1應(yīng)選擇本錢較低的Q235。這是因為構(gòu)件的剛度主要取決與它的承載面積及材料的彈性模量，盲目選擇高強度的低合金鋼只會使本錢增加。假設(shè)采用等強度判據(jù)，由于16Mn的屈服強度高于Q235，那么構(gòu)件的承載面積可減少，從而節(jié)約鋼材用量，但是否經(jīng)濟(jì)，要取決于計算結(jié)果，應(yīng)選擇16Mn。2．加權(quán)性質(zhì)法加權(quán)性質(zhì)法可用于評價各種材料和各種性能的復(fù)雜組合。材料性能的數(shù)值乘加權(quán)因子〔a〕得到加權(quán)后的性質(zhì)值，然后把每種材料單個的加權(quán)性質(zhì)值相加，得出比照材料的性能指數(shù)〔g〕，g值最高的材料被認(rèn)為是最好的材料。[例]：以下表格列出了可用作飛機機翼的幾種材料。材料

[σS∕ρ]MPa/(t﹒m-3)

[KIC2∕σS2]mm[E1∕3∕ρ]GPa1∕3/(t﹒m-3)

相對成本q鋁合金I13016.51.501.18鋁合金II2042.11.501.40鈦合金1964.61.068.00不銹鋼11512.30.751.001、幾種飛機機翼材料的性能2、幾種機翼備選材料性能的定標(biāo)值及性能指數(shù)材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4相對成本g

a1,2,3,4=1A1,,2,3=10，a,4=1鋁合金I64100100853492725鋁合金II10013100822952217鈦合金96277101941940不銹鋼567550872681897注：b4=(1―qi/qmax〕×100由于機翼在飛行時必須承受整個飛機的重量，因此機翼承受的應(yīng)力最高，應(yīng)力變化也最復(fù)雜，其要求的最主要性能為：σS∕ρ、E1∕3∕ρ、KIC。如認(rèn)為各性能都是同等重要的，a1，2，3，4=1，那么選擇傾向于鋁合金I，鋁合金II次之，鈦合金排在最后。事實上即使是民用客機，其平安性也是極其重要的，并直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的商業(yè)利益，因此應(yīng)適當(dāng)降低本錢的加權(quán)系數(shù)，a1，2，3=10，a4=1，選材仍傾向于鋁合金，鈦合金先于低價材料不銹鋼。材料的實際應(yīng)用狀況也正是這樣，目前鋁合金一直占據(jù)著制造民用飛機機翼的最主要材料的地位。分析：對于高速軍用飛機而言，本錢往往并不是最重要的因素。鈦合金適用于高速高載荷的情況。故引入工作溫度極限并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整加權(quán)系數(shù)進(jìn)行選材，a1=10，a2，3，4=5，a5=1。顯然，重新分析的結(jié)果傾向于選擇鈦合金，鋁合金I次之見表5事實上鈦合金確曾用作旋風(fēng)、美洲豹、鷂式及美YF12戰(zhàn)斗機的框架和蒙皮材料。然而3、飛行速度與飛機蒙皮外表飽和溫度馬赫數(shù)2.02.53.03.54.0表面飽和溫度1001502003003704、備選材料的工作溫度極限

材料鋁合金I鋁合金II鈦合金不銹鋼溫度極限(℃)150150≈400≥4005、軍用高速飛機機翼備選材料性能的定標(biāo)值及性能指數(shù)

材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4溫度極限b

5相對成本g

a1=10a2,3,4=5,a4=1鋁合金I6410010038851915鋁合金II1001310038821837鈦合金96277110001950不銹鋼56755010087177211.3典型零件選材及工藝分析〔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)力疲勞斷裂高彎曲疲勞強度齒面接觸壓應(yīng)力、滑動摩擦表面損傷高接觸疲勞強度和耐磨性輪齒沖擊過載斷裂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(guān)的常數(shù)

Sc=0.2(HV/100)2Sc：接觸疲勞強度HV：齒面維氏硬度

A、齒心強度和硬度，

如重載齒輪要求心部淬硬。B、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。

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、沖擊大

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〕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(yīng)用MC尼龍

強度高，拉伸強度可達(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，耐熱性高于有機玻璃

儀表中的小模數(shù)齒輪。解放牌載重汽車變速箱齒輪實例：性能要求：1、外表高耐磨性及疲勞極限；2、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820850℃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(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力疲勞斷裂較高強度與較好韌、塑性配合軸頸摩擦磨損較高疲勞抗力沖擊過載或沖擊斷裂軸頸耐磨性2、選材速度載荷沖擊磨損

大

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

主要使用