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1、本讲稿第一页，共六十五页u常用力学性能指标在选材中的意义u断裂韧度在选材中的意义u零件实物性能试验的重要性u材料强度、塑性与韧性的合理配合u选材方法u典型零件选材及工艺路线本讲稿第二页，共六十五页第一节 常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标强度硬度塑性韧性刚度b、sHBS、HRC、Ak、akE/G本讲稿第三页，共六十五页一、刚度与弹性指标刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。零件刚度设计：零件的最大弹性变形量L或最大扭转角必须小于许用弹性变形量L或扭转角，即：（一）刚度指标（一）刚度指标产品要求产品要求零零件件结结构构在在外外载载作作用用下下的的变变形量形量本讲稿第四页，共六十五页
2、由材料力学知：u 拉压u 弯曲u 扭转外加载荷外加载荷F：外力Mn：扭矩零件尺寸零件尺寸l：零件长度A：截面积t：截面尺寸Ip：极惯性矩材料刚度材料刚度E、G在零件刚度设计时要综合考虑：外载、零件尺寸和材料刚度三个方面的因素。本讲稿第五页，共六十五页例例如如：一根承受弯曲载荷的轴，进行挠曲弹性变形刚度设计，现有钢、铝合金、聚苯乙烯三种材料可供选择。轴的尺寸（l、t）及外载（F）不变时三者的E分别为：21、7、0.35（107）MPa，所以产生的挠曲变形量之比为1：3：60。显然，钢的刚度最大，最合适。在给定变形量和外载的条件下，尺寸最小。本讲稿第六页，共六十五页如果在刚度设计时，还要考虑零件的
3、重量轻，则不能仅比较材料的刚度，还要考虑其密度，必须按比刚度来选材。比刚度与材料的弹性模量、密度及加载方式有关。本讲稿第七页，共六十五页加载方式比刚度比屈服强度比脆断强度拉棒扭转棒或管受弯杆或管受弯板纵向受压板受内压或旋转缸体受内压球体加载方式对比刚度及比强度和比脆断强度的影响加载方式对比刚度及比强度和比脆断强度的影响本讲稿第八页，共六十五页例例如如：飞机机翼的受力状态为平板弯曲，比刚度为E1/3/。钢的E是铝合金三倍；两者的密度分别为7.83和2.7g.cm-3；比刚度分别为0.76和1.5；铝合金的比刚度是钢的2倍，故飞机机翼应选用铝合金材料。本讲稿第九页，共六十五页弹性是指材料的弹性变形
4、的大小。通常用弹性变形时吸收的弹性能（又称弹性比功）u来表示。（二）弹性指标（二）弹性指标应力 应变 esbk本讲稿第十页，共六十五页例例如如：弹弹簧簧，主要功能是起缓冲、减振和传递力的作用，故要求所用材料既要有高的弹性又不能发生塑性变形。虽然降低材料的E有利于提高弹性比功，但E低的塑料、橡胶、低熔点金属等的屈服极限也低。材料的弹性极限越高，弹性模量越低，则弹性能越大，零件的弹性越好。在设计弹性零件时弹性极限和弹性模量是考虑的基本性能指标。本讲稿第十一页，共六十五页工程结构中，弹簧用材料，一般为弹性模量较大、弹性极限及屈服强度较高的材料。如：汽车板簧，选用合金弹簧钢并经淬火中温回火处理得到T回
5、组织，具有高的弹性极限及屈服强度。碳纤维增加复合材料屈服强度高、密度小、质量轻，也是板簧的理想材料，但成本高，目前尚末广泛应用。本讲稿第十二页，共六十五页二、硬度和强度指标二、硬度和强度指标硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标。是工业生产上控制和检查零件质量的最常用、最简便的方法。通常采用以淬火钢球或金刚石压头，用一定的载荷压入材料表面的方法来测量硬度。（一）硬度指标（一）硬度指标本讲稿第十三页，共六十五页u布氏硬度HBS 淬火钢球压头u洛氏硬度HRC 锥角为120的金刚石圆锥体压头u维氏硬度HV 锥角为136的金刚石四棱锥体压头硬度测试方法硬度测试方法本讲稿第十四页，共六十五页硬度与材料
6、的其它力学性能之间有一定的关系。b=kHBS，淬火钢及铝合金1/3，铜及铜合金0.400.55。u通通过过测测量量硬硬度度可可以以间间接接反反映映材材料料的的其其它它力力学学性能。性能。u刃刃具具、冷冷成成型型模模具具和和粘粘着着磨磨损损或或磨磨粒粒磨磨损损条条件件下下服役的零件，其耐磨性能与材料的硬度成正比；服役的零件，其耐磨性能与材料的硬度成正比；u承承受受接接触触疲疲劳劳载载荷荷的的零零件件如如齿齿轮轮、滚滚动动轴轴承承等等，在在一一定定范范围围内内提提高高硬硬度度对对减减轻轻麻麻点点剥剥落落是是有有效效的。的。本讲稿第十五页，共六十五页由于硬度测量非常简便，且基本不损坏零件，所以硬度常
7、作为金属零件的质量检验标准。在一定的处理工艺下，只要硬度达到了规定的要求，其它性能也基本会满足要求。应予以注意的是：同样的硬度可以通过不同的处理工艺得到，所以，在用硬度作为控制材料性能的指标时，必须对处理工艺作出明确的规定。例如：45钢制造车床主轴，要求硬度为220240HBS。调质和正火都可达到要求，但调质处理后综合力学性能好，寿命更高。本讲稿第十六页，共六十五页（二）强度指标（二）强度指标韧性材料脆性材料本讲稿第十七页，共六十五页三、塑性和冲击韧性指标三、塑性和冲击韧性指标塑性指标、是材料产生塑性变形使应力重新分布而减小应力集中的能力的量度。在设计时要求材料达到所要求的、。由于、是在单向拉
8、伸应力状态下材料的塑性，不能表示复杂应力状态下材料的塑性，也不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸等的影响。（一）塑性指标（一）塑性指标本讲稿第十八页，共六十五页冲击韧性指标AK或aK是表征在有缺口时材料塑性变形能力的指标。它反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，且对温度很敏感，因此，在一定程度上弥补了、的不足。在设计中，对于脆断是主要危险的零件，冲击韧性是判断材料脆断抗力的重要性能指标。但是，AK或aK不能直接定量地用于设计，只能凭经验提出对冲击韧性值的要求。（二）冲击韧性指标（二）冲击韧性指标本讲稿第十九页，共六十五页第二节第二节 断裂韧度在选材中的意义断裂韧度在选材中的意义一些高强度钢
9、制造的结构和中低强度钢制造的大型锻件，由于在材料制备和冷、热加工过程中不可避免地会产生一些缺陷和裂纹，严重时将导致发生低应力脆断。经典的设计无法避免低应力脆性断裂。故在这类零件的设计中，选用断裂力学参量-应力强度因子KI作为设计准则：本讲稿第二十页，共六十五页例如：火箭发动机壳体是用高强度薄钢板焊接制成的，工作应力1200MPa。v为了减轻自重，应选择高强度材料；v为防止强度不足，安全系数k取1.5，则应选用s1800MPa的超高强度钢。v但是，壳体在打压试验时，在应力远低于工作应力的情况下发生爆裂。v依据经典的设计思想，认为安全系数太小，于是加大安全系数，选用强度更高的超高强钢，但是发生爆裂
10、的应力更低。本讲稿第二十一页，共六十五页v经断口分析表明，断裂是从焊缝中微小半椭圆形裂纹处开始的，根据断裂力学计算，平板表面半椭圆形裂纹前沿的应力强度因子为：如果a=1.5mm，则KI67MPa.m1/2，故壳体材料应选择KIC为68MPa.m1/2以上的材料，才能防止脆断。本讲稿第二十二页，共六十五页选择屈服强度1800MPa的超高强钢，其KIC约为5060MPa.m1/2，即KIKIC，故会产生脆断。若提高安全系数，选用强度更高的材料，则其KIC更低，所以，在更低的应力下就会产生脆断。相反，降低安全系数k=1.1，则可选择屈服强度为1300MPa左右的钢，其KIC达到93MPa.m1/2左
11、右，此时，KIKIC，故结构是安全的。而且成本大大降低。本讲稿第二十三页，共六十五页由于结构设计和加工工艺对材料的性能有显著影响，所以材料的实验室性能和真实零件的性能有时会有很大的差异。第三节第三节 零件实物性能试验的重要性零件实物性能试验的重要性一、结构设计对性能的影响在零件结构设计上的尖角、油孔、过小的过渡圆角等不合理的设计，会在这些地方产生应力集中，便零件的性能低于实验室小试样的性能。本讲稿第二十四页，共六十五页正火正火45钢试样、轴、压配合轴弯曲疲劳极限钢试样、轴、压配合轴弯曲疲劳极限试 件光滑试样未压配合的轴压配合的轴光滑轴开卸载槽轴光滑轴开卸载槽轴弯曲疲劳极限MPa28024024
12、091155本讲稿第二十五页，共六十五页加工工艺不良产生的缺陷，如锻造、热处理、焊接产生的过热、过烧、氧化、脱碳、裂纹，机加工产生的刀痕及磨削裂纹等，都会使零件的性能下降。二、加工工艺对性能的影响试 样光滑试验半轴未脱碳脱碳未脱碳脱碳弯曲疲劳极限MPa54624542049091102调质调质40Cr钢试样、汽车半轴弯曲疲劳强度钢试样、汽车半轴弯曲疲劳强度模锻模锻 引引起脱碳起脱碳本讲稿第二十六页，共六十五页v经典的零件设计方法v首先是以材料的强度指标b、s或-1为依据进行强度计算；v然后再考虑零件在油孔、键槽、尖角等处有应力集中和工作时会遇到难以预料的过载或偶然的冲击等情况，再凭经验对材料的
13、塑性、韧性提出一定的要求。第四节第四节 材料强度、塑性与韧性的合理配合材料强度、塑性与韧性的合理配合本讲稿第二十七页，共六十五页通常，材料的强度与塑性、韧性是相互矛盾的。v为确保安全，通常规定较高的塑性和冲击韧性，而牺牲强度。导致零件笨重；v或者选用强度和塑性、韧性都很好的高级合金钢或其它高级材料，致使零件成本增加，浪费材料。v有时过高的塑韧性未必能保证零件的安全可靠，因为大多数机件的断裂是由高周疲劳引起的，因强度不足发生早期疲劳断裂时，往往材料的塑韧性还有余。本讲稿第二十八页，共六十五页例例如如：柴油机的曲轴、连杆和万能铣床的主轴。过去为追求高的塑韧性，选用45钢调质处理，以获得优良的综合力
14、学性能，但失效分析表明：这类零件的断裂方式大多为疲劳断裂，不必追求高的塑韧性。现改用球墨铸铁制造，完全可满足性能的要求，简化了加工工序，降低了成本。本讲稿第二十九页，共六十五页材料的强度、塑性、韧性必须合理配合材料的强度、塑性、韧性必须合理配合v以高周疲劳断裂为主的零件，b 1400MPa的材料，对缺口、表面加工质量、热加工缺陷、冶金质量等都很敏感，强度增加，疲劳寿命反而会降低。v以低应力脆断为主要危险的零件，如中低强度钢制造的汽轮机转子、发电机转子、大型轧辊、低温或高压化工容器以及高强度钢制造的火箭发动机壳体等，材料的韧性比强度更重要。这类零件应用KIC来设计和选材，适当增加的塑韧性，牺牲强
15、度是有利的。本讲稿第三十一页，共六十五页在工程结构和机械零件设计与制造中，合理选择材料是十分重要的。选材基本原则：材料的使用性能、工艺性能、经济性。第五节第五节 选材方法选材方法一、根据材料的使用性能选材使用性能是材料在零件工作（使用）过程中所应具备的性能（力学性能、物理性能、化学性能），是选材的主要依据。不同零件要求不同的使用性能。本讲稿第三十二页，共六十五页选材时，首先必须准确判断零件所要求的使用性能，然后再确定所选材料的主要性能指标及具体数值并进行选材。依据使用性能选材的具体方法依据使用性能选材的具体方法1.分析零件的工作条件，确定作用性能分析零件的工作条件，确定作用性能受力分析；工作环
16、境；特殊性能要求；在此基础上确定零件的使用性能。本讲稿第三十三页，共六十五页2.失效分析，确定零件的主要使用性能失效分析，确定零件的主要使用性能失效分析的目的是：找出产生失效的主导因素，为较准确的确定零件主要使用性能提供经过实践检验的可靠依据。零件失效方式多种多样，根据零件承受载荷的类型和外界条件及失效的特点，可将失效分为三大类：过量变形、断裂、表面损伤。本讲稿第三十四页，共六十五页零件失效方式过量变形表面损伤断裂韧性断裂脆性断裂低应力脆断疲劳断裂蠕变断裂应力腐蚀断裂过量弹性变形过量塑性变形磨损接触疲劳腐蚀本讲稿第三十五页，共六十五页1)收集失效零件的残骸并拍照记录失效实况，找出失效的发源部位
17、或能反映失效性质或特点的地方，然后在该部位取样。2)详细查询并记录、整理失效零件的有关资料，从设计、加工、使用等方面进行全面分析。3)试样宏观及微观断口分析，以及必要的金相分析，确定失效发源地及失效方式。失效分析基本步骤：失效分析基本步骤：本讲稿第三十六页，共六十五页4)试样成分、组织及性能分析测试。5)对于重要、关键的零部件进行断裂力学计算，以确定失效的原因。6)综合各方面资料，判断和确定失效的具体原因，提出改进措施，写出报告。3.从零件使用性能要求提出材料性能要求从零件使用性能要求提出材料性能要求在零件工作条件和失效方式分析的基础上，明确了零件的使用性能要求，通过分析、计算转化为一些可测量
18、的实验室性能和具体数值。本讲稿第三十七页，共六十五页查找手册中各类材料的性能数据和大致应用范围进行选材。（根据常规力学性能指标）对于高温和腐蚀介质中工作的零件还要示材料具有优良的抗氧化性和耐蚀性。对于有特殊性能要求的零件应根据材料的物理、化学性能进行选材。如电性能、磁性能、热性能等。本讲稿第三十八页，共六十五页材料的工艺性能指材料加工的难易程度。所选材料应具有好的工艺性能，即工艺简单、加工成形容易、能耗少、材料利用率高、产品质量好。材料的工艺性能与加工工艺路线有关。陶瓷、高分子、金属材料的工艺性能各不相同。二、根据材料的工艺性能选材本讲稿第三十九页，共六十五页（一）陶瓷的工艺性能（一）陶瓷的工
19、艺性能陶瓷零件的加工工艺路线：备料成形加工（配料、成型、烧结）零件热处理磨加工本讲稿第四十页，共六十五页陶瓷的加工工艺路线简单，工艺性能要求不高。可根据零件形状、尺寸精度和性能要求采用不同的成形方法。陶瓷材料的切削加工性能差，除氮化硼陶瓷外，不能进行切削加工，只能用碳化硅或金刚石砂轮磨削加工。本讲稿第四十一页，共六十五页（二）高分子材料的工艺性能（二）高分子材料的工艺性能高分子材料零件的加工工艺路线：备料成型加工热 压注 射热挤压喷 射真 空成型机械加工零件热处理、焊接本讲稿第四十二页，共六十五页高分子材料零件的加工工艺路线也比较简单，对材料的工艺性能要求不高。切削加工性能好，与金属基本相同，
20、但导热性差，在切削加工过程中易使工件软化（热塑性塑料）或烧焦（热固性塑料）。本讲稿第四十三页，共六十五页（三）金属材料的工艺性能（三）金属材料的工艺性能金属材料零件的加工工艺路线，按零件的形状及性能要求有不同的工艺路线。1)性能要求不高的一般零件（铸件、碳钢件）备料毛坏成形加工（铸造或锻造）热处理（正火或退火）零件本讲稿第四十四页，共六十五页2)性能要求较高的零件（合金钢、高强铝合金）备料毛坏成形加工（铸造或锻造）热处理（正火或退火）粗加工热处理淬火回火固溶时效表面热处理精加工零件本讲稿第四十五页，共六十五页3)性能要求高的精密零件（精密丝杠等）备料热处理（正火或退火）粗加工热处理淬火回火固溶
21、时效精加工精磨表面化学处理渗碳渗氮稳定化处理稳定化处理零件本讲稿第四十六页，共六十五页1)铸造性能 适应于铸造的性能，主要指流动性、收缩、偏析、吸气性等；2)压力加工性能 指冷、热加工时的塑性和变形抗力及可热加工的温度范围，抗氧化性和加热冷却要求等；3)机械加工性能 主要指切削加工性、磨削加工性等；4)焊接性 主要指焊接区形成或热裂及气孔的倾向；5)热处理工艺性能 主要指加热温度范围、氧化和脱碳倾向、淬透性、变形开裂倾向等。金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能本讲稿第四十七页，共六十五页在满足使用性能的前提下，经济性也是选材要考虑的重要因素。经济性不只是指选用材料的价格便宜，更重要的是使生产零
22、件的总成本降低。但有时选用性能好的材料，虽然价格高，但因零件自重轻，使用寿命延长，维修费用降低，反而是经济的。三、根据材料的经济性选材本讲稿第四十八页，共六十五页金属、陶瓷及高分子材料是三类最主要的工程材料，从性能上说，各有其优劣。第六节第六节 典型零件选材及工艺路线典型零件选材及工艺路线u高分子材料的强度、刚度、韧性低，一般不能用作重要的机器零件，但其弹性好、减振性及耐磨性或减摩性好、密度小，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、密封垫圈、轮胎等。本讲稿第四十九页，共六十五页u陶瓷材料硬而脆，也不能制作重要的受力构件，但其具有好的热硬性和化学稳定性，可用于制作高温下工作
23、的零件和耐磨、耐蚀零件，如切削刀具、燃烧器喷嘴、石油化工容器等。u金属材料具有优良的综合力学性能，其强度、塑性、韧性好，可用于制作重要的机器零件和工程结构，是机械工程中使用最广的材料，尤其是钢铁材料。本讲稿第五十页，共六十五页u复合材料具有最优良的性能，但由于价格昂贵，一般机械工业中很少应用。复合材料主要用于航空、航天、船舶等国防工业领域，作为重要结构件材料。本讲稿第五十一页，共六十五页n齿轮的功能传递扭矩变速改变传力的方向一、齿轮（一）工作条件、失效方式及性能要求（一）工作条件、失效方式及性能要求本讲稿第五十二页，共六十五页 传递扭矩时齿根承受较大的交变弯曲应力；齿啮合时齿面承受较大的接触压
24、应力并受强烈的摩擦和磨损；换挡、启动、制动或啮合不均匀时承受一定的冲击力。n 工作条件n 失效方式u齿的折断（疲劳断裂、冲击过载断裂）u齿面损伤（接触疲劳麻点、过渡磨损）本讲稿第五十三页，共六十五页 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿疲劳断裂；高的齿心强度和韧性，防止轮齿过载断裂；高的齿面接触疲劳强度和高的硬度及耐磨性，防止齿面损伤；较好的工艺性能，如切削加工性，热处理变形小或变形有一定规律，过热倾向小，有一定淬透性等。性能要求：性能要求：本讲稿第五十四页，共六十五页机床齿轮工作平稳，无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮强度和韧性的要求不高。材料：40或45钢热处理：正火或调质处理后再经高频感应加热
25、表面淬火，齿面硬度可达52HRC，齿心硬度为220250HBS，能够满足性能要求。（二）选材及热处理（二）选材及热处理1、机床齿轮、机床齿轮本讲稿第五十五页，共六十五页性能要求较高的机床齿轮可选用中碳低合金钢40Cr、40MnB、45Mn2制造，齿面硬度可提高至58HRC，心部强度和韧性也有提高。机床齿轮的加工工艺路线：下料锻造正火粗加工调质半精加工高频感应表面淬火低温回火精磨成品本讲稿第五十六页，共六十五页正火：使组织均匀化，消除锻造应力，调整硬度改善切削加工性。调质：使齿轮具有较高的综合力学性能，提高齿心的强度和韧性使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击载荷，并减小淬火变形；高频感应加热表面淬火
26、：提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高齿面接触疲劳强度；低温回火：在不降低表面硬度的情况下，消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，提高轮齿抗冲击能力。本讲稿第五十七页，共六十五页工作条件比机床齿轮恶劣，受力较大，超载与启动、制动和变速时受冲击频繁，对耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、心部强度和韧性等要求均较高。材料：渗碳钢热处理：渗碳、淬火性能：表面硬度5862HRC，心部3545HRC2、汽车、拖拉机齿轮、汽车、拖拉机齿轮本讲稿第五十八页，共六十五页汽车、拖拉机齿轮的加工工艺路线：下料锻造正火机械加工渗碳、淬火低温回火磨加工成品喷丸本讲稿第五十九页，共六十五页正火：使组织均匀化，消除锻造应力，调整硬度
27、改善切削加工性。渗碳：提高齿轮面碳的质量分数（0.81.05）；淬火：提高齿面硬度并获得一定淬硬层深度（0.81.3mm），提高耐磨性和齿面接触疲劳强度；低温回火：消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，提高轮齿抗冲击能力；喷丸：提高齿面硬度约13HRC，增加表面残余压应力，提高接触疲劳强度。本讲稿第六十页，共六十五页轴的功能：支承传动零件并传递扭矩。工作条件：承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷 或拉-压载荷；局部（轴颈、花键等处）承受摩擦和磨损；特殊条件下受温度或介质作用。失效方式：疲劳断裂和轴颈处磨损，有时发生冲击过载断裂，及塑性变形或腐蚀失效。二、轴（一）工作条件、失效方式及性能要求（一）工作条件、
28、失效方式及性能要求本讲稿第六十一页，共六十五页 高疲劳强度，防止轴疲劳断裂；优良综合力学性能，防止塑性变形及过载或冲击载荷余下下的折断和扭断；局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损失效；在特殊条件下工作的轴，材料应具有特殊性能（蠕变、耐蚀）。性能要求：性能要求：本讲稿第六十二页，共六十五页机床主轴承受中等扭转-弯曲复合载荷，转速中等并承受一定冲击载荷。材料：45钢热处理：调质处理后轴颈及锥孔处再进行表面淬火。载荷较大的轴可选用40Cr制造。（二）选材及热处理（二）选材及热处理机床主轴机床主轴本讲稿第六十三页，共六十五页机床主轴的加工工艺路线：下料锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火低温回火精磨成品本讲稿第六十四页，共六十五页正火：使组织均匀化，消除锻造应力，细化晶粒，调整硬度改善切削加工性。调质：获得较高的综合力学性能和疲劳强度；表面淬火：提高表面硬度和耐磨性，提高接触疲劳强度；低温回火：在不降低表面硬度的情况下，消除淬火应力，提高抗冲击能力。本讲稿第六十五页，共六十五页