第十章材料的选择优秀PPT.ppt

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1、第十章材料的选择第一页，本课件共有40页第一节失 效 分 析一、失效概念 失效是指零件在使用过程中，由于尺寸形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。一般在以下三种情况下认为失效：零件完全不能工作；零件虽能工作，但已不能完成指定的功能；零件有严重的损伤而不能继续安全使用。失效有达到预定寿命的失效，有远低于寿命的不正常失效。不论何种失效都是在外界因素的作用下造成的损害。n机械工程材料机械工程材料第二页，本课件共有40页二.失效形式一般零件失效形式有：断裂失效：包括静载荷或冲击载荷断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。磨损失效：包括过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等。变形失效：包括过量的弹性变形

2、或塑性变形（整体或部分）、高温蠕变等。对工程构件因腐蚀而影响使用的也是失效。n机械工程材料机械工程材料第三页，本课件共有40页机械零件失效的主要形式机械零件失效的主要形式第四页，本课件共有40页三.失效的原因引起失效的因素很多，有设计、材料选择与使用、加工制造、装配、使用保养等。设计中结构的合理性、安全系数的选择都会造成失效。材料的选用、材料的质量也是失效的重要原因。加工过程中产生的应力集中、加工缺陷等，使用过程中的保养、维修不当都是造成失效的原因。n机械工程材料机械工程材料第五页，本课件共有40页n机械工程材料机械工程材料几种零件几种零件(工具工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能工作条件

3、、失效形式及要求的力学性能第六页，本课件共有40页导致机械零件失效的主要原因导致机械零件失效的主要原因第七页，本课件共有40页失效分析的基本环节示意图失效分析的基本环节示意图第八页，本课件共有40页第二节选 材 原 则(一)使用性能原则使用性能原则-首要原则 使用性能是材料在零件工作过程中所应具备的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能等。是选材最主要的依据。n机械工程材料机械工程材料第九页，本课件共有40页（一）分析零件的工作条件，确定使用性能工作条件分析：1.零件的受力情况，如载荷类型（静载、交变载荷、冲击载荷）、载荷形式（拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲）、载荷大小及分布情况（均匀分布或有较

4、大的局部应力集中）。2.零件的工作环境（温度和介质）；3.零件的特殊性能要求，如电性能、磁性能、热性能、密度、颜色等。n机械工程材料机械工程材料第十页，本课件共有40页（二）进行失效分析。确定零件的主要性能根据零件承受载荷的类型和外界条件及失效的特点，分析可能出现的失效形式，找出产生失效的主导因素，为较准确确定零件主要使用性能提供依据。n机械工程材料机械工程材料第十一页，本课件共有40页零件 工作条件 常用失效形式 性能要求 应力种类 载荷性质 受载状态 螺栓 拉、剪 静载 过量变形，断裂 强度，塑性 传动轴 弯、扭 循环，冲击 轴颈摩擦 疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损 综合力学性能 传动齿轮

5、压、弯 循环，冲击 摩擦，振动 断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳 表面高强度及疲劳极限，心部强度及韧性 弹簧 扭、弯 交变，冲击 振动 弹性失稳，疲劳破坏 弹性极限，屈强比，疲劳极限 第十二页，本课件共有40页（三）从零件使用性能要求提出对材料性能（力学、物理、化学性能）的要求通过对工作条件和失效形式的分析，明确了零件的使用性能，把使用性能的要求，经分析计算转化成量化的指标和具体数值。在按这些数值从手册上查找材料的指标和大致应用范围，进行选用。在利用具体性能指标进行选材时，必须注意在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限实验室指标、手册性能数据、经验关系式

6、的局限性。性。第十三页，本课件共有40页需注意的问题：1.材料的尺寸效应2.零件的结构形状对性能的影响 零件的结构效率：指零件承受的载荷与其质量之比。由于实际设计过程中采用的主要性能指标不同，结构效率可表达为性能与质量之比。如刚度与质量密度之比为比刚度；强度与质量密度之比为比强度。这两者还取决于加载方式。结构效率对要求减轻自重的零件设计非常重要。n机械工程材料机械工程材料第十四页，本课件共有40页热处理条件 毛坯尺寸mm b/MPa/%Ak/J 850淬火 5 30 800 750 16 15 120 80 500回火 50 100 700 600 15 13 56 40 中碳钢中碳钢(0.4

7、%C)不同尺寸毛坯的力学性能不同尺寸毛坯的力学性能第十五页，本课件共有40页（二）工艺性能原则：材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。原则是：工艺简单、加工成型容易，能源消耗少、材料利用率高，产品质量好（变形小、尺寸精度高、表面光洁、组织均匀致密）。零件对所选材料的工艺性能要求与制造工艺路线有关。（一）金属材料的工艺性能1.铸造性能主要是指流动性、收缩、偏析、吸气性等。n机械工程材料机械工程材料第十六页，本课件共有40页 金属零件的加工工艺路线金属零件的加工工艺路线第十七页，本课件共有40页2.压力加工性能主要指冷热压力加工时的塑性和变形抗力及温度范围、抗氧化性和加热、冷却性要求等。3.焊接性

8、能钢铁材料的焊接性能随碳和合金元素含量的提高而变差。主要指焊缝区形成冷裂或热裂及气孔的倾向。4.机械加工性能：主要指切削加工性、磨削加工性等。材料的硬度越高，加工硬化能力越强，切削性能越差。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，是否可热处理强化。n机械工程材料机械工程材料第十八页，本课件共有40页（二）高分子材料的工艺性能工艺简单，主要是成型工艺加工，又以模具成型为主。方法有注射成型、吹塑成型、挤压成型等。也可进行切削加工、焊接与热处理，但受其导热性能的影响。（三）陶瓷材料的工艺性能由于其硬而脆且导热性较差，其制品的工艺较简单。主要是成型工艺。成型工艺主

9、要有粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型等。切削性能极差。n机械工程材料机械工程材料第十九页，本课件共有40页高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线第二十页，本课件共有40页工 艺 适用材料 形 状 表面光洁度 尺寸精度 模具费用 生产率 热压成形 范围较广 复杂形状 很好 好 高 中等 喷射成形 热塑性塑料 复杂形状 很好 非常好 很高 高 热挤成形 热塑性塑料 棒类 好 一般 低 高 真空成形 热塑性塑料 棒类 一般 一般 低 低 高分子材料主要成形工艺特点高分子材料主要成形工艺特点第二十一页，本课件共有40页陶瓷材料成形工艺的比较

10、陶瓷材料成形工艺的比较工 艺 优 点 缺 点 粉浆成形 可做形状复杂件、薄壁件，成本低 收缩大，尺寸精度低，生产率低 压制成形 可做形状复杂件，有高密度和高强度，精度较高 设备较复杂，成本高 挤压成形 成本低，生产率高 不能做薄壁件，形状要对称 可塑成形 尺寸精度高，可做形状复杂件 成本高 第二十二页，本课件共有40页（三）经济性原则根本原则 材料的经济性包括：产品的价值分析、成本分析经济性选材的基本原则：在保证产品使用性能的前提下，尽量选用价格便宜的材料。零件选用的材料必须保证生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。n机械工程材料机

11、械工程材料第二十三页，本课件共有40页材 料 相对价格 材 料 相对价格 普通碳素结构钢 1 铬不锈钢 5 优质碳素结构钢 1.31.5 铬镍不锈钢 15 合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.72.5 灰口铸铁 1.4 铬镍合金结构钢（中合金钢）5 铸造铝合金、铜合金 810 滚珠轴承钢 3 普通黄铜 1317 低合金工具钢 34 锡青铜、铝青铜 19 高速钢 1620 钛合金 5080 硬质合金 150200（工程塑料）515 第二十四页，本课件共有40页（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则1.能源和资源消耗少石油 天然气 煤 铀 可开采储量 9970亿桶 138万亿m3 1039272亿

12、吨 200万吨 可开采年限 45.5年 64年 219年 74年 主要产地及储量比例 中东66.4%独联体、中东70%美、苏、中、澳 70%第二十五页，本课件共有40页储量（106t）可用年数 再生率(%)Fe 1106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51 重重要要金金属属的的世世界界储储量量第二十六页，本课件共有40页2.环境污染小环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产使用废弃的全过程中具有与环境的协调性，充分降低

13、对环境造成的负荷。采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺，选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷，选择以再生资源为原料的材料。第二十七页，本课件共有40页选材的一般程序1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺

14、性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。第二十八页，本课件共有40页（一）齿轮类零件：1.性能要求：工作条件 失效形式 性能要求 齿根交变弯曲应力齿面接触压应力、滑动摩擦轮齿冲击 疲劳断裂表面损伤过载断裂 高弯曲疲劳强度高接触疲劳强度和耐磨性较高强度及冲击韧性 2.选材依据：弯曲疲劳强度 接触疲劳强度 其他 S SB B=k=k（HVHV）m mSB弯曲疲劳强度HV齿面维氏硬度k、m材料有关的常数 S Sc c=0.2(HV/100)=0.2(HV/100)2 2Sc接触疲劳强度HV齿面维氏硬度 齿心强度和硬度 如重载齿轮要求心部淬硬硬化层深度应为模数的15%-20%如疲

15、劳断裂取上限，表面损伤取下限。第二十九页，本课件共有40页3.选材（1）钢：可应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材。速度、载荷、冲击钢种类别 热处理工艺 中碳钢 调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火 合金调质钢 调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火 合金渗碳钢 渗碳+淬火+低温回火 第三十页，本课件共有40页（2）高分子材料：重量轻，摩擦系数小，减振性强、噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。如夹布层压热固性树脂等。名称 特性 应用 MC尼龙 强度高，拉伸强度可达90Mpa以上，减摩耐磨性优于其它尼龙。大型铸件，如大型齿轮 聚碳酸酯 突出的抗蠕变性和冲击韧性，脆化温

16、度为-100，成型精度高，透明，耐热性高于有机玻璃 仪表中的小模数齿轮 第三十一页，本课件共有40页序号序号 齿轮工作条件齿轮工作条件 钢种钢种 热处理工艺热处理工艺 硬度要求硬度要求 1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 15渗碳直接淬火法或一次淬火法（780水淬、180回火）5863HRC2低速（0.1m/s）低载荷下工作的不重要变速箱齿轮和挂轮架齿轮 45840860正火 156217HBS3低速（1m/s）低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）45调质（820840水 淬+500 550回火）200250 HBS4中速、中载荷或大载荷下工作的齿轮（如车床变速箱中的次要齿轮）45高频加

17、热、水淬，300340回火 4550 HRC5速度较大或中等载荷下工作的齿轮，齿部硬度较高（如钻床变速箱中次要齿轮）45高频加热、水淬，240280回火 5055 HRC第三十二页，本课件共有40页6高速、中等载荷，断面较大齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）45高频加热、水淬，180200回火 5460 HRC7速度不大，中等载荷，断面较大的齿轮（如铣床工作面变速箱齿轮、立车齿轮）40Cr，45MnB，42SiMn调质（840860油淬、600650回火）200230 HBS8中等速度（24m/s）、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮 40Cr，42SiMn调质后高频加热、乳化液淬火，26030

18、0回火 5055 HRC9高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮 40Cr，42SiMn调质后高频加热、乳化液淬火，180200回火 5560 HRC10高速、中载荷、受冲击、模数5齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床电动机齿轮）20Cr，20Mn2B渗碳、直接淬火，或一次淬火（810油淬、180回火）5863 HRC11高速、重载、受冲击、模数6齿轮（如立车上的重要齿轮）20CrMnTi，20SiMnVB渗碳、直接淬火法（预冷至840油淬、180回火）5863 HRC第三十三页，本课件共有40页12高速、重载、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮 38CrMoAlA，38CrAl正火或调质后510550

19、氮化 850HV以上 13在不高载荷下工作的大型齿轮 50Mn2，65Mn820840空冷 240HBS14传动精度高、要求具有一定耐磨性的大齿轮 35CrMo860空冷，600650回火（热处理后精切齿形）255305 HBS第三十四页，本课件共有40页1.实例：解放牌载重汽车变速箱齿轮 性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧性（b1000MN/m2，ak60J/cm2）。选材：渗碳钢-20CrMnTi（淬透性：油淬30-40mm；渗碳淬火后b1100MN/m2，ak60J/cm2）热处理工艺：900950渗碳-820850油淬-180200低温回火第三十五页，本课件共有40页(

20、二)轴类零件：1.性能要求：工作条件（传动）失效形式 性能要求 交变扭转、旋转弯曲应力轴颈摩擦冲击 疲劳断裂磨损过载或冲击断裂 较高强度与较好韧、塑性配合较高疲劳抗力轴颈耐磨性 第三十六页，本课件共有40页速度载荷冲击磨损 钢种类别 热处理工艺 中碳钢 调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火 合金调质钢 调质处理（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火 合金渗碳钢 渗碳+淬火+低温回火 2.选材：第三十七页，本课件共有40页序号序号工作条件工作条件材材 料料热处理热处理硬硬 度度原原 因因使用实例使用实例11.与滚动轴承配合2.轻、中载荷、转速低3.精度要求不高4.稍有冲击，疲劳忽略不记

21、45正火或调质200250HBS热处理后有一定机械强度；精度要求不高一般简式机床21.与滚动轴承配合2.轻、中载荷，转速略高3.精度要求不太高4.冲击和疲劳可忽略不计45整体淬火或局部淬火4045HRC有足够强度；轴颈及配件装拆处有一定硬度；不能承受冲击载荷龙门铣床、摇臂钻床、组合机床等31.与滑动轴承配合2.有冲击载荷45轴颈表面淬火5258HRC经正火有一定机械强度；轴颈高硬度C620车床主轴41.与滚动轴承配合2.受中等载荷，转速较高3.精度要求较高4.冲击和疲劳较小整体淬火或局部淬火42或52HRC有足够强度，轴颈和配件装拆处有一定硬度；冲击小，硬度取高值摇臂钻床、组合机床等51.与滑

22、动轴承配合2.受中等载荷，转速较高3.较高的疲劳和冲击载荷4.精度要求较高40Cr轴颈及配件装拆处表面淬火5250 HRC坯料经预先热处理后有一定机械强度；轴颈高耐磨性；配件装拆处有一定硬度车床主轴、磨床砂轮主轴61.与滑动轴承配合2.中等载荷，转速很高3.精度要求很高38CrMoAlA调质+氮化250280 HBS心部具很高强度；表面具高硬度与疲劳强度；氮化变形小高精度磨床及精密镗床主轴71.与滑动轴承配合2.中等载荷，心部强度不高，转速高3.精度要求不高4.有一定冲击和疲劳20Cr渗碳+淬火+低温回火5662HRC心部强度不高，但有较高韧度；表面硬度高齿轮铣床主轴81.与滑动轴承配合2.重

23、载荷，转速高3.较大冲击和疲劳载荷20CrMnTi渗碳+淬火+低温回火5662HRC较高的心部强度和冲击韧度；表面硬度高载荷较大的组合机床第三十八页，本课件共有40页3.实例：C620车床主轴 性能要求：一般水平的综合机械性能；大端轴颈等部位较高的硬度及耐磨性。选材：中碳钢-45（硬度HB220250，轴颈HRC52）热处理工艺：（820840）水淬-（500550）高温回火（调质）-轴颈高频淬火（水冷）-（180200）低温回火第三十九页，本课件共有40页机型机型曲轴曲轴材料材料心心 部部 热热 处处 理理轴轴 颈颈 热热 处处 理理方方 式式硬度硬度/HBSHBS方方 式式硬度硬度 /HRCHRC解放牌汽车45钢正 火163197高频淬火5262东方红拖拉机45钢调 质207241高频淬火5262东方红型内燃机车42CrMo调 质255302中频淬火5863国外高速柴油机38CrMoAl调 质氮化东风型内燃机车球墨铸铁调 质-东风型内燃机车合金球铁正火、回火285315镀钛氮化5055第四十页，本课件共有40页