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1、零部件的失效与选材零部件的失效与选材第1页，此课件共62页哦19861986年年1 1月月2828日日助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损，助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损，喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。第2页，此课件共62页哦第十三章 材料的选用及失效分析使用性能使用性能-使用过程中安全可靠；使用过程中安全可靠；工艺性能工艺性能-零件便于加工制造；零件便于加工制造；经济性经济性-零件的总成本最低零件的总成本最低;环境与资源环
2、境与资源-环境友好。环境友好。第3页，此课件共62页哦第一节第一节 零件的失效分析零件的失效分析n每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，即零传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，即零件已件已失效失效失效失效。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：n 零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工
3、作；零件完全破坏，不能继续工作；n n 零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；n n 零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。第4页，此课件共62页哦一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形零件的失效形式比较复杂，
4、根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为式可归纳为式可归纳为式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。三大类型。三大类型。三大类型。表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效断裂失效断裂失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效变形失效变形失效应应力力腐腐蚀蚀断断裂裂失失效效蠕蠕变变断断裂裂失失效效疲疲劳劳断断裂裂失失效效低低应应力力脆脆断断失失效效塑塑性性断断裂裂失失效效塑塑
5、性性变变形形失失效效弹弹性性变变形形失失效效磨磨损损失失效效表表面面疲疲劳劳失失效效腐腐蚀蚀失失效效零件失效零件失效零件失效零件失效第5页，此课件共62页哦二、零件失效的主要原因二、零件失效的主要原因 引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为设计、材料、加设计、材料、加设计、材料、加设计、材料、加工和安装使用工和安装使用工和安装使用工和安装使用四个方面。四个方面。四个方面。四个方面。n n设计设计设计设计 工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构
6、外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。n n材料材料材料材料 选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。n n加工加工加工加工 毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。n n安装使用安装使用安装使用安装使用 安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。第6页，此课件
7、共62页哦三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法服役条件服役条件失效零件失效零件失效分析失效分析失效失效类类型型失效原因失效原因工工业试验业试验实验实验室室试验试验提高零件失效抗力提高零件失效抗力加加强强管理管理改改进进工工艺艺提高主要抗力指提高主要抗力指标标改改进设计进设计工工 艺艺使使 用用材材 料料设设 计计失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用宏观和微观宏观
8、和微观宏观和微观宏观和微观的研究的研究的研究的研究手段进行系统的分析。手段进行系统的分析。手段进行系统的分析。手段进行系统的分析。第7页，此课件共62页哦以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图n n该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。该思路是材料工作
9、者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。第8页，此课件共62页哦失效树分析失效树分析失效树分析失效树分析第9页，此课件共62页哦n n失效分析失效分析失效分析失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结果果果果和原和原和原和原因因因因具有双重性，失效分析可以从具有双重性，失效分析可以从具有双重性，失效分析可以从具有双重性，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的
10、某个过程入手。原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。n n“顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜”以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。n n“顺藤找根顺藤找根顺藤找根顺藤找根”以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接
11、原以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。因。因。因。n n“顺瓜摸藤顺瓜摸藤顺瓜摸藤顺瓜摸藤”从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。n n“顺根摸藤顺根摸藤顺根摸藤顺根摸藤”从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结
12、果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。还有还有还有还有“顺瓜摸藤顺瓜摸藤顺瓜摸藤顺瓜摸藤+顺藤找根顺藤找根顺藤找根顺藤找根”、“顺根摸藤顺根摸藤顺根摸藤顺根摸藤+顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜顺藤摸瓜+顺藤找根顺藤找根顺藤找根顺藤找根”等。等。等。等。第10页，此课件共62页哦n n无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，是针对材料在冶金、加工、使用过程中产
13、生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。以查清其状态及分布。n断口分析断口分析断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最发源地、扩展区和最终断裂区终断裂区，判断出断裂的性质和机理。，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口第11页，此课件共62页哦n金相分析金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组
14、织组通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。n化学分析化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。n力学分析力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。第12页，此课件共62页哦断口分析断口分析分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破
15、坏的顺序T型法则型法则 分叉法则分叉法则 B B裂裂裂裂纹产纹产纹产纹产生在后生在后生在后生在后A A裂裂裂裂纹产纹产纹产纹产生在前生在前生在前生在前裂裂裂裂纹扩纹扩纹扩纹扩展方向展方向展方向展方向第13页，此课件共62页哦根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区裂纹区裂纹区裂纹区。源区源区源区源区源区源区源区源区 失效源分析失效源分析第14页，此课件共62页哦宏观宏观宏观宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。
16、微观微观微观微观：平坦的解理台阶与河流花样。平坦的解理台阶与河流花样。脆性断口脆性断口 宏观形貌宏观形貌宏观形貌宏观形貌 微观解理花样微观解理花样微观解理花样微观解理花样 第15页，此课件共62页哦回火脆性断口回火脆性断口回火脆性断口回火脆性断口 应力腐蚀断口应力腐蚀断口应力腐蚀断口应力腐蚀断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口第16页，此课件共62页哦韧性断口韧性断口宏观宏观宏观宏观：纤维状，色质灰暗纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形。有明显的塑性变形。微观微观微观微观：大小不等的大小不等的韧窝韧窝。纤维状韧性宏观断口纤维状韧性宏观断口纤维状韧性宏观断口纤维状韧
17、性宏观断口 微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌 第17页，此课件共62页哦疲劳断口疲劳断口疲劳源疲劳源疲劳源疲劳源 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区 “贝纹贝纹贝纹贝纹”状花样状花样状花样状花样 瞬时断裂区瞬时断裂区瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌 疲劳断口示意图疲劳断口示意图疲劳断口示意图疲劳断口示意图 疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象第18页，此课件共62页哦n齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿轮是机
18、械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力齿表面受到接触力和摩擦力的作用；的作用；齿根齿根部受到交变弯曲应力部受到交变弯曲应力的作用；此外由于过载和换档时的的作用；此外由于过载和换档时的冲击冲击还会产生附加应力。还会产生附加应力。四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂（宏观）（宏观）（宏观）（宏观）第19页，此课件共62页哦失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因齿齿面接触面接触疲疲劳劳破坏破坏在交在交变变接触接触应应力作用下，力作用下，齿齿面面产产生微裂生微裂纹纹，裂，裂纹发纹发展
19、引起点状剥落（或称麻点）。展引起点状剥落（或称麻点）。疲疲劳劳断裂断裂从从齿齿根部根部发发生，由生，由过过大的交大的交变变弯曲弯曲应应力力所致，是所致，是齿轮齿轮最最严严重的失效形式。重的失效形式。齿齿面磨面磨损损 由于由于齿齿面接触区摩擦，面接触区摩擦，轮齿变轮齿变薄。薄。过载过载断裂断裂 主要是冲主要是冲击载击载荷荷过过大造成的断大造成的断齿齿。齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为第20页，此课件共62页哦n n机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很好的车轴在运行时承受着弯曲和
20、扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂）。）。疲劳源在轴疲劳源在轴疲劳源在轴疲劳源在轴内部内部内部内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；疲劳源在轴疲劳源在轴疲劳源在轴疲劳源在轴表面表面表面表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。致使裂纹萌生。致使裂纹萌
21、生。致使裂纹萌生。疲劳源疲劳源疲劳源疲劳源第21页，此课件共62页哦车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析断口面基本断口面基本断口面基本断口面基本与与与与轴轴轴轴向垂直向垂直向垂直向垂直设计设计设计设计不当、不当、不当、不当、严严严严重缺重缺重缺重缺陷或陷或陷或陷或过载过载过载过载断口特征异常断口特征异常断口特征异常断口特征异常轴轴轴轴表面异表面异表面异表面异常常常常撞撞撞撞伤伤伤伤意外意外意外意外损伤损伤损伤损伤疲疲疲疲劳劳劳劳裂裂裂裂纹纹纹纹源源源源发发发发生在生在生在生在车轴车轴车轴车轴内部内部内部内部 冶金缺陷（残余冶金缺陷（残余冶金缺
22、陷（残余冶金缺陷（残余缩缩缩缩孔、孔、孔、孔、夹夹夹夹渣、空洞、成份偏析、渣、空洞、成份偏析、渣、空洞、成份偏析、渣、空洞、成份偏析、夹杂夹杂夹杂夹杂物超物超物超物超标标标标等）等）等）等）车轴车轴车轴车轴疲疲疲疲劳劳劳劳断裂断裂断裂断裂分析分析分析分析机加工缺陷机加工缺陷机加工缺陷机加工缺陷机加工不当机加工不当机加工不当机加工不当腐腐腐腐蚀产蚀产蚀产蚀产物物物物环环环环境腐境腐境腐境腐蚀蚀蚀蚀磨磨磨磨损产损产损产损产物物物物微微微微动动动动摩擦摩擦摩擦摩擦化学成份化学成份化学成份化学成份冶冶冶冶炼炼炼炼工工工工艺艺艺艺不当不当不当不当力学性力学性力学性力学性能不合能不合能不合能不合格格格格金
23、相金相金相金相组织组织组织组织冶冶冶冶炼炼炼炼、锻锻锻锻造造造造或或或或热处热处热处热处理理理理工工工工艺艺艺艺不当不当不当不当疲疲疲疲劳劳劳劳裂裂裂裂纹纹纹纹源源源源发发发发生在生在生在生在车轴车轴车轴车轴表面表面表面表面断口面与断口面与断口面与断口面与轴轴轴轴向成向成向成向成4545 角角角角扭扭扭扭转载转载转载转载荷荷荷荷过过过过大大大大第22页，此课件共62页哦失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因磨耗磨耗钢轨钢轨与与车轮车轮接触面表接触面表层发层发生磨生磨损损。压溃压溃轮轨轮轨接触接触压应压应力使力使钢轨钢轨表面表面发发生塑性生塑性变变形。形。剥离剥离交交变变接触接触应应力使疲
24、力使疲劳劳裂裂纹纹在在钢轨钢轨表表层层(次表次表层层)形成形成扩扩展至剥落。展至剥落。疲疲劳劳裂裂纹纹或折断或折断交交变应变应力引起疲力引起疲劳劳裂裂纹纹的萌生的萌生,并可能并可能进进一步一步扩扩展至断裂。展至断裂。擦擦伤伤轮轨轮轨接触面接触面发发生生热热机械作用机械作用,导导致致组织产组织产生相生相变变，由珠光体，由珠光体组织转变组织转变成成马马氏体氏体组织组织。锈蚀锈蚀腐腐蚀环蚀环境作用。境作用。n n铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效钢轨钢轨钢轨钢轨的失效行的失效行的失效行的失效行为为为为第23页，此课件共62页哦轨头侧面磨耗轨头侧面磨耗轨头侧面磨耗轨头侧面磨耗 轨
25、头踏面被压溃及出现飞边轨头踏面被压溃及出现飞边轨头踏面被压溃及出现飞边轨头踏面被压溃及出现飞边 鱼鳞状裂纹和剥离坑鱼鳞状裂纹和剥离坑鱼鳞状裂纹和剥离坑鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂磨耗、腐蚀、疲劳断裂磨耗、腐蚀、疲劳断裂磨耗、腐蚀、疲劳断裂是其主要失效形式。是其主要失效形式。是其主要失效形式。是其主要失效形式。第24页，此课件共62页哦n n钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、钢轨使
26、用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。n n表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤
27、、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。裂纹甚至折断。裂纹甚至折断。裂纹甚至折断。n n轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。夹杂物引起的核伤断口（白核）夹杂物引起的核伤断口（白核）夹杂物引起的核伤断口（白核）夹杂物引起的核伤断口（白核）表面剥离引起的核伤断口表面剥离引起的核伤断口表面剥离引起的核伤断口表面剥离引起的核伤断口第2
28、5页，此课件共62页哦第二节第二节 材料的选用材料的选用n选材的动机选材的动机选材的动机选材的动机 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代；现有产品的改进和更新换代；零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需重新选材。零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需重新选材。第26页，此课件共62页哦n选材的基本过程选材的基本过程第27页，此课件共62页哦n n传统设计传统设计传统设计传统设计n n把选材归入设计过程的后期；把选材归入设计过程的后期；把选材归入设计过程的后期；把选材归入设计过程的后期；n n根据前人的经验进行设计和选材；根据前人的
29、经验进行设计和选材；根据前人的经验进行设计和选材；根据前人的经验进行设计和选材；n n采用过大的安全系数；采用过大的安全系数；采用过大的安全系数；采用过大的安全系数；n n倾向于选用所谓倾向于选用所谓倾向于选用所谓倾向于选用所谓“万能材料万能材料万能材料万能材料”。n现代设计现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。范围内使用
30、，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。第28页，此课件共62页哦n n机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤n n结构设计结构设计结构设计结构设计n n材料设计材料设计材料设计材料设计 前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料科学知识水平和经验的不同有很大差异。科学知识水平和经验
31、的不同有很大差异。科学知识水平和经验的不同有很大差异。科学知识水平和经验的不同有很大差异。n n选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的“零件内部组织结构设计零件内部组织结构设计零件内部组织结构设计零件内部组织结构设计”（材（材（材（材料设计）。料设计）。料设计）。料设计）。n n本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于：n n改善产品质量，
32、提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；n n判定事故责任；判定事故责任；判定事故责任；判定事故责任；n n杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。第29页，此课件共62页哦n材料选用原则材料选用原则 n n 使用性原则使用性原则使用性原则使用性原则 n n 工艺性原则工艺性原则工艺性原则工艺性原则 n n 经济性原则经济性原则经济性原则经济性原则 n n 环境与资源原则环境与资源原则环境与资源原则环境与资源原则 根本原则根本原则根本原则根本
33、原则首要原则首要原则首要原则首要原则第30页，此课件共62页哦n使用性能原则使用性能原则使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则首要原则首要原则n n分析零件的工作条件；分析零件的工作条件；分析零件的工作条件；分析零件的工作条件；n n进进进进行失效分析；行失效分析；行失效分析；行失效分析；n n确定零件确定零件确定零件确定零件对对对对使用性能的要求；使用性能的要求；使用性能的要求；使用性能的要求；n n具体具体具体具体转转转转化化化化为为为为力学性能指力学性能指力学性能指力学性能指标标标标（如（如（如（如强强强强度、度、度、度、韧韧韧韧性、塑性、硬度等）；性、塑性、硬度等）；性、塑性、硬度等
34、）；性、塑性、硬度等）；n n根据工作根据工作根据工作根据工作应应应应力、使用寿命或安全性，确定性能指力、使用寿命或安全性，确定性能指力、使用寿命或安全性，确定性能指力、使用寿命或安全性，确定性能指标标标标的具体数的具体数的具体数的具体数值值值值。第31页，此课件共62页哦n n利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。l l有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有
35、的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；l l有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标。标。标。标。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的
36、数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。第32页，此课件共62页哦n n工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则 n n设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上某种程度上某种程度上某种程度上“决定决定决定决定”了制造方法。了制造方法。
37、了制造方法。了制造方法。n n一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。将变得毫无意义。将变得毫无意义。将变得毫无意义。n n机械制造机械制造机械制造机械制造采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以采用适当的
38、工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。合理组装的过程。合理组装的过程。合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形流动成形、切削成形、连接成形流动成形、切削成形、连接成形流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于热在各阶段会有变化，并可借助于热在各阶段会有变化，并可借助于热在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能的重处理及表面改性处理进行性能的重处理及表面改性处理进行性能的重处理及表面改性处理进行性能的重塑。塑。塑。塑。制造过程的基本目的制造过程的基本目的制造过程的基本目的制造过程的基本目的l一定的形状和尺寸一定的形状和尺寸l一定的性
39、能一定的性能l一定的精度一定的精度第33页，此课件共62页哦n金属材料的工艺路线金属材料的工艺路线金属材料的工艺路线金属材料的工艺路线粉粉粉粉末末末末冶冶冶冶金金金金焊焊焊焊接接接接塑塑塑塑性性性性成成成成形形形形铸铸铸铸造造造造毛毛毛毛 坯坯坯坯预预预预先先先先热处热处热处热处理理理理零零零零 件件件件切削加工切削加工切削加工切削加工最最最最终热处终热处终热处终热处理理理理第34页，此课件共62页哦n n高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线有机物原料或型材有机物原料或型材有机物原料或型材有机物原料或型材成形加工成形加工成形加工成形加工切削加工切削加
40、工切削加工切削加工零零零零 件件件件焊焊焊焊接等接等接等接等热压、注塑、挤压、喷射、真空热压、注塑、挤压、喷射、真空热压、注塑、挤压、喷射、真空热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等成形等成形等成形等第35页，此课件共62页哦n陶瓷材料的工艺路线陶瓷材料的工艺路线陶瓷材料的工艺路线陶瓷材料的工艺路线粉末粉末粉末粉末成成成成 形形形形 加加加加 工工工工配料配料配料配料压压压压制制制制烧结烧结烧结烧结磨削加工磨削加工磨削加工磨削加工零件零件零件零件热处热处热处热处理理理理第36页，此课件共62页哦n n经济性原则经济性原则经济性原则经济性原则 根本原则根本原则根本原则根本原则产产产产品消品消品消品消
41、费费费费的的的的总总总总成本成本成本成本购购购购置价格置价格置价格置价格使用成本使用成本使用成本使用成本固定成本固定成本固定成本固定成本制造厂利制造厂利制造厂利制造厂利润润润润维护费维护费维护费维护费维维维维修修修修费费费费保保保保险费险费险费险费折旧折旧折旧折旧费费费费日常开支日常开支日常开支日常开支行政行政行政行政费费费费批批批批发发发发与零售与零售与零售与零售费费费费研究与开研究与开研究与开研究与开发费发费发费发费可可可可变变变变成本成本成本成本（生（生（生（生产产产产成本）成本）成本）成本）基本材料成本基本材料成本基本材料成本基本材料成本制造成本制造成本制造成本制造成本第37页，此课件
42、共62页哦n n基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的3070%。提炼和制取的成本；提炼和制取的成本；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；材料的提纯、合金化（合成）成本材料的提纯、合金化（合成）成本；加工增值成本加工增值成本；供求关系所造成的价格波动。供求关系所造成的价格波动。第38页，此课件共62页哦我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格材材材材 料料料料相对价格相对价格相对价格相对价格材材材材 料料料料相对价格相对价格相对价格相对价格普
43、通碳素普通碳素结结构构钢钢1铬铬不不锈钢锈钢5普通低合金普通低合金结结构构钢钢1.25铬镍铬镍不不锈钢锈钢15优质优质碳素碳素结结构构钢钢1.31.5灰口灰口铸铁铸铁1.4合金合金结结构构钢钢（Cr-Ni钢钢除外）除外）1.72.5球墨球墨铸铁铸铁1.8铬镍铬镍合金合金结结构构钢钢（中（中合金合金钢钢）5可可锻铸铁锻铸铁22.2滚滚珠珠轴轴承承钢钢3铸铸造造铝铝合金、合金、铜铜合金合金810碳素工具碳素工具钢钢1.6普通黄普通黄铜铜1317低合金工具低合金工具钢钢34锡锡青青铜铜、铝铝青青铜铜19高速高速钢钢1620钛钛合金合金5080硬硬质质合金合金150200工程塑料工程塑料515第39页
44、，此课件共62页哦n n目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为65%65%，而美国达到，而美国达到，而美国达到，而美国达到80%80%。我国材料。我国材料。我国材料。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，
45、对于我国制造业而过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。言具有尤为重要的意义。言具有尤为重要的意义。言具有尤为重要的意义。第40页，此课件共62页哦n环境与资源原则环境与资源原则 n n 能源和资源消耗少能源和资源消耗少能源和资源消耗少能源和资源消耗少重要金属的世界储量（重要金属的世界储量（重要金属的世界储量（重要金属的世界储量（20042004年）年）年）年）储储储储量（量（量（量（10106 6t t）可用年数可用年数
46、可用年数可用年数再生率再生率再生率再生率(%)(%)FeFe1101106 610910931.731.7AlAl11701170353516.916.9CuCu308308242440.940.9ZnZn123123181821.221.2MoMo5.45.43636AgAg0.20.2141441.041.0CrCr775775112112TiTi1471475151第41页，此课件共62页哦世界能源储藏量（世界能源储藏量（20042004年）年）种种种种 类类类类 项项项项 目目目目石油石油石油石油天然气天然气天然气天然气煤煤煤煤铀铀铀铀可开采储量可开采储量可开采储量可开采储量99709
47、97099709970亿桶亿桶亿桶亿桶138138138138万亿万亿万亿万亿mmmm3 3 3 31 1 1 1，039039039039，272272272272吨吨吨吨200200200200万万万万吨吨吨吨可开采年限可开采年限可开采年限可开采年限45.545.545.545.5年年年年64646464年年年年219219219219年年年年74747474年年年年主要产地主要产地主要产地主要产地及储量比例及储量比例及储量比例及储量比例中东中东中东中东66.4%66.4%66.4%66.4%独联体、中东独联体、中东独联体、中东独联体、中东70%70%70%70%美、苏、中、澳美、苏、中、
48、澳美、苏、中、澳美、苏、中、澳 70%70%70%70%第42页，此课件共62页哦n n环环环环境境境境污污污污染小染小染小染小材料材料矿矿物燃料能耗物燃料能耗排碳量排碳量MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3木材木材1.52.8750139030561528混凝土混凝土2.0480050120钢钢材材35266,0007005320一次一次铝铝4351,100,000870022,000再生再生铝铝1333,000生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量第43页，此课件共62页哦n可持续发展战略下
49、的材料选择可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 选择绿色材料选择绿色材料选择绿色材料选择绿色材料 绿色材料绿色材料绿色材料绿色材料：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或能源，保护生
50、态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或材料制品。其材料制品。其材料制品。其材料制品。其主要特点：主要特点：主要特点：主要特点：材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循环利源耗损低、使用时低污