第十二章材料的机械性能机械零件的失效

第十二章材料的机械性能机械零件的选材与失效分析第一节金属材料的性能金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能，即指其铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能；使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能。一.金属材料的工艺性能1.铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。流动性熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。2.锻造性能金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。3.焊接性能金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。4.切削加工性能切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170HBS～230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。5.热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好,碳钢的淬透性较差。铝合金的热处理要求较严。铜合金只有几种可以用热处理强化。二.金属材料的机械性能金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。1.强度2.塑性3.硬度1）布氏硬度（HB)一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.2）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)将金刚石压头(或钢球压头),在先后施加两个载荷(预载荷F0和总载荷F)的作用下压入金属表面。总载荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸去主载荷F1后,测量其残余压入深度h,用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。△h越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。洛氏硬度测量原理图4.冲击韧度（ak）许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载荷的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度ak。冲击试样5.疲劳强度轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。金属承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1表示。6.断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。三.金属材料的理化性能1.金属的物理性能1）密度密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。2）熔点熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。3）导热性导热性通常用热导率来衡量。热导率越大,导热性越好。金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差：散热器、热交换器与活塞等4）导电性金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。小(纯铜、纯铝)：导电零件和电线；大(如钨、钼、铁、铬、铝)：电热元件。5）热膨胀性金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。膨胀系数来控制其间隙尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响,以减少工件的变形和开裂。6）磁性铁磁性材料在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。顺磁性材料在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。抗磁性材料能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料则用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点，如铁的居里点是770℃。2.金属的化学性能：腐蚀性抗氧化性第二节材料选材的一般原则在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。因为设计时不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。一．材料的机械性能：在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料主要机械性能指标，查手册找出适合其性能要求的材料，这是保证零件经久耐用的先决条件。如：一些轴类零件，工作条件（受力情况）是交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷、磨损。主要损坏形式是疲劳破析、过度磨损，要求的主要机械性能指标是屈服强度σ0.2，疲劳强度σ-1，硬度（HRC）。在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度的检验可以不破坏零件，而且硬度与其它机械性能之间存在一定关系。因此零件图纸上一般以硬度作为主要的热处理技术条件。二.材料的工艺性能：用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：铸造、压力加工、焊接和机械加工。热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流动性、收缩、偏析、吸气性等。锻造性能：包括可锻性（塑性与变形抗力的综合）、抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等。机械加工性：包括光洁度，切削加工性等。焊接性能：包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等。热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向。一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好，强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。三.材料的经济性在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。（零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其它一切费用）。在金属材料中，碳钢和铸铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢的铸铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。（低合金钢由于强度比碳钢高，总的经济效益比较显著，有扩大使用的趋势。）此外，所选钢铁中应尽量少而集中，以便采购和管理。总之，作为一个设计人员，选材时必须从实际出发，全局考虑机械性能、工艺性和经济性等方向问题。第三节零件热处理工艺选择一．热处理技术条件的标注热处理零件一般在图纸上都以硬度作为热处理技术条件，对于渗碳的零件则还应标注渗碳深度。某些要求性能较高的零件则还需标注其它机械性能指标。此外，在标注硬度的同时要写出相应的热处理工艺名称，如调质、淬火回火、高频淬火等，在标注硬度范围时，其波动范围为HRC在5个单位左右，HB在20～40个单位左右。采用不同热处理方法时，图纸上的标注方法不同。对于整体热处理时，热处理技术条件大多标注在零件图纸的上方.对于局部热处理的，热处理技术条件直接标注在需要局部热处理的部位，并用细实线标明处理位置，当然对于渗碳零件，还应标注渗碳层深度。二．热处理与切削加工性的关系材料的切削加工性的好坏，经常用材料被切削的难易程度、材料被切削后的表面光洁度以及刀具寿命等几方面情况来衡量。实践证明，在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过金相组织控制钢的硬度范围是必要的，为了使钢具有良好的切削加工性，一般希望硬度控制在HB170~230，调低状态的中碳钢为了改善表面光洁度可将硬度提高到≥HB250，但将使普通刀具受到严重磨损。三.热处理零件的结构工艺性第四节工程材料的应用熟悉工程材料在汽车、机床上的应用情况，一般了解工程材料在仪器仪表、等典型设备装置上的应用情况。一.汽车用材汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占有一定比例。1.汽车用金属材料汽车主要结构可分为四部分：(1)发动机提供动力，由缸体、缸盖、活塞、连杆、曲轴及配气、燃料供给、润滑、冷却等系统组成。(2)底盘包括传动系(离合器、变速箱、后桥等)、行驶系(车架、车轮等)、转向系(方向盘、转向蜗杆等)和制动系(油泵或气泵、刹车片等)。(3)车身(4)电气设备电源、起动、点火、照明、信号、控制等。汽车发动机和传动系示意图1）缸体和缸盖缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。2）缸套气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。3）活塞、活塞销和活塞环活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组，活塞组在工作中受周期性变化的高温、高压燃气(温度最高可达2000℃，压力最高可达13MPa～15MPa)作用，并在气缸内作高速往复运动(平均速度一般为9m/s～13m/s)，产生很大的惯性载荷。对活塞材料的要求是热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。常用的活塞材料是铝硅合金。活塞销材料一般用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高2～3倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等。4）连杆连杆连接活塞和曲轴，作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动