工程材料课件 第十章 机械设计与选材

第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五1Ch11材料的选择与应用§1选用材料的一般原则§2零件的失效与选材§3典型零件的选材与工艺§4可持续发展战略下的材料选择第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五2第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五3第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五4第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五5第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五6概述材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员（广义地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的基本要求。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五7一、使用性能选材原则§1选材的原则分析零件的工作条件，确定其使用性能：①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五8一、使用性能选材原则§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五9二、工艺性能选材原则材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五10二、工艺性能选材原则（金属材料）1.铸造性能凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五11二、工艺性能选材原则（金属材料）2.压力加工性能包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五12二、工艺性能选材原则（金属材料）3.焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五13二、工艺性能选材原则（金属材料）4.机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180～230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五14二、工艺性能选材原则（金属材料）5.热处理工艺性能必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五15二、工艺性能选材原则（高分子材料）高分子材料的加工工艺主要为成型加工，且工艺性能良好，所用工具为成型模（其中主要为塑料模），具体的成型方法很多，如注射成型、吹塑成型、挤压成型等；也易于进行切削加工，但因其导热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑料）现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接与热处理，其工艺简单易行。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五16二、工艺性能选材原则（陶瓷材料）硬而脆且导热性较差。根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精度及生产率不同，可选用粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外(如氮化硼陶瓷)，其它陶瓷均不可切削加工；陶瓷虽可磨削加工，但其磨削性能也不佳，且必须选用超硬材料砂轮(如金刚石砂轮)。陶瓷也可进行热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小心，否则极易产生裂纹。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五17三、经济性能选材原则质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五18三、经济性能选材原则（举例）价值工程原理：价值=功能/成本Q235A-不锈钢F-不锈钢价格/使用年限5000元/年40000元/10年15000元/6年年成本/材料损耗5000400025003000元/停产损失80004300300030000元/停产损失3500070007500？？？§1选材的原则第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五19一、基本概念§2零件的失效与选材在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五20二、失效形式§2零件的失效与选材四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五21二、失效形式§2零件的失效与选材第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五22三、失效原因§2零件的失效与选材四个主要方面：设计、材料、加工与使用第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五23一、工程材料的应用概况§3典型零件选材与工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要的四大类工程材料。高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五24一、工程材料的应用概况§3典型零件选材与工艺分析陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。但陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五25一、工程材料的应用概况§3典型零件选材与工艺分析复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五26一、工程材料的应用概况§3典型零件选材与工艺分析金属材料、尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五27二、齿轮类零件选材（概述）§3典型零件选材与工艺分析应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，其工作条件、失效形式和性能要求各有不同。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五28二、齿轮类零件选材（性能要求）§3典型零件选材与工艺分析1．工作条件①传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；②齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；③启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；④有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五29二、齿轮类零件选材（性能要求）§3典型零件选材与工艺分析2．主要失效形式①断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；②齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；③其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五30二、齿轮类零件选材（性能要求）§3典型零件选材与工艺分析3．主要性能要求①高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。②足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。③足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。第十一章材料的选用机电工程赵华洋2019年8月9日星期五31二、齿轮类零件选材（金属材料）§3典型零件选材与工艺分析（1）锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。主要包括：①低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火＋低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。第十一章材料的选用机电工