工程材料 第五章 5-1 选材

5.1选材的原则及基本方法选材的方法有很多种，大致可归纳为以下几种：经验法替代法综合分析法不论哪种方法，都要经过严格的校核、计算、试验，才能决定所用的材料并投入生产。实际工作中往往是几种方法互相补充。选择材料时应遵循以下三条基本原则P.126：1.满足零件的使用性能要求，在一定的寿命期内正常工作；2.具有较好的工艺性能，以便于加工，并易于保证加工质量；3.有较好的经济性；5.2.1.使用性能要求分析对所选材料使用性能的要求，是在对零件的工作条件及零件的失效形式的分析的基础上提出的。5.2零件的使用性能与选材材料在使用过程中的表现，即使用性能，是选材时考虑的最主要的依据。1.根据零件工作条件分析使用性能表5-1几种零件（工具）工作条件、失效形式及要求的机械性能P.127零件工具工作条件常见的失效形式要求的主要机械性能应力种类载荷性质其他紧固螺栓拉，剪应力静——过量变形，断裂强度，塑性传动轴弯，扭应力循环，冲击轴颈处摩擦、振动疲劳破坏，过量变形，轴颈处磨损综合机械性能传动齿轮压，弯应力循环，冲击强烈摩擦、振动磨损，疲劳麻点，齿折断表面高硬度及疲劳极限，心部强度，韧性弹簧扭应力（螺旋簧），弯应力（板簧）循环，冲击振动弹性丧失，疲劳破坏弹性极限，屈强比，疲劳极限油泵柱塞副压应力循环，冲击摩擦、油的腐蚀磨损强度，抗压强度冷作模具复杂应力循环，冲击强烈摩擦磨损，脆断硬度，足够的强度，韧性压铸模复杂应力循环，冲击高温，摩擦，金属液腐蚀热疲劳，脆断，磨损高温强度，抗热疲劳性，足够的韧性与热比性失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。2.根据零件的失效形式分析使用性能只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。成失效的原因是多方面的，其中材料是重要因素。(1)变形失效塑性变形失效：零件中的工作应力超过材料的屈服强度的结果。弹性变形失效：由过大的弹性变形所引起，刚度或弹性模量不足。失效三大基本类型韧性断裂：由于材料抗拉强度不足造成；脆性断裂：由于材料塑性韧性过低；低应力脆断：由于材料断裂韧性不足引起；疲劳断裂失效：由于材料的疲劳强度不足。疲劳断裂是机器零件中最常见的失效方式。各种机器中，因疲劳失效的零件达到总数的60-70%以上。(2)断裂失效疲劳断口图承受摩擦受损的零件情况比较复杂，大致可分为以下三类：一是对整体硬度要求较高的零件，如刀具、冷冲模、量具、滚动轴承等；二是自身要耐磨，又要求减摩以保护配偶件的零件，如滑动轴承，丝杆螺母等；三是对心部强韧性还有较高要求的零件，如齿轮、凸轮、活塞销等。它们都要求有较高耐磨，减摩性。(3)表面磨损◆对一般机器零件，通常选用调质或正火状态的中碳钢，调质、正火或等温淬火状态的球墨铸铁等制造或淬火、低温回火的低碳钢。◆但对航空零件如起落架、涡轮轴、机翼大梁等，由于受力复杂，工作条件比较苛刻，可选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。◆当零件受力较小，并要求有较高的比强度与比刚度时应考虑选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料，复合材料等。5.2.2以综合机械性能为主的选材P.128要求：高硬度和耐磨性，应用：各种量具、钻套、顶尖、刀具、冷冲模等。材料：一般为经过淬火及低温回火后的过共析钢，高碳合金钢，以及制造一般零件常用的铸铁、青铜、塑料等。5.2.3以耐磨损为主要性能的选材(1)受力较小而磨擦情况严重的制品(2)同时受摩损与循环载荷及冲击载荷的零件。应用：如传动齿轮，凸轮等工作条件钢种热处理变形要求零件形状传递功率大，摩擦压力大，摩擦速度高，冲击大低碳合金钢渗碳较小简单，复杂均可低碳钢较大传递功率较大，摩擦压力较大，摩擦速度不太高，冲击力不太大中碳钢或中碳低合金钢高频淬火小简单传递功率大，摩擦压力小，摩擦速度高，冲击小中碳合金钢氮化很小简单，复杂均可◆以电绝缘性，抗腐性为主的非承力零件，选用工程塑料，橡胶及其复合材料。◆当受力不大，要求抗蚀性较高时，一般可以考虑选用奥氏体不锈钢，例如发动机尾锥体，飞机蒙皮。选用奥氏体不锈钢，不仅耐蚀，而且具有一定的耐热性，同时成型工艺性好。◆当零件受力较大(例如压气机盘、叶片)而又要求抗蚀性时，则以选用马氏体型不锈钢为宜。为减轻结构重量，也可考虑选用钛合金。5.2.4要求抗蚀性或热强度为主的选材P.129工作温度：300-400℃以下，工作应力较小采用耐热铝合金和镁合金工作温度：500-600℃以下采用不锈钢和钛合金工作温度：700-1000℃之间的零件，采用高温合金工作温度：更高采用陶瓷，陶瓷基复合材料等。5.3零件的工艺性能和选材5.3.1.铸造性能一些承载不大、受力简单而结构复杂，尤其是一些有复杂内腔结构的零部件，如机床床身、减速器机壳、发动机气缸等，应选用含有共晶体的铸铁、铸造铝合金等材料。铸造性能最好。5.3.2.锻压性能在选材时，承载较大，受力复杂的构件，如重要的轴、内燃机连杆、变速箱齿轮等、应选用中、低碳钢或合金结构钢、锻铝等具有良好可锻性的材料进行锻造成形，并进行必要的热处理，以强化组织，提高机械性能。许多轻工业产品一般承载不大，但要求色泽美观、重量轻、而且批量大，如自行车、家用电器中的金属构件，宜选用塑性优良的低碳钢、有色合金，以便冷压成形，并进行必要的表面防护、装饰处理。5.3.3.焊接性能钢的含碳量越高，合金元素含量越高，则焊接性能越差。应选择低碳钢，低合金钢等可焊性好的材料焊接成形。铝合金、钛合金极易氧化，需要在保护气氛(如氩气)中焊接，焊接性能不好。5.3.4.机械加工性能硬度适中(170-230HBS)，切削性好的材料。铝及其合金的切削加工性好，奥氏体不锈钢及高速钢的加工性能都很差。5.3.5.热处理工艺性能选材时特别是要考虑淬透性。5.4选材的经济性表5-3我国常用金属材料的相对价格材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢普通低合金结构钢优质碳素结构钢易切钢合金结构钢（Cr—Ni钢除外）铬镍合金结构钢（中合金钢）滚珠轴承钢碳素工具钢低合金工具钢高速钢硬质合金(YT类刀片)11.251.3~1.51.71.7~2.5531.63~416~20150~200铬不锈钢铬镍不锈钢普通黄铜锡青铜，铝青铜灰铸铁件球墨铸铁件可锻铸铁件碳素铸钢件铸造铝合金，铜合金钛合金（工程塑料）51513~1719~1.4~1.82~2.22.5~38~1050~805~15选材举例•1.轴类零件对材料的性能要求：•（1）良好的综合机械性能；•（2）高的疲劳强度；•（3）足够的硬度和耐磨性；•（4）足够的淬透性和良好的切削加工性机床主轴、汽车半轴、曲轴等选材①常用钢种：45：40Cr、40MnB、40MnVB。②工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→局部高频淬火+低温回火→磨削加工③当承受较大冲击载荷时，可选用20CrMnTi、20Cr来制造，其最终热处理工艺为：渗碳+淬火+低温回火2.飞机起落架起落架的工作条件及性能要求•(1)高的强度，以承受飞机载荷；•(2)高的疲劳强度，以抵抗疲劳破坏；•(3)高的冲击韧性，以抵抗冲击负荷；P.134图5.1•显然，应选用的钢种属于超高强度钢。•30CrMnSiNi2A，30CrMnSiA以及40CrNiMoA。•后两种钢的韧性不及30CrMnSiNi2A。•从力学性能和工艺性能两方面综合考虑，应选用30CrMnSiNi2A。••Theend16周(12月24日)复习下午15：30–17：20考试安排时间：19周星期三(1月16日)10：30–12：30地点：J0–003&004教室Thankyou!2012.12.24结束goodluckgood-byeClassisover.Reviewfortheexam祝大家复习愉快、考试顺利！