工程材料：第5章-工程材料選擇

1、第五章 工程材料的選擇,可靠性與系統(tǒng)工程學院學生會整理,教學目的: 了解零件失效的概念和主要形式，熟悉機械零件選材的基本原則，掌握典型零件的選材及其加工工藝路線設計方法,教學內(nèi)容： 5.1 機械零件的失效分析 5.2 機械零件的選材原則 5.3 典型零件的選材及工藝路線設計,失效是指零件在使用過程中由于尺寸、形狀或材料的組織與性能的變化而失去原設計效能的現(xiàn)象。 機械零件失效一般包括以下幾種情況： 零件完全破壞，不能繼續(xù)工作； 雖能安全工作，但不能滿意地起到預期的作用； 零件嚴重損傷，繼續(xù)工作不安全,5.1 零件的失效分析,塑性變形,起落架橫梁斷裂,疲勞斷裂,磨損,5.1.2 零件失效的形式,1

2、.設計不合理零件尺寸和幾何形狀不正確。如過渡圓角太小引起應力集中。對零件的工作條件和工作環(huán)境估計不足，都容易引起零件的失效。 2.加工制造安裝不當加工中出現(xiàn)表面光潔度太低、刀痕較深、磨削裂紋等；熱加工時容易出現(xiàn)過熱、過燒或帶狀組織；熱處理時容易出現(xiàn)表面脫碳、淬火變形、開裂等。安裝時配合過緊、過松，對正不好，都會造成零件不正常工作,5.1.3 零件失效的原因,3. 使用不良平時維護不良，不按工藝規(guī)程操作，也會導致零件在不正常條件下運行。 4.選材錯誤 設計時對零件的失效形式判斷有誤，致使所選材料的性能不能滿足工作條件的要求；或材料的冶金質(zhì)量太差，例如夾雜物過多，雜質(zhì)元素過多等,5.1.3 零件失

3、效的原因,航空零件失效原因統(tǒng)計,設計,選材,加工裝配,使用,其它,33.7,23.8,21.8,18.3,2.4,5.2 機械零件的選材原則,使用性原則 工藝性原則 經(jīng)濟性原則,5.2.1 使用性原則,零件所用的材料首先應該滿足使用的要求，包括力學性能和其他性能的要求。在使用時不出現(xiàn)失效的情況. 1.零件的強度零件應該具有能夠承受工作載荷的強度，不出現(xiàn)過量彈性變形、明顯塑性變形或斷裂。 零件的強度與材料的強度有關，也與其結(jié)構(gòu)、尺寸等因素有關。 2.材料的韌性零件的選材不但要滿足強度要求，而且要考慮韌性要求。特別是工作時要承受沖擊載荷的零件。以防止材料發(fā)生脆斷,3.材料的耐磨性零件的磨損失效主要

4、包括磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損四種形式，不同的磨損形式對材料選擇上要求不同。 如磨粒磨損是由于材料與硬質(zhì)顆粒摩擦產(chǎn)生的微小劃痕積累形成的。因此，需要材料有較高的硬度才能抵抗劃傷，減少磨損,5.2.1 使用性原則,5.2.1 使用性原則,4.零件的耐腐蝕性在腐蝕環(huán)境下工作的零件除了要求有足夠的力學性能外，還要求材料具有一定的抗腐蝕性能。 零件的腐蝕不但與零件材料的成分、顯微組織和加工工藝有關，同時也決定于機器中各相關零件的材料組成體系和零件的使用環(huán)境,5.2.1 使用性原則,5.材料的耐高溫性能-在高溫環(huán)境工作的零件還要能夠在高溫條件下保證材料所需的性能。 如航空發(fā)動機的渦輪葉片應具

5、有足夠的蠕變強度、持久強度和高溫疲勞強度 。高速切削刀具應具有足夠的紅硬性,5.2.2 工藝性原則,材料加工工藝性能將直接影響到零件的質(zhì)量，生產(chǎn)效率和成本。所用材料應該能夠易于加工出合格的零件。 盡量選用工藝簡單的材料，選材材質(zhì)要滿足工藝性要求，在大批量生產(chǎn)和特殊情況下要優(yōu)先考慮工藝性能,很好的鑄造性能是制造鑄造零件的先決條件； 冷成型件要求材料有好的均勻塑性變形性能； 作工程構(gòu)件的材料應具有好的焊接和冷變形性能； 而大多數(shù)的機器零件對材料工藝上最突出的要求是可切削加工性和熱處理工藝性,自動加工機床選用易切鋼，可以延長刀具壽命，提高生產(chǎn)率，改善零件的表面光潔度； 在機械制造業(yè)中還常?？紤]以鐵代

6、鋼，以鑄代鍛也簡化了工藝，同時還降低成本,1.選材的經(jīng)濟性涉及到材料本身成本的高低，供應是否充分，加工成品率和加工效率的高低，甚至機器零件設計使用壽命的長短。 2.通常在滿足零件使用性能要求的前提下，應盡量優(yōu)先選用價廉的材料。 3.考慮材料的經(jīng)濟性時，切不可以單價來評價材料的優(yōu)劣，而應當以綜合效益來評價材料經(jīng)濟性的高低,5.2.3 經(jīng)濟性原則,零件選材的基本思路,5.3 典型零件的選材,1.齒輪的工作條件 （1）由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應力,2）換檔、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定的沖擊載荷； （3）齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應力和摩擦力,5.3.1 典型齒輪的選材,

7、2.齒輪的失效形式 （1）輪齒斷裂 （2）齒面點蝕 （3）齒面磨損 （4）局部變形,3.齒輪的性能要求： （1）高的彎曲疲勞強度； （2）高的接觸疲勞強度； （3）較高的強度和沖擊韌性,5.3.1 典型齒輪的選材,齒輪類零件的選材,1。齒輪的性能要求 齒輪在機器中主要擔負傳遞功率與調(diào)節(jié)速度的任務，有時也起改變運動方向的作用。它在工作時，通過齒面的接觸傳遞動力，周期地受彎曲應力和接觸應力的作用，在嚙合的齒面上，相互滾動和滑動造成強烈的摩擦，有些齒輪在換檔、啟動或嚙合不均勻時還承受沖擊力等。其失效形式主要有輪齒疲勞斷裂與沖擊、過載斷裂:齒面接觸疲勞與磨損。因此，要求材料具有高的彎曲疲勞強度和接觸疲

8、勞強度;齒面具有高的硬度和耐磨性:齒輪心部具有足夠的強度與韌性,對于不同機器中的齒輪工作條件的差異，對性能的要求也有不同。故應選用不同的材料與強化方法。顯然，載荷愈大，速度愈大，齒輪疲勞與磨損的現(xiàn)象就愈嚴重，對材料的強化要求也愈高。 齒輪精度要求愈高，對材料尺寸穩(wěn)定性和耐磨性的要求也應愈高，以防在使用過程中因變形或磨損，喪失其原有的精度。此外，齒輪運轉(zhuǎn)過程中承受的沖擊愈大，對材料的韌性要求也愈高,調(diào)質(zhì)鋼齒輪,調(diào)質(zhì)鋼主要用于制造兩種齒輪，一種是對耐磨性要求較高，而沖擊韌性要求一般的硬齒面HB350)齒輪，如；車床、鉆床、銑床等機床的變速箱齒輪，通常采用45、40Cr 、4OMnB、45Mn 2等

9、鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火。 對于高精度、高速運轉(zhuǎn)的齒輪，可采用38CrMoAlA氮化鋼，進行調(diào)質(zhì)后氮化處理。另一種是對齒面硬度要求不高的軟齒面(HB350)齒輪，如車床溜板上的齒輪、車床掛輪架齒輪、汽車曲軸正時齒輪等，通常采用45、40Cr ;35SiMn等鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理,滲碳鋼齒輪,滲碳鋼主要用于制造速度高、載荷重、沖擊較大的硬齒面齒輪，如汽車、拖拉機變速箱、驅(qū)動橋齒輪，立車的重要齒輪等，通常采用20CrMnTi、20MnVB、20CrMnMo等鋼，經(jīng)滲碳淬火、低溫回火處理，表面硬度高而耐磨，心部強韌耐沖擊。為增加齒面殘余壓應力，進一步提高齒輪的疲勞強度，還可隨后進行噴丸處理,塑料齒輪,摩

10、擦系數(shù)小，減震性好，噪音低，重量輕，耐腐蝕等優(yōu)點。但其強度、硬度、彈性模量低，使用溫度不高，尺寸穩(wěn)定性差。故主要用于制造輕載、低速、耐蝕、無潤滑或少潤滑條件下工作的齒輪，如儀表齒輪、無聲齒輪等,5.3.2 典型軸的選材,1. 軸類零件的工作條件： （1）交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應力的復合作用； （2）軸與軸上零件有相對運動，存在摩擦和磨損； （3）軸在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生振動，軸承受沖擊載荷； （4）多數(shù)軸會承受一定的過載載荷,2.軸類零件的失效形式,1）疲勞斷裂（扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂和彎曲疲勞斷裂） （2）大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形甚至斷裂； （3）表面過度磨損,3.軸類零件的性能要求,1）良好的綜合機械

11、性能； （2）高的疲勞強度； （3）足夠的硬度和耐磨性； （4）足夠的淬透性和良好的切削加工性能,4. 軸類零件的選材舉例 機床主軸,常用鋼種：45：40Cr、40MnB、40MnVB。 工藝路線：下料鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工局部高頻淬火+低溫回火磨削加工 當承受較大沖擊載荷時，可選用20CrMnTi、20Cr來制造，其最終熱處理工藝為滲碳+淬火+低溫回火,4. 軸類零件的選材舉例 內(nèi)燃機曲軸,性能要求：b750MPa,整體硬度在240HBS 260HBS，軸頸表面硬度625HV，2%，aK 150kJ/m2. 常用材料：40、45、40Cr、35CrMo、 QT700-2、KTZ500-4等

12、。 175-A型農(nóng)用柴油機曲軸選用QT700-2來制造，其工藝路線：鑄造高溫正火切削加工軸頸氣體滲氮,典型零件選材舉例飛機起落架,1。 起落架的工作條件及性能要求 (1)高的強度，以承受飛機載荷； (2)高的疲勞強度，以抵抗疲勞破壞； (3)高的沖擊韌性，以抵抗沖擊負荷,使用性能分析,顯然，選用的鋼種屬于超高強度鋼 。 見表5-8 ： 30CrMnSiNi2A，30CrMnSiA以及40CrNiMoA。 但是后兩種鋼的韌性和塑性不及30CrMnSiNi2A,工藝性能分析,淬透性：30CrMnsiNi2A淬火雙面冷卻時，筒形零件的厚度小于40毫米，可以淬透。 起落架支柱是焊接件，30CrMnSi

13、A的焊接性略高于30CrMnSiNi2，而40CrNiMoA的焊接性差。30CrMnSiNi2A鋼可用電弧焊焊接；若用氬弧焊，則更易焊接。 切削加工性，三種鋼中30CrMnSiA退火狀態(tài)最好。但30CrMnSiNi2A鋼在不完全退火或正火后可以切削加工。 綜合考慮，所以應選用30CrMnSiNi2A,工藝流程,模鍛正火+低溫回火機械加工焊接去應力退火(600-650)等溫淬火(900加熱、保溫后于180-230等溫60分鐘)低溫回火(250-300)探傷磷化 正火+低溫回火：改善模鍛后組織，同時改善切削加工性。 去應力退火：消除焊接應力，避免裂紋。 等溫淬火(180-230)+低溫回火：獲得最

14、終組織；再通過低溫回火進一步消除應力，提高韌性,機床零件的用材情況,和鑄鐵制造，特別是鑄鐵的用量大約占機床自重的70%，各種碳鋼占20%左右，余下是合金鋼及少量的有色金屬，塑料和陶瓷在機床中用量極少。其中，軸、齒輪等鋼制零件的熱處理較多采用正火、調(diào)質(zhì)、表面淬火等,CA6140車床主要零件的用材情況,汽車的工作條件,經(jīng)常要受到較大的沖擊與過載，工作環(huán)境惡劣，溫度變化大(-3545)，塵土。 汽車零件的磨損問題突出，如發(fā)動機中摩擦副(缸套和活塞環(huán)、連桿瓦和曲軸、凸輪和挺桿等)的粘著磨損；底盤部分(底盤轉(zhuǎn)向器及其聯(lián)動機構(gòu))的磨粒磨損,底盤部分的許多零件在交變、沖擊載荷及振動、過裁、雨雪、風沙的綜合作

15、用下，還容易產(chǎn)生疲勞斷裂及應力腐蝕斷裂。 要求材料的強度、韌性、耐磨性、減摩性、疲勞強度、抗應力腐蝕等性能,作為運載工具、在保證性能的同時，還要求自重輕，以提高重量利用系數(shù)(載重量/車輛自重)與車速，降低油耗，故材料應具有較高的比強度。 發(fā)動機的進、排氣閥，活塞等零件還需在高溫下工作，還要求材料具有較高耐熱性,汽車發(fā)動機零件的用材情況,缸體、缸蓋材料,引擎本體的輕量化：缸體、缸蓋都采用鋁合金材質(zhì)，用先進工藝制造，重量比鑄鐵發(fā)動機大為減輕，提升了降噪減震性和燃油經(jīng)濟性。全鋁合金發(fā)動機比鑄鐵發(fā)動機可以輕一半的重量。本來轎車的總重量就不高，所以發(fā)動機所占的比例就更加不能忽略。 重量減輕的最直接效果便

16、是油耗方便表現(xiàn)的增強，而發(fā)動機的重量也直接影響車輛的行駛性能。由于一般轎車多為前輪驅(qū)動，所以前艙重量如果過重，就會在車輛拐彎時引起轉(zhuǎn)向過度，制動距離增長等等缺點。鋁合金材質(zhì)的引擎克服了這一缺陷，真正的實現(xiàn)了輕便和安全,中科院長春應化所在稀土有色金屬合金的研發(fā)上具有較強的積累和優(yōu)勢。2004年底成功地在我國首次制備出抗拉強度達260MPa280MPa、蠕變變形量0.2%（150、50MPa）、延伸率大于5%的稀土鎂應用合金。已批量生產(chǎn)重卡汽車460馬力稀土鎂合金汽缸罩蓋,汽車底盤零件的用材情況,汽車車身材料,汽車車身除滿足強度和使用壽命的要求外，還應滿足性能、外觀、安全、價格、環(huán)保、節(jié)能等方面的

17、需要,在上世紀八十年代，轎車的整車質(zhì)量中，鋼鐵占80，鋁占3，樹脂為4。自1978年世界爆發(fā)石油危機以來，作為輕量化材料的高強度鋼板、表面處理鋼板逐年上升，有色金屬材料總體有所增加，其中，鋁的增加明顯；非金屬材料也逐步增長，近年來開發(fā)的高性能工程塑料、復合材料，不僅替代了普通塑料，而且品種繁多，在汽車上的應用范圍廣泛,高強度鋼板,從前的高強度鋼板，拉延強度雖高于低碳鋼板，但延伸率只有后者的50，故只適用于形狀簡單、延伸深度不大的零件。現(xiàn)在的高強度鋼板是在低碳鋼內(nèi)加入適當?shù)奈⒘吭?，?jīng)各種處理軋制而成，其抗拉強度高達420MPa，深拉延性能極好，可軋制成很薄的鋼板，是車身輕量化的重要材料。到20

18、00年，其用量已上升到50%左右,鋁合金,與汽車鋼板相比，鋁合金具有密度小（2.7g/cm3）、比強度高、耐銹蝕、熱穩(wěn)定性好、易成形、可回收再生等優(yōu)點，技術成熟。 德國大眾公司的新型奧迪A2型轎車，由于采用了全鋁車身骨架和外板結(jié)構(gòu)，使其總質(zhì)量減少了135kg，比傳統(tǒng)鋼材料車身減輕了43，使平均油耗降至每百公里3升的水平。 由于所有的鋁合金都可以回收再生利用，深受環(huán)保人士的歡迎,鎂合金,鎂的密度為1.8g/cm3，僅為鋼材密度的35，鋁材密度的66。此外它的比強度、比剛度高，阻尼性、導熱性好，電磁屏蔽能力強，尺寸穩(wěn)定性好，因此在航空工業(yè)和汽車工業(yè)中得到了廣泛的應用。 鑄造鎂合金的車門由成型鋁材制成的門框和耐碰撞的鎂合金骨架、內(nèi)板組成。另一種鎂合金制成的車門，它由內(nèi)外車門板和中間蜂窩狀加強筋構(gòu)成，每扇門的凈質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼制車門輕10kg，且剛度極高。 可以制造形狀復雜的薄壁鎂合金車身零件，如前、后擋板、儀表盤、方向盤等,工程塑料,與通用塑料相比，工程塑料具有優(yōu)良的機械性能、電性能、耐化學性、耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等特點，且比要取代的金屬材料輕、成型時能耗少。二十世紀七十年代起，以軟質(zhì)聚氯乙烯、聚氨酯為主的泡沫類、襯墊類、緩沖材料等塑料在汽車工業(yè)中被廣泛采用,碳纖維,