工程材料-第5章-工程材料選擇

第五章工程材料的選擇教學(xué)目的:了解零件失效的概念和主要形式，熟悉機(jī)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(shè)計(jì)方法。教學(xué)內(nèi)容：5.1機(jī)械零件的失效分析5.2機(jī)械零件的選材原則5.3典型零件的選材及工藝路線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)效能的現(xiàn)象。機(jī)械零件失效一般包括以下幾種情況：⑴零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；⑵雖能安全工作，但不能滿意地起到預(yù)期的作用；⑶零件嚴(yán)重?fù)p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變形失效塑性變形彈性變形斷裂失效蠕變斷裂韌性斷裂脆性斷裂疲勞斷裂表面損傷失效腐蝕失效磨損失效5.1.2零件失效的形式1.設(shè)計(jì)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(yīng)力集中。對(duì)零件的工作條件和工作環(huán)境估計(jì)不足，都容易引起零件的失效。2.加工制造安裝不當(dāng)——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(shí)容易出現(xiàn)過熱、過燒或帶狀組織；熱處理時(shí)容易出現(xiàn)表面脫碳、淬火變形、開裂等。安裝時(shí)配合過緊、過松，對(duì)正不好，都會(huì)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(shí)維護(hù)不良，不按工藝規(guī)程操作，也會(huì)導(dǎo)致零件在不正常條件下運(yùn)行。4.選材錯(cuò)誤——設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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。5.1.3零件失效的原因航空零件失效原因統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)選材加工裝配

使用其它33.723.821.818.32.45.2機(jī)械零件的選材原則使用性原則工藝性原則經(jīng)濟(jì)性原則5.2.1使用性原則零件所用的材料首先應(yīng)該滿足使用的要求，包括力學(xué)性能和其他性能的要求。在使用時(shí)不出現(xiàn)失效的情況.1.零件的強(qiáng)度——零件應(yīng)該具有能夠承受工作載荷的強(qiáng)度，不出現(xiàn)過量彈性變形、明顯塑性變形或斷裂。零件的強(qiáng)度與材料的強(qiáng)度有關(guān)，也與其結(jié)構(gòu)、尺寸等因素有關(guān)。2.材料的韌性——零件的選材不但要滿足強(qiáng)度要求，而且要考慮韌性要求。特別是工作時(shí)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(duì)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(xué)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(guān)，同時(shí)也決定于機(jī)器中各相關(guān)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(dòng)機(jī)的渦輪葉片應(yīng)具有足夠的蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和高溫疲勞強(qiáng)度。高速切削刀具應(yīng)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(yīng)該能夠易于加工出合格的零件。盡量選用工藝簡(jiǎn)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(yīng)具有好的焊接和冷變形性能；而大多數(shù)的機(jī)器零件對(duì)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(dòng)加工機(jī)床選用易切鋼，可以延長(zhǎng)刀具壽命，提高生產(chǎn)率，改善零件的表面光潔度；在機(jī)械制造業(yè)中還常?？紤]以鐵代鋼，以鑄代鍛也簡(jiǎn)化了工藝，同時(shí)還降低成本。1.選材的經(jīng)濟(jì)性涉及到材料本身成本的高低，供應(yīng)是否充分，加工成品率和加工效率的高低，甚至機(jī)器零件設(shè)計(jì)使用壽命的長(zhǎng)短。2.通常在滿足零件使用性能要求的前提下，應(yīng)盡量?jī)?yōu)先選用價(jià)廉的材料。3.考慮材料的經(jīng)濟(jì)性時(shí)，切不可以單價(jià)來評(píng)價(jià)材料的優(yōu)劣，而應(yīng)當(dāng)以綜合效益來評(píng)價(jià)材料經(jīng)濟(jì)性的高低。5.2.3經(jīng)濟(jì)性原則零件選材的基本思路：零件的加工工藝零件的工作條件零件的失效形式零件的性能要求零件的材料選擇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(yīng)力；（2）換檔、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部承受一定的沖擊載荷；（3）齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力和摩擦力。5.3.1典型齒輪的選材2.齒輪的失效形式（1）輪齒斷裂（2）齒面點(diǎn)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(qiáng)度；（2）高的接觸疲勞強(qiáng)度；（3）較高的強(qiáng)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(jī)器中主要擔(dān)負(fù)傳遞功率與調(diào)節(jié)速度的任務(wù)，有時(shí)也起改變運(yùn)動(dòng)方向的作用。它在工作時(shí)，通過齒面的接觸傳遞動(dòng)力，周期地受彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力的作用，在嚙合的齒面上，相互滾動(dòng)和滑動(dòng)造成強(qiáng)烈的摩擦，有些齒輪在換檔、啟動(dòng)或嚙合不均勻時(shí)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(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度;齒面具有高的硬度和耐磨性:齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度與韌性。對(duì)于不同機(jī)器中的齒輪工作條件的差異，對(duì)性能的要求也有不同。故應(yīng)選用不同的材料與強(qiáng)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(yán)重，對(duì)材料的強(qiáng)化要求也愈高。齒輪精度要求愈高，對(duì)材料尺寸穩(wěn)定性和耐磨性的要求也應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受的沖擊愈大，對(duì)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(duì)耐磨性要求較高，而沖擊韌性要求一般的硬齒面〈HB>350)齒輪，如；車床、鉆床、銑床等機(jī)床的變速箱齒輪，通常采用45、40Cr、4OMnB、45Mn2等鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后表面淬火。對(duì)于高精度、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪，可采用38CrMoAlA氮化鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)后氮化處理。另一種是對(duì)齒面硬度要求不高的軟齒面(HB≤350)齒輪，如車床溜板上的齒輪、車床掛輪架齒輪、汽車曲軸正時(shí)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(jī)變速箱、驅(qū)動(dòng)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(qiáng)韌耐沖擊。為增加齒面殘余壓應(yīng)力，進(jìn)一步提高齒輪的疲勞強(qiáng)度，還可隨后進(jìn)行噴丸處理。塑料齒輪摩擦系數(shù)小，減震性好，噪音低，重量輕，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但其強(qiáng)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(rùn)滑或少潤(rùn)滑條件下工作的齒輪，如儀表齒輪、無聲齒輪等。A380選材從A380選材的分布來看，鋁合金占的比重最大，達(dá)機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的61%，因此要實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術(shù)，具體是提高強(qiáng)度和損傷容限，加強(qiáng)穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機(jī)翼部位(機(jī)翼的80%以上是鋁合金材料)要提高性能。A380復(fù)合材料的應(yīng)用A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運(yùn)輸機(jī)上應(yīng)用復(fù)合材料的飛機(jī)。A380飛機(jī)是空中客車第一次將碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）應(yīng)用于中央翼盒的飛機(jī)，這種結(jié)構(gòu)與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復(fù)合材料。A380鈦合金用量在A380的結(jié)構(gòu)中，鈦合金用量較空中客車其它機(jī)型有所增加，達(dá)到10%。在A380飛機(jī)上采用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V。在A380上第一次采用了新型鈦合金VST55531，用于A380飛機(jī)的機(jī)翼和掛架之間的連接件。機(jī)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(jī)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(jī)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(-35~45℃)，塵土。汽車零件的磨損問題突出，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(dòng)、過裁、雨雪、風(fēng)沙的綜合作用下，還容易產(chǎn)生疲勞斷裂及應(yīng)力腐蝕斷裂。要求材料的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、減摩性、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕等性能。作為運(yùn)載工具、在保證性能的同時(shí)，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(yīng)具有較高的比強(qiáng)度。發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、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(dòng)機(jī)零件的用材情況零件材料熱處理及其它發(fā)動(dòng)機(jī)零件缸體、缸蓋HT200去應(yīng)力退火ZL104淬火、時(shí)效曲軸QT600-3表面淬火、圓角滾壓、氮化活塞銷20、20CrMnTi、20Cr、12Cr2Ni4滲碳、淬火、低溫回火連桿、連桿螺栓、曲軸45、40Cr、40MnB調(diào)質(zhì)（探傷）排氣門4Cr9Si2淬火、回火汽門彈簧65Mn、50CrVA淬火、中溫回火活塞ZL108、ZL110淬火、時(shí)效汽車底盤零件的用材情況汽車底盤零件縱梁、橫梁、傳動(dòng)軸、保險(xiǎn)柜、鋼圈25、16Mn鋼板沖壓前橋（前軸）、轉(zhuǎn)向節(jié)臂（羊角）、半軸45、40Cr、40MnB模鍛、調(diào)質(zhì)、圓角滾壓（探傷）變速箱齒輪、后橋齒輪20CrMnTi、12Cr2Ni4滲碳、淬火、低溫回火變速器殼、離合器殼HT200去應(yīng)力退火板簧65Mn、60Si2Mn、淬火、中溫回火、噴丸駕駛室、車廂、罩08、20鋼板沖壓美元硬幣的材質(zhì)

美國(guó)在1964年以前發(fā)行的大小銀幣，其成分皆含銀九銅一。由于銀價(jià)持續(xù)上漲，幣材將超過面值，當(dāng)白銀價(jià)格在上世紀(jì)30年代初期大漲時(shí)，各式銀幣遭囤積熔化成錠塊，使美國(guó)