工程材料的選用與發(fā)展課件

工程材料的選用與發(fā)展第一節(jié)零件失效分析一、基本概念二、失效形式：過量變形、斷裂、表面損傷、物理性能降級。三、失效原因：設計、材料、加工、使用四、失效分析的基本步驟與方法1調查取證2整理分析3試驗分析4綜合分析得出結論第二節(jié)材料選擇的原則選材的動機——開發(fā)新產品、產品的改進和更新換代。選材原則

使用、工藝性能經濟性環(huán)境與資源原則一、材料的使用性能——首要原則１.零件的工作條件和失效形式零件失效類型變形——彈、塑性變形。斷裂——脆、塑性，疲勞斷裂。表面損傷——磨損、腐蝕等。零件工作條件常見失效形式性能要求應力

種類載荷

性質受載

狀態(tài)螺栓拉、剪靜載--過量變形，斷裂強度，塑性傳動軸彎、扭循環(huán)

沖擊軸頸

摩擦疲勞斷裂，過量變形

，軸頸磨損綜合力學性能傳動齒輪壓、彎循環(huán)

沖擊摩擦

振動斷齒，磨損，

疲勞斷裂，接觸疲勞表面高硬度及疲勞極限

，心部強度及韌性彈簧扭、彎交變

沖擊振動彈性失穩(wěn)，

疲勞破壞彈性極限，屈強比

，疲勞極限零件失效的原因——設計、材料、加工、安裝和使用。２.工作環(huán)境——溫度，介質（如腐蝕，摩擦）。３.特殊功能要求——導電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。４.性能要求的指標化——如強硬度、塑韌性等的具體數值。手冊數據、經驗公式的局限性——力學性能與零件尺寸有關40鋼不同尺寸毛坯的力學性能

熱處理條件毛坯尺寸/mmσb

/MPaδ/%AKU

/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340二、工藝性能——鑄、鍛、焊、機加工、熱處理零件的加工工藝路線一般零件——毛坯→正火或退火→切削加工軸、齒輪等毛坯→預先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火＋回火，時效，滲C等）→精加工精密絲杠毛坯→預先熱處理→粗加工→最終熱處理→半精加工→ 時效（或N化）→精加工→時效三、經濟性——根本原則１.產品成本分析基本材料的成本（價格、利用率）——占總成本的30~70%制造（加工）成本——約占零件成本的30%加工成本=工具與設備費用+每件產品成本×生產批量材

料美元

/t材料美元

/t鉑26,000,000工業(yè)金剛石900,000,000金19,100,000硼―環(huán)氧樹脂復合材料330,000鎢26,000碳纖維復材料200,000鈦合金10,190～12,720

玻璃纖維復合材料2400～3300

黃銅（型材）1650～2336

尼龍663289鋁合金（型材）2000～2440

環(huán)氧樹脂1650低碳鋼（型材）440～480

天然橡膠1430鑄鐵260氧化鋁1100-1760硬質合金66,000玻璃1500四、環(huán)境與資源原則——貫穿材料生產、使用、廢棄的全過程１.減少材料使用量、延長零件壽命、材料再利用。重要金屬的世界儲量２.環(huán)境污染小廢氣排放少材料回收及降解

儲量（106t）可用年數再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751第三節(jié)典型零件的選材與工藝一、齒輪選材性能要求——齒面硬度（決定彎曲、接觸疲勞強度，耐磨性）強度，韌性。選材調質鋼——調質+表面淬火+低溫回火滲C鋼——硬度、韌性高。實例——載重汽車變速箱齒輪

性能指標

——σb>1000MPa，aKU2≥50J

，齒面硬度≥HRC55。

選材——20CrMnTi，σb

>1080MPa

，aKU2≥

55J，齒面HRC≥58~63。

最終熱處理工藝——930℃滲C+預冷830℃油淬+200℃回火

最終組織——心部：回火M+F齒面：回火M+碳化物+A'

工藝路線——鍛造→正火→機加工→滲C、淬火＋低溫回火→噴丸→磨削二、機床主軸選材性能要求——強度、塑韌性，疲勞強度，軸頸耐磨性。普通車床（輕載）主軸——45鋼調質或正火，軸頸高頻表面淬火。銑床（中載）主軸——40Cr等調質，軸頸高頻表面淬火。組合機床（重載）主軸——20CrMnTi，經滲C、淬火、回火處理。精密鏜床（高精度）主軸——38CrMoAl，調質+N化+時效。實例１——C620車床主軸，綜合機械性能一般；大端軸頸等部位耐磨性高。

性能指標——硬度220～250HB，軸頸52HRC。

選材——45鋼

熱處理工藝——830℃水淬+500℃回火+軸頸高頻淬火+200℃回火

最終組織——心部：回火S軸頸表面：回火M

工藝路線——鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→表面淬火＋低溫回火→磨削三、內燃機曲軸選材性能要求——強度，韌性，彎曲、扭轉疲勞強度和剛度，軸頸耐磨性。選材——調質鋼（韌性高）、球墨鑄鐵。實例——175A型農用柴油機曲軸

性能指標

——σb>750MPa，整體硬度240～260HBS，

軸頸表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。

選材——QT700-2

熱處理工藝——880~920℃正火+500～600℃回火+軸頸

N化

最終組織——P+G+少量F

工藝路線——鑄造→高溫正火→高溫回火→機加工→軸頸

N化小結重點要求在一定的服役條件下，典型零件的選材及制定熱處理工藝的方法。

一般要求1.選材原則——材料的使用性能、工藝性能和經濟性。2.典型零件的加工工藝路線。3.零件失效的概念。本章是本課程的綜合及實際應用1.欲做下列零件：小彈簧、高速軸承、螺釘、手鋸條、齒輪，試為其各選一材料（待選材料：ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10）。2.某汽車變速箱齒輪，要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齒面硬度≥HRC58，試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。3.某連桿螺栓，要求σb≥950MPa

,σs≥700MPa，aKU2

≥45J

，試選一材料，制定最終熱處理工藝，指出最終組織。（第2、3題的待選材料：H70、20CrMnTi、T10、GCr15、60Si2Mn、

45、Q390、2Cr13、LC4、40Cr、Cr12MoV）滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）p172主要化學成分,%預備處理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油鋼號20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油機械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63back調質鋼的牌號（摘自GB/T3077－1999）

p174淬透性鋼號主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油機械性能

bMPa

sMPaaKU2J

600

3553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油9807854798078547980835639808357198078563backC620車床主軸

p336back球墨鑄鐵的牌號、性能

p211牌號基體機械性能

bMPa

0.2MPa

5%akkJ/m2HBQT400-17F40025017600

179QT420-10F42027010300

207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202160229-302QT700-2P7004902160229-302QT800-2P8005602160241-321QT1200-1下B12008401300

38HRC熱處理p213back175A型農用柴油機曲軸

p339第四節(jié)計算機在材料科學中的應用一、計算機材料設計二、計算機模擬的應用三、計算機材料數據庫四、人工智能的應用五、計算機在材料組成和結構研究及數據處理和圖像處理中的應用六、計算機在材料性能表征和性能研究中的應用七、材料工藝過程的優(yōu)化及自動控制八、計算機網絡在材料研究中的應用第五節(jié)材料與環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展一、可持續(xù)發(fā)展概念二、材料與環(huán)境及其教育三、環(huán)境材料及其研究四、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略下的材料選擇第六節(jié)新材料研究的發(fā)展趨勢一、新材料的特點二、新材料和現代高新技術的關系三、新材料研究的發(fā)展趨勢高速電主軸在臥式鏜銑床上的應用越來越多，除了主軸速度和精度大幅提高外，還簡化了主軸箱內部結構，縮短了制造周期，尤其是能進行高速切削，電主軸轉速最高可大10000r/min以上。不足之處在于功率受到限制，其制造成本較高，尤其是不能進行深孔加工。而鏜桿伸縮式結構其速度有限，精度雖不如電主軸結構，但可進行深孔加工，且功率大，可進行滿負荷加工，效率高，是電主軸無法比擬的。因此，兩種結構并存，工藝性能各異，卻給用戶提供了更多的選擇?，F在，又開發(fā)了一種可更換式主軸系統(tǒng)，具有一機兩用的功效，用戶根據不同的加工對象選擇使用，即電主軸和鏜桿可相互更換使用。這種結構兼顧了兩種結構的不足，還大大降低了成本。是當今臥式鏜銑床的一大創(chuàng)舉。電主軸的優(yōu)點在于高速切削和快速進給，大大提高了機床的精度和效率。臥式鏜銑床運行速度越來越高，快速移動速度達到25～30m/min，鏜桿最高轉速6000r/min。而臥式加工中心的速度更高，快速移動高達50m/min，加速度5m/s2，位置精度0.008～0.01mm，重復定位精度0.004～0.005mm。落地式銑鏜床銑刀由于落地式銑鏜床以加工大型零件為主，銑削工藝范圍廣，尤其是大功率、強力切削是落地銑鏜床的一大加工優(yōu)勢，這也是落地銑鏜床的傳統(tǒng)工藝概念。而當代落地銑鏜床的技術發(fā)展，正在改變傳統(tǒng)的工藝概念與加工方法，高速加工的工藝概念正在替代傳統(tǒng)的重切削概念，以高速、高精、高效帶來加工工藝方法的改變，從而也促進了落地式銑鏜床結構性改變和技術水平