機(jī)械設(shè)計與選材要點

1、第10章機(jī)械設(shè)計與選材本章學(xué)習(xí)要求1. 了解機(jī)械零件的失效和失效的形式;2掌握選材的原則和分析方法；3.學(xué)會常用機(jī)械零件選材。本章學(xué)習(xí)重點選材的原則；常用機(jī)械零件選材和工藝路線。學(xué)習(xí)方法指導(dǎo)選材的動機(jī)： 首次開發(fā)生產(chǎn)一種新產(chǎn)品、新零件或新裝置； 現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)和更新?lián)Q代； 零件過早失效甚至災(zāi)難性事故發(fā)生后，需改變用材第1節(jié)機(jī)械零件的失效分析失效的概念當(dāng)零件由于某種原因喪失預(yù)定的功能時，即它發(fā)生了失效零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作不安全；雖能安全工作，但不能滿意地起到預(yù)期的作用。失效的形式變形失效零件失效斷裂失效表面損傷失效腐蝕失效工作條件估計錯誤計算錯誤選材不當(dāng)結(jié)構(gòu)外型不合理材

2、質(zhì)低劣失效分析的方法基本環(huán)節(jié)示意圖熱處理缺陷操維零件失效服役條件失效類型術(shù)應(yīng)力分析 技無損探傷 析斷口分析 分金相分析 一 化學(xué)分析 機(jī)械性能 失 測試失效零件主要抗力指標(biāo)改進(jìn)設(shè)計變斷磨形裂損力學(xué)分析 應(yīng)力分析加強(qiáng)管理改進(jìn)工藝抗力指標(biāo)與內(nèi)外指標(biāo)與壽命關(guān)系，提高零件失效抗力的途徑實驗室試驗使用考驗工業(yè)試驗第2節(jié)選材的依據(jù)和基本原則從材料使用性能的角度出發(fā)，選用的材料必須保證零件在使用過程中具有良 好的工作能力；根據(jù)材料工藝性能的要求，必須保證零件便于加工制造；從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，必須保證零件的總成本最低。環(huán)境與資源原則使用性能與選材-首要原則使用性能主要指零件在使用狀態(tài)下應(yīng)具有的力學(xué)性能、物理性能

3、和化學(xué)性能。分析零件的工作條件首先應(yīng)判斷零件在工作中所受載荷的性質(zhì)和大小，計算載荷引起的應(yīng)力分布。i載荷的性質(zhì)是決定材料使用性能的主要依據(jù)之一。ii計算應(yīng)力是確定材料使用性能的數(shù)量依據(jù)?？紤]零件的工作環(huán)境：環(huán)境因素會與零件的力學(xué)狀態(tài)綜合作用，提出更為復(fù)雜 的性能要求。最后還應(yīng)充分考慮材料的某些特殊要求。受力狀況載荷的類型（如靜載、動載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等），載荷的作用形式（如 拉伸、壓縮、彎曲或扭轉(zhuǎn)等），載荷的大小以及分布特點（如均布載荷或集中 載荷）。環(huán)境狀況溫度（如低溫、高溫、常溫或變溫）及介質(zhì)情況（如有無腐蝕或摩擦作用）。特殊功能導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。進(jìn)行失效分析失效抗

4、力取決于材料的性能，對零件主要失效形式的分析常?？梢跃C合出零件 所要求的主要使用性能。零件性能要求的指標(biāo)化將零件對使用性能的要求具體轉(zhuǎn)化為實驗室力學(xué)性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、韌性、塑性、硬度等）；再根據(jù)工作應(yīng)力、使用壽命或安全性確定性能指標(biāo)的具體數(shù)值。選材與材料工藝性能的關(guān)系材料的工藝性能主要包括冷加工性能如冷變形加工和切削加工性能，熱加工性能如 鑄造性能、焊接性能、鍛造性能和熱處理性能等。盡量選用工藝簡單的材料選材材質(zhì)與其工藝性要求各工序工藝之間的相互聯(lián)系和結(jié)合性能、質(zhì)量要求不高的零件毛坯一- 正火或退火一-切削加工一- 零件。如鑄鐵或碳鋼，只要注意采用適宜的毛坯制造方法，其工藝性能均能滿足要求。性

5、能要求較高的零件（如軸、齒輪等）毛坯一-預(yù)先熱處理（正火、退火）一-粗加工一-最終熱處理（淬火十回火, 固溶時效，滲碳處理等）一-精加工一-零件。金屬零件用材多為碳鋼、合金鋼、高強(qiáng)鋁合金等，其中有些材料的加工性能存 在問題，因此選材時應(yīng)注意對其工藝性能的分析。性能和質(zhì)量要求極高的零件（如精密絲杠）毛坯一-預(yù)先熱處理（正火、退火）一-粗加工一-最終熱處理（淬火 M氐溫回 火，固溶時效或滲碳）一-半精加工一-穩(wěn)定化處理（或氮化）一-精加工一 一穩(wěn)定化處理一- 零件。加工路線復(fù)雜，加工精度和質(zhì)量要求高，在選材時應(yīng)務(wù)必保證材料的工藝性能。經(jīng)濟(jì)性與選材產(chǎn)品成本與性能的關(guān)系：先進(jìn)武器系統(tǒng)和宇宙飛船工業(yè)化生

6、產(chǎn)大眾消費品產(chǎn)品成本分析1 .基本材料的成本材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的份額（3070% o選擇更為廉價的材料是降低產(chǎn)品成本的重要手段之一；提高材料的利用程度，降低制造過程中的材料消耗量（我國鋼材利用率平均為65%而 美國達(dá)到80% 。我國常用金屬材料的相對價格材料相對價格材料相對價格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1銘不銹鋼5優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.31.5銘像不銹鋼15合金結(jié)才鋼（Cr-Ni鋼除外）1.72.5灰鑄鐵1.4銘鍥合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5鑄造鋁合金、銅合金810滾珠軸承鋼3普逋黃銅1317低合金工具鋼34錫青銅、鋁青銅19高速鋼1620鈦合金5080硬質(zhì)合金150200（工程塑料）515基本材

7、料的價格的影響因素：提煉和制取的成本礦物資源的儲量、開采成本、礦石品位等材料的提純、合金化（合成）成本加工增值成本供求關(guān)系所造成的價格波動2 .制造成本。加工成本約占零件成本的30批右，生產(chǎn)批量越少，這一比例越高?？偝杀綪=T+xN T為工具與設(shè)備費用，x代表每件產(chǎn)品的成本，N為生產(chǎn)批量 （件/批）。普亞后昭也社N產(chǎn)量對制造成本的影響環(huán)境與資源原則隨著地球資源的日益枯竭、環(huán)境的日益惡化，材料的環(huán)境和資源準(zhǔn)則在今后會變得日益重要。 這一準(zhǔn)則要求材料在生產(chǎn)使用廢棄的全過程中，對能源和資源的消耗少，對生態(tài)環(huán)境 影響小，可以完全再生利用或廢棄時完全降解。1 .能源和資源消耗少世界能源儲藏量石油天然氣煤

8、鈾可開采儲量9970億桶138萬億mi1, 039, 272 噸200萬噸可開采年限45.5 年64年219年74年主要產(chǎn)地及儲量比例中東66.4%獨聯(lián)體、中東70%美、蘇、中、澳 > 70%重要金屬的世界儲量儲量(106t )可用年數(shù)再生率(%)Fe1 X 10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751通過產(chǎn)品的小型化，材料輕量化，減少材料的絕對使用量；通過零件的長壽命化和再利用，減少材料的相對使用量； 通過易分選及可再生循環(huán)材料的利用，降低對天然資源的依賴； 選用能耗低的材料及

9、加工工藝。2 .環(huán)境污染小環(huán)境準(zhǔn)則必將成為選材的重要依據(jù)之一，即要求材料在生產(chǎn)一使用一廢棄的全過程中具有與環(huán) 境的協(xié)調(diào)性，充分降低對環(huán)境造成的負(fù)荷。采用能耗少、污染小的材料，節(jié)能無害化的生產(chǎn)、制造工藝，選擇可再生循環(huán)性好的材料(材質(zhì)單純，化學(xué)組成簡單，便于提純，通用性強(qiáng))，降低 廢棄物環(huán)境負(fù)荷，選擇以再生資源為原料的材料。生產(chǎn)各種材料消耗的能量及碳的排放量材料礦物燃料能耗排碳里MJ/KgMJ/mKg/tKg/m3木材1.52.8750139030561528混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000

10、定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金EP/ CT b24145100500475-1002710-1029E生產(chǎn)每公斤材料的能耗p 材料密度仃b抗拉強(qiáng)度3 .材料的可再生循環(huán)性：混凝土雖能耗低但幾乎不能回收、降解；木材不但能耗低，還能充分回收，并可以降解；多數(shù)塑料回收率很低；金屬材料能耗高但可較容易地回收，其中鋁的回收價值尤其高，擴(kuò)大對再生鋁的利用， 具有相當(dāng)大的環(huán)境意義。選材的一般程序1 .基于對具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對同類零件現(xiàn)有狀況（所用 材料、使用壽命、失效形式以及供應(yīng)情況）的調(diào)研，再結(jié)合力學(xué)計算或試驗確定零 件應(yīng)具有的力學(xué)性能指標(biāo)和理化性能指標(biāo)。2 .對若干備選材料的性能指標(biāo)和制造工藝進(jìn)行綜合分析和篩選，初步選定材料的牌號、規(guī)格及制造工藝。3 .進(jìn)行實驗室試驗以檢驗選用材料是否達(dá)到各項性能要求，并進(jìn)行小批試生產(chǎn)以檢驗材料制造過程中工藝性是否滿足要求。小批試驗產(chǎn)品質(zhì)量合格后，選材方案即可 確定下來。實例：解放牌載重汽車變速