材料的選用與發(fā)展

1、第十六章工程材料的選用與發(fā)展11 零件的失效與失效分析失效: 1、零件完全破壞，不能繼續(xù)工作 2、零件嚴(yán)重?fù)p傷，不能繼續(xù)安全工作 3、零件雖能安全工作，但已不能起到預(yù)期作用23.形式過(guò)量變形失效過(guò)量彈性變形過(guò)量塑性變形斷裂失效韌性斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂蠕變斷裂疲勞斷裂低應(yīng)力斷裂脆性斷裂表面損傷失效磨損接觸疲勞腐蝕3失效分析方法1）收集證據(jù)2）斷口分析，判斷失效方式失效零件的殘骸失效零件的資料3）測(cè)定數(shù)據(jù)，包括成分、組織和性能的分析與測(cè)試4）確定失效原因41.材料的力學(xué)性能: 根據(jù)零件的工作條 件、損壞(或失效)形式 , 選擇滿足力 學(xué)性能的材料。2.材料的工藝性能:對(duì)零件加工生產(chǎn)有 直接的影響,甚至

2、是決定性的。3.材料的經(jīng)濟(jì)性:主要是性價(jià)比。2 選材的基本原則5選擇材料的基本過(guò)程62 選材的基本原則選材原則1使用性能首要原則1、根據(jù)零件工作條件，確定其使用性能要求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(jì)算應(yīng)力是確定材料使用性能的數(shù)量依據(jù)。受力狀態(tài)拉、壓、彎、扭載荷性質(zhì)靜載、沖擊載荷、交變載荷載荷大小重載、中載、輕載工作溫度低溫、室溫、高溫、交變溫度環(huán)境介質(zhì)加潤(rùn)滑劑、接觸酸、堿、鹽、海水、粉塵等其他性能導(dǎo)熱、導(dǎo)電、磁性、膨脹、輻射、比重等使用性能包括?72. 進(jìn)行失效分析失效抗力取決于材料的性能，對(duì)零件主要失效形式的分析常常可以綜合出零件所要求的主要使用性能。 幾種常用零件

3、的工作條件和失效形式零件工作條件常用失效形式性能要求應(yīng)力種類載荷性質(zhì)受載狀態(tài)螺栓拉、剪靜載過(guò)量變形，斷裂強(qiáng)度，塑性傳動(dòng)軸彎、扭循環(huán)，沖擊軸頸摩擦疲勞斷裂，過(guò)量變 形，軸頸磨損綜合力學(xué)性能傳動(dòng)齒輪壓、彎循環(huán)，沖擊摩擦，振動(dòng)斷齒，磨損，疲勞斷裂，接觸疲勞表面高強(qiáng)度及疲勞極限，心部強(qiáng)度及韌性彈簧扭、彎交變，沖擊振動(dòng)彈性失穩(wěn)，疲勞破壞彈性極限，屈強(qiáng)比，疲勞極限83零件性能要求的指標(biāo)化將零件對(duì)使用性能的要求具體轉(zhuǎn)化力學(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。 (1) 受力狀況不同，設(shè)計(jì)依據(jù)的性能指標(biāo)、計(jì)算公式不同。 例如：=sk 屈服強(qiáng)度 純剪純拉

4、載荷-彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷(2) 應(yīng)綜合考慮塑性、韌性和強(qiáng)度指標(biāo)，并加以合理的配合。塑性、韌性過(guò)剩而降低零件壽命。9選材原則2材料的工藝性高分子材料成型工藝簡(jiǎn)單，切削加工性好導(dǎo)熱性差陶瓷材料只能用SiC，金剛石砂輪磨削可加工性差金屬材料 加工方法多樣鑄、鍛、焊、切削、熱處理鑄件共晶合金鍛件、沖壓件固溶體合金焊接結(jié)構(gòu)低碳鋼、低碳合金鋼高強(qiáng)度、大截面、形狀復(fù)雜合金鋼切削加工材料硬度，熱處理改善組織及性能1011選材原則3材料的經(jīng)濟(jì)性總成本 = 材料本身價(jià)格 + 加工費(fèi) + 其他（運(yùn)費(fèi)、安裝費(fèi)等）降低成本，就近取材；考慮材料生產(chǎn)、供應(yīng)情況；選材少而集中，便于采購(gòu)和管理從實(shí)際出發(fā)，全面考慮機(jī)械性能、工藝性能

5、、生產(chǎn)成本。12基本材料的成本材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的份額（3070%）。 選擇更為廉價(jià)的材料是降低產(chǎn)品成本的重要手段之一； 基本材料的價(jià)格的影響因素： 提煉和制取的成本； 礦物資源的儲(chǔ)量、開(kāi)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(jià)格波動(dòng) ； 13第三節(jié) 典型零件的選材及工藝分析機(jī)床主軸汽車半軸機(jī)床齒輪汽車齒輪143 典型零件的選材與工藝過(guò)程一、軸類的選材與工藝1）承受交變、扭轉(zhuǎn)和拉-壓載荷2）相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面發(fā)生磨損3）承受一定的沖擊載荷1.工作條件2.主要失效形式1）斷裂（疲勞為主，沖擊過(guò)載為輔）2）磨損 3）過(guò)量變形153

6、典型零件的選材與工藝過(guò)程3.對(duì)材料的要求1）高的強(qiáng)韌性 2）高的疲勞極限 3）良好的耐磨性164. 軸的分類1）受力不大，主要考慮剛度和耐磨性2）主要受彎曲、扭轉(zhuǎn)的軸3）同時(shí)承受彎曲（或扭轉(zhuǎn)）及拉壓載荷碳鋼或球墨鑄鐵中碳鋼38CrMoAlA中碳鋼45，40Cr，40MnB高淬透性鋼17輕載主軸（如普通車床主軸） 45鋼調(diào)質(zhì)或正火，軸頸高頻表面淬火。 中載主軸（如銑床主軸） 40Cr等調(diào)質(zhì)處理，軸頸高頻表面淬火。 重載主軸（如組合機(jī)床主軸） 20CrMnTi ，經(jīng)滲碳、淬火、回火處理。 高精度主軸（如精密鏜床主軸） 38CrMoAl ，調(diào)質(zhì) + 氮化 + 時(shí)效。 18二、齒輪的選材與工藝1）齒根

7、承受較大的交變彎曲應(yīng)力2）齒的表面承受較大的接觸應(yīng)力3）承受沖擊載荷1.特點(diǎn)2.主要失效形式1）斷裂 2）齒面損傷 3）特殊失效19二、齒輪的選材與工藝3.對(duì)材料的要求1）高的彎曲疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂 2）高的接觸疲勞強(qiáng)度，高的硬度和耐磨性，防止齒面損傷 3）心部強(qiáng)韌性好，防止沖擊過(guò)載斷裂204. 對(duì)材料的要求1）高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度2）齒面高的硬度和耐磨性3）齒心具有足夠強(qiáng)度和韌性調(diào)質(zhì)處理表面淬火表面強(qiáng)化21三、箱體類的選材與工藝1. 特點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜2. 對(duì)材料的要求1）受力較大，高強(qiáng)度高韌性的箱體零件鑄鋼2）受力不大，受靜載的箱體零件灰鑄鐵3）受力不大，要求自重輕，導(dǎo)熱良好的箱體

8、零件鑄造鋁合金4）受力不大，要求自重輕的箱體零件工程塑料22四、刀具選材1）冷硬性（高的硬度和耐磨性）2）熱硬性（高速切削）3）堅(jiān)韌性（振動(dòng)與沖擊）1.特點(diǎn)23四、刀具選材1）高速鋼（俗稱鐸鋼、白鋼或凡鋼）。高速鋼刀具制造簡(jiǎn)單、刃磨方便，容易磨得鋒利，而且堅(jiān)韌性較好，能承受較大的沖擊力，因此常用于加工一些沖擊性較大、形狀不規(guī)則的零件，如寬刃大走刀的車刀，梯形螺紋精車刀等。但是，高速鋼的熱硬性較差（約500600）不宜用于高速切削。高速鋼車刀常用的有W18Cr4V和W9Cr4V2兩種牌號(hào)。2. 刀具材料24四、刀具選材1）硬質(zhì)合金（俗稱鎢鋼） 硬質(zhì)合金能耐高溫，有好的熱硬性，在1000左右尚能保

9、持良好的切削性能，耐磨性也很好，常溫下硬度達(dá)HRA8792.8，而且具有一定的使用強(qiáng)度。缺點(diǎn)是性脆、怕震，堅(jiān)韌性差，但這一缺陷，可以通過(guò)刃磨合理的切削角度來(lái)彌補(bǔ)。所以硬質(zhì)合金是目前應(yīng)用最廣泛的一種車刀材料，特別在高速切削的條件下尤其有利。2. 刀具材料25一.C616 416車床主軸26一) 工作條件: 1.該軸在滾動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.承受中等負(fù)荷,承受一定的沖擊力。 3.轉(zhuǎn)速中等。 二) 技術(shù)要求: 1.整體調(diào)質(zhì)后硬度應(yīng)為HB200230,金相組 織為回火索氏體。 2.內(nèi)錐孔和外圓錐面處硬度為HRC4550, 表面35mm內(nèi)金相組織為回火屈氏體和 少量回火馬氏體。 3.花鍵部分硬度HRC48

10、50,金相組織同上。27三) 選材: 45鋼。四) 加工工藝路線:下料 鍛造 正火 粗加工 調(diào)質(zhì) 半精加工 鉆中心孔 精車加工 銑鍵槽 局部淬火(錐孔及外錐體)粗磨 滾銑花鍵 花鍵淬火 精磨 28五）熱處理工藝 820840水淬 + 500550高溫回火 + 軸頸高頻淬火（水冷）+ 180200低溫回火 最終組織 心部 S；軸頸表面 M 。 29二.YJ 130汽車半軸30一) 工作條件: 1.該軸在上坡或啟動(dòng)時(shí),承受較大扭矩。 2.承受一定的沖擊力和具有較高的抗彎能力。 3.承受反復(fù)彎曲疲勞應(yīng)力。二) 技術(shù)要求: 1.桿部硬度HRC3744;盤(pán)部外圓硬度HRC 2434 ;金相組織為回火索氏

11、體和回火屈 氏體。 2.彎曲度:桿中部1.8mm;盤(pán)部跳動(dòng)2.0mm。31三) 選材:40Cr、42CrMo、40CrMnMo。四) 加工工藝路線:下料 鍛造 正火 粗加工 調(diào)質(zhì) 半精加工 精車加工 盤(pán)部鉆孔 磨花鍵 32三.C616機(jī)床齒輪一) 工作條件: 1.工作負(fù)荷不太大。 2.中速運(yùn)轉(zhuǎn)(610m/s)。二) 技術(shù)要求: 1.齒面硬度HRC4550,金相組織為回 火索氏體。 2.齒心部硬度HRC2225,金相組織為 回火馬氏體。33三) 選材: 40、45鋼。四) 加工工藝路線:下料 鍛造 正火 粗加工 調(diào)質(zhì) 半精加工 精車加工 高頻淬火及低溫回火 精磨 34四.JN 150型載重汽車變

12、速箱齒輪一) 工作條件: 1.工作負(fù)荷大。 2.高速運(yùn)轉(zhuǎn) ( 1015m/s以上 )。 3.受沖擊頻繁,磨損較嚴(yán)重。二) 技術(shù)要求: 1.齒面硬度HRC5862, 金相組織為回 火馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體。 2.齒心部硬度HRC3545, 金相組織為 回火馬氏體(低碳)+鐵素體+細(xì)珠光體。35三) 選材: 20 CrMnTi 鋼。四) 加工工藝路線:下料 鍛造 正火 機(jī)械加工 滲碳 淬火 低溫回火 噴丸 磨齒 36五）熱處理工藝 900950滲碳 + 820850油淬 + 180200低溫回火 最終組織 心部 M+ F ；齒面 M+ K + A 。37代表零件材料種類使用性能主要失效方式熱處理缸體、缸蓋、飛輪HT200剛度、強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性開(kāi)裂、孔壁磨損、翹曲變形去應(yīng)力退火、鑄鋁件采用時(shí)效缸套、排氣門座合金鑄鐵耐磨性、耐熱性過(guò)量磨損鑄造狀態(tài)曲軸QT600-2剛度、強(qiáng)度、耐磨性磨損、變形、斷裂表面淬火、圓角滾壓、氮化活塞銷滲碳鋼20.20Cr強(qiáng)度、耐磨性、沖擊韌性磨損、變形、斷裂滲碳、淬火、回火連桿、連桿螺栓調(diào)質(zhì)鋼45.40