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：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期的作用；⑶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33.723.821.818.32.45.2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，也與其結構、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：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〈HB>350)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、45Mn2等鋼，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(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。A380選材從A380選材的分布來看，鋁合金占的比重最大，達機體結構重量的61%，因此要實現(xiàn)性能改進，必須開發(fā)創(chuàng)新的鋁合金材料和工藝技術，具體是提高強度和損傷容限，加強穩(wěn)定性并提高抗腐蝕能力。尤其是在A380機翼部位(機翼的80%以上是鋁合金材料)要提高性能。A380復合材料的應用A380是空中客車第一次大范圍在大型民用運輸機上應用復合材料的飛機。A380飛機是空中客車第一次將碳纖維增強塑料（CFRP）應用于中央翼盒的飛機，這種結構與鋁合金相比減重1.5噸。A380上的中央翼盒重8.8噸，其中5.3噸是復合材料。A380鈦合金用量在A380的結構中，鈦合金用量較空中客車其它機型有所增加，達到10%。在A380飛機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飛機的機翼和掛架之間的連接件。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(-35~45℃)，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)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零件材料熱處理及其它發(fā)動機零件缸體、缸蓋HT200去應力退火ZL104淬火、時效曲軸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、時效汽車底盤零件的用材情況汽車底盤零件縱梁、橫梁、傳動軸、保險柜、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。由于銀價持續(xù)上漲，幣材將超過面值，當白銀價格在上世紀30年代初期大漲時，各式銀幣遭囤積熔化成錠塊，使美國