CH11-典型零件的選材示例-第17講-2009-6-30

選材的動(dòng)機(jī)首次開(kāi)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(guò)早失效甚至災(zāi)難性事故發(fā)生后，需改變用材。第11章典型零件選材11.1材料選用原那么11.2材料選用方法11.3典型零件選材及工藝分析11.1材料選用原那么〔一〕使用性能原那么——首要原那么〔二〕工藝性能原那么〔三〕經(jīng)濟(jì)性原那么——〔四〕環(huán)境與資源原那么根本原那么11.2材料選用方法〔一〕選材的一般程序1．基于對(duì)具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對(duì)同類零件現(xiàn)有狀況〔所用材料、使用壽命、失效形式以及供給情況〕的調(diào)研，再結(jié)合力學(xué)計(jì)算或試驗(yàn)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(duì)假設(shè)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(hào)、規(guī)格及制造工藝。3．進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以檢驗(yàn)選用材料是否到達(dá)各項(xiàng)性能要求，并進(jìn)行小批試生產(chǎn)以檢驗(yàn)材料制造過(guò)程中工藝性是否滿足要求。小批試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量合格后，選材方案即可確定下來(lái)?！捕尺x擇材料的定量方法簡(jiǎn)介〔了解〕1．固定效果選材法──單位性質(zhì)本錢法在選擇材料最簡(jiǎn)單的情況下，一種材料性能被突出地作為最關(guān)鍵的工作要求。在這種情況下，可以估算不同的材料到達(dá)這種要求〔固定效果〕所需的本錢。[實(shí)例]:單軸拉伸的實(shí)心圓柱零件選材分析等強(qiáng)度判據(jù)分析等剛度判據(jù)分析截面尺寸D

相對(duì)成本RC

，

：備選材料：1、Q235〔σS1=235MN∕m2，相對(duì)本錢p1=1〕2、低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn〔σS2=350MN∕m2，相對(duì)本錢p2=1.25〕，E1≈E2≈200000MN∕m2。在等剛度判據(jù)下，根據(jù)式8.9RCE=P2/P1應(yīng)選擇本錢較低的Q235。這是因?yàn)闃?gòu)件的剛度主要取決與它的承載面積及材料的彈性模量，盲目選擇高強(qiáng)度的低合金鋼只會(huì)使本錢增加。假設(shè)采用等強(qiáng)度判據(jù)，由于16Mn的屈服強(qiáng)度高于Q235，那么構(gòu)件的承載面積可減少，從而節(jié)約鋼材用量，但是否經(jīng)濟(jì)，要取決于計(jì)算結(jié)果，應(yīng)選擇16Mn。2．加權(quán)性質(zhì)法加權(quán)性質(zhì)法可用于評(píng)價(jià)各種材料和各種性能的復(fù)雜組合。材料性能的數(shù)值乘加權(quán)因子〔a〕得到加權(quán)后的性質(zhì)值，然后把每種材料單個(gè)的加權(quán)性質(zhì)值相加，得出比照材料的性能指數(shù)〔g〕，g值最高的材料被認(rèn)為是最好的材料。[例]：以下表格列出了可用作飛機(jī)機(jī)翼的幾種材料。材料

[σS∕ρ]MPa/(t﹒m-3)

[KIC2∕σS2]mm[E1∕3∕ρ]GPa1∕3/(t﹒m-3)

相對(duì)成本q鋁合金I13016.51.501.18鋁合金II2042.11.501.40鈦合金1964.61.068.00不銹鋼11512.30.751.001、幾種飛機(jī)機(jī)翼材料的性能2、幾種機(jī)翼備選材料性能的定標(biāo)值及性能指數(shù)材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4相對(duì)成本g

a1,2,3,4=1A1,,2,3=10，a,4=1鋁合金I64100100853492725鋁合金II10013100822952217鈦合金96277101941940不銹鋼567550872681897注：b4=(1―qi/qmax〕×100由于機(jī)翼在飛行時(shí)必須承受整個(gè)飛機(jī)的重量，因此機(jī)翼承受的應(yīng)力最高，應(yīng)力變化也最復(fù)雜，其要求的最主要性能為：σS∕ρ、E1∕3∕ρ、KIC。如認(rèn)為各性能都是同等重要的，a1，2，3，4=1，那么選擇傾向于鋁合金I，鋁合金II次之，鈦合金排在最后。事實(shí)上即使是民用客機(jī)，其平安性也是極其重要的，并直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的商業(yè)利益，因此應(yīng)適當(dāng)降低本錢的加權(quán)系數(shù)，a1，2，3=10，a4=1，選材仍傾向于鋁合金，鈦合金先于低價(jià)材料不銹鋼。材料的實(shí)際應(yīng)用狀況也正是這樣，目前鋁合金一直占據(jù)著制造民用飛機(jī)機(jī)翼的最主要材料的地位。分析：對(duì)于高速軍用飛機(jī)而言，本錢往往并不是最重要的因素。鈦合金適用于高速高載荷的情況。故引入工作溫度極限并適當(dāng)?shù)卣{(diào)整加權(quán)系數(shù)進(jìn)行選材，a1=10，a2，3，4=5，a5=1。顯然，重新分析的結(jié)果傾向于選擇鈦合金，鋁合金I次之見(jiàn)表5事實(shí)上鈦合金確曾用作旋風(fēng)、美洲豹、鷂式及美YF12戰(zhàn)斗機(jī)的框架和蒙皮材料。然而3、飛行速度與飛機(jī)蒙皮外表飽和溫度馬赫數(shù)2.02.53.03.54.0表面飽和溫度1001502003003704、備選材料的工作溫度極限

材料鋁合金I鋁合金II鈦合金不銹鋼溫度極限(℃)150150≈400≥4005、軍用高速飛機(jī)機(jī)翼備選材料性能的定標(biāo)值及性能指數(shù)

材料1

σS∕ρ

b

2KIC2∕σS2

b

3E1∕3∕ρb

4溫度極限b

5相對(duì)成本g

a1=10a2,3,4=5,a4=1鋁合金I6410010038851915鋁合金II1001310038821837鈦合金96277110001950不銹鋼56755010087177211.3典型零件選材及工藝分析〔一〕齒輪類零件1、性能要求工作條件失效形式性能要求齒根交變彎曲應(yīng)力疲勞斷裂高彎曲疲勞強(qiáng)度齒面接觸壓應(yīng)力、滑動(dòng)摩擦表面損傷高接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性輪齒沖擊過(guò)載斷裂較高強(qiáng)度及沖擊韌性2、選材依據(jù)彎曲疲勞強(qiáng)度接觸疲勞強(qiáng)度其他SB=k（HV）mSB

：彎曲疲勞強(qiáng)度HV：齒面維氏硬度k

、m：材料有關(guān)的常數(shù)

Sc=0.2(HV/100)2Sc：接觸疲勞強(qiáng)度HV：齒面維氏硬度

A、齒心強(qiáng)度和硬度，

如重載齒輪要求心部淬硬。B、硬化層深度應(yīng)為模數(shù)的15%---20%，如疲勞斷裂取上限，表面損傷取下限。

3、選材〔1〕鋼：可應(yīng)用于多種工作條件，是齒輪最主要的用材。速度、載荷、沖擊大

鋼種類別熱處理工藝中碳鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火

合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火

合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火

〔2〕高分子材料：重量輕，摩擦系數(shù)小，減振性強(qiáng)、噪音小，不需潤(rùn)滑。但強(qiáng)度低不能承受較大載荷。如夾布層壓熱固性樹脂等。名稱特性應(yīng)用MC尼龍

強(qiáng)度高，拉伸強(qiáng)度可達(dá)90Mpa以上，減摩耐磨性優(yōu)于其它尼龍。

大型鑄件，如大型齒輪聚碳酸酯突出的抗蠕變性和沖擊韌性，脆化溫度為-100℃，成型精度高，透明，耐熱性高于有機(jī)玻璃

儀表中的小模數(shù)齒輪。解放牌載重汽車變速箱齒輪實(shí)例：性能要求：1、外表高耐磨性及疲勞極限；2、心部較高強(qiáng)度與韌性〔σb>1000MN/m2，ak>60J/cm2〕。

選材：滲碳鋼——20CrMnTi〔淬透性：油淬30---40mm；滲碳淬火后σb>1100MN/m2，ak>60J/cm2〕熱處理工藝：900--950℃滲碳820850℃油淬180--200℃低溫回火(二)軸類零件1、性能要求工作條件（傳動(dòng)）失效形式性能要求交變扭轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力疲勞斷裂較高強(qiáng)度與較好韌、塑性配合軸頸摩擦磨損較高疲勞抗力沖擊過(guò)載或沖擊斷裂軸頸耐磨性2、選材速度載荷沖擊磨損

大

鋼種類別熱處理工藝中碳鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火

合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）+表面淬火+低溫回火

合金滲碳鋼滲碳+淬火+低溫回火

主要使用