《工程材料》》PPT课件.ppt

主编：东南大学 戴枝荣 张远明 主讲：张 建 学时：54,工 程 材 料 （工程材料及机械制造基础）,第十一章 材料的选用,图 机械零件选材的一般步骤,选材的一般步骤（见前图）： 1.对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的 失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。 2.根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的 技术条件。 3.根据所提出的技术条件要求和工艺性、经济性方面的考虑， 对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通 过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通 过各种材料选用手册来进行选择。 4.对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足工作条件要求。 5.材料的二次（或最终）选择。二次选择方案也不一定只是一 种方案，也可以是若干种方案。 6.通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理 的选材方案。 7.最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选 材方案的合理性。,第一节 选材的一般原则 一、材料的使用性能： 材料的使用性能：机械性能、物理性能、化学性能 原则：在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作 条件和损坏形式找出所选材料主要机械性能指 标，查手册找出适合其性能要求的材料，这是 保证零件经久耐用的先决条件。 工作条件：受力状态：拉、压、弯、扭、剪 载荷性质：静载、冲击载荷、交变载荷 工作温度：低温、室温、高温、交变温度 环境介质：润滑、腐蚀 特殊要求：导电性、导热、磁性、密度,各种性能之间的关系： b与HB 关系 低碳钢 b=3.6HB 高碳钢b=3.4HB 合金调压钢 b=0.33HB 铸铁b=(HB40)/6 0.2 与b关系 普通碳素钢 0.2(0.50.55)b 优质碳素钢 0.20.6b 普通低合金钢 0.2(0.650.75)b 合金结构钢 0.20.7b -1 与b关系 钢(HRC40) -1(0.490.13)b 铸铁 -1(0.30.5)b 有色金属 -1(0.30.4)b,二、材料的工艺性 材料的工艺性能：用基本加工方法制造优质零件的难 易程度。包括： 铸造性能：包括流动性、收缩、偏析、吸气性等。 锻造性能：包括可锻性（塑性与变形抗力的综合）、 抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等。 焊接性能：包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的 倾向等。 机械加工性：包括光洁度，切削加工性等。 热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏 感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向。,三、材料的经济性 原则：在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还 应注意降低零件的总成本。（零件的总成本包 括材料本身的价格和与生产有关的其它一切费 用）。 在金属材料中，碳钢和铸铸铁的价格是比较低廉 的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸 铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性 能，而且可降低成本。此外，所选钢铁中应尽量少而 集中，以便采购和管理。 总之，作为一个设计人员，选材时必须从实际出 发，全局考虑机械性能、工艺性和经济性等方向问题。,第二节 零件的失效与选材 选材的依据： 综合考虑材料的使用性能、工艺性和经济性； 对零件的失效形式进行全面分析。 一、零件的失效分析 所谓失效：是指(1)零件完全破坏，不能继续工 作;(2)严重损伤，继续工作很不安全； (3)虽能安全工作，但已不能满意地起 到预定的作用。只要发生上述三种情 况中的任何一种，都认为零件已经失 效。 失效分析的目的：就是要找出零件损伤的原因， 并提出相应的改进措施。,零件失效的类型：如下图,零件失效的原因：大体上可分为设计、材料、加工和安 装使用四个方面，如下图。,失效分析的一般方法： (1)尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况, 确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位, 或能反映失效的性质或特点的地方。 (2)详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况、 实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料 全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。 (3)对所选试样进行宏观(用肉眼或立体显微镜)及微观 (用高倍的光学或电子显微镜)断口分析，以及必要的 金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。 (4)对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分析和 无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组织是 否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面缺陷 等等，全面收集各种必要的数据。,(5)断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力学计 算,以便于确定失效的原因及提出改进措施。 (6)综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原 因，提出改进措施，写出报告。 在失效分析中，有两项最重要的工作。一是收集失 效零件的有关资料，这是判断失效原因的重要依据，必 要时作断裂力学分析。二是根据宏观及微观的断口分析, 确定失效发源地的性质及失效方式。这项工作最重要， 因为它除了告诉我们失效的精确地点和应该在该处测定 哪些数据外，同时还对可能的失效原因能作出重要指示 例如，沿晶断裂应该是材料本身、加工或介质作用的问 题，与设计关系不大。,二、变形失效与选材 (一)弹性变形失效与选材 弹性变形失效：是指弹性变形量过大而造成的零件失效。 影响因素：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工 作的温度、载荷的大小。 分析：从材料的弹性模量角度分析，各类材料的弹性模量 差别相当大，金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的 弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢 铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些； 高分子材料的弹性模量最低。 选材：在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性 模量的材料。不能发生过大弹性变形时，不能用 高分子材料。但是有些纤维复合材料具有相当大 的弹性模量值，由于起比重低，在许多特殊的场 合（如飞行器结构）有很大用途。,(二)塑性变形失效与选材 塑性变形失效：是外加应力超过零件材料的屈服极限时发 生明显的塑性变形(永久变形)。 影响因素：除在弹性变形中所讨论的有关影响因素外，还 有材料的屈服强度、材质缺陷、使用不当、设 计有误等，特别是热处理不良更为突出，实际 上往往是多种因素的综合结果。 选材：从屈服强度的角度看，金刚石和各种碳化物、氧化 物、氮化物陶瓷材料的屈服强度最高，但极脆，在 远未达到屈服应力下即已脆断，强度高的特点发挥 不出来，因此不能作为高强结构材料。高强合金钢 的强度仅次于陶瓷，最广泛地用于各种高强结构之 中。一般来讲，塑料的强度很低，目前最高强度的 塑料也超不过铝合金，因此在要求零件有高强度 时，不能用塑料。,三、断裂失效与选材 (一)塑性断裂 塑性断裂：是指零件承载截面已进入塑性状态，产 生塑性变形，最后导致的断裂。 分析：意义不大。 (二)低应力脆性断裂失效与选材 低应力脆性断裂：是指名义应力低于甚至远低于材 料屈服极限时，零件发生的断裂。 分析：描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧 性、韧脆转变温度和断裂韧性。从韧性的角 度考虑，韧性最高的是各种奥氏体钢，其次 是合金低碳钢，铝合金韧性通常并不好，而 铸铁的韧性通常很低，高碳工具钢和轴承钢 韧性也不好，不能用来制造要求韧性较高的 结构零件。,(三)疲劳断裂失效与选材 疲劳断裂：是指零件在交变循环应力多次主要后发 生的断裂。 断口：如图11-1。 发源区：位于弧线凹的一方，像弧线的放射中心; 断口区：平滑呈白亮色，有许多弧线如贝壳状； 断裂区：较粗糙。 分析：疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿命两种. 一般对于具有高频率交变载荷的构件，应选 用高周疲劳寿命比较高的材料，如弹簧等。 对于具有低频率交变载荷的构件，应选用低 周疲劳寿命比较高的材料，如抗地震建筑材 料。,(四)蠕变失效与选材 蠕变失效：是指在固定载荷下，随着时间的延长， 变形不断增加，最后由于变形过大或断 裂而导致的失效。 应力松弛：零件的总变形量不变，应力随时间延长 而自动下降的现象。 选材：蠕变失效通常发生在高温下，所以抗蠕变失 效的材料应是耐高温材料。选材时主要考虑 材料的工作温度和工作应力，在较高应力和 较低温度下，可选用各种耐热钢及高温合金. 在较低应力和较高温度下，应选用高熔点材 料，如难熔金属和陶瓷材料；对金属材料还 应使其晶粒尽可能大，甚至采用单晶材料， 晶界也应平行于受力方向排列。,四、表面损伤失效与选材 表面损伤失效：是指零件在工作过程中，由于机械 的和化学的作用，使工件表面及表 面附近的材料受到严重损伤而导致 的失效。 分类：磨损失效、表面疲劳失效、腐蚀失效 (一)磨损失效 磨损失效：是在机械力的作用下，产生相对运动的 接触表面的材料，以细屑形式逐渐磨耗, 使零件尺寸变小的失效。 分类： 粘着磨损：两个金属表面的微凸部分在局部高 压下产生局部粘结(固相粘着)，使材 料从一个表面转移到另一表面或撕下 作为磨料留在两个表面之间的现象。,图 粘着磨损示意图,磨料磨损：配合表面之间在相对运动过程中， 因外来硬颗粒或表面微突体的作用 造成表面损伤（被犁削形成沟漕） 的磨损。,图 磨粒磨损示意图,影响磨损失效的基本因素： 摩擦副材质 a.材料副的互溶性，相同金属、晶格类型、原子间距 电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易 于粘着而导致粘着磨损失效。 b.金属与非金属(如塑料、石墨等)，互溶性小，粘着 倾向小。 c.材料副的表面强化处理情况。 d.材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造 夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各 种磨损加剧。 工况参数 包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条 件与润滑等。,措施：合理的表面强化处理以减少磨损。一是改变组织 结构，二是适度提高硬度。表面强化处理有利于 降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨 损率。 选材： 对于粘着磨损，所选材料应与和它配合工作的材料不 属同类，而且摩擦系数尽可能小，同时，材料的硬度 要高，材料最好有自润滑能力，或有利于保存润滑剂 （如有孔隙等）。 对于磨粒磨损，选用材料的硬度要高，材料组织中应 含有较多的耐磨硬相，如白口铸铁耐磨粒磨损性能就 较好。,(二)表面疲劳失效 表面疲劳失效：两个接触面作滚动或滚动滑动复合 磨擦时，在交变接触压应力作用下, 使表层材料发生疲劳破坏而脱落， 造成零件失效的现象。 选材：材料应有足够的硬度，具有一定的塑性和韧 性；同时应尽量减少含夹杂物。对材料进行 表面强化处理，强化层的深度应足够大。 (三)腐蚀失效 腐蚀失效：是由于化学和电化学作用，使表面损伤 而造成零件失效的现象。 影响因素：材料的成分、组织，介质的性质等。 选材：应根据介质的成分性质来选材。,第三节 典型零件的选材与工艺 一、轴的选材与工艺 工作条件： 承受高变扭转载荷、高变弯曲载荷或拉-压载荷、冲击； 局部（轴颈、花键等处）承受磨擦和磨损； 特殊条件下受温度或介质作用。 失效方式：是疲劳断裂和转颈处磨损，有时也发生冲击过载断 裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。 性能要求： 高的疲劳强度，防止疲劳断裂； 优良的综合机械性能，即较高的屈服强度的抗拉强度，较高 的韧性，防止塑性变形及过载或冲击载荷下的扭转和折断； 局部承受磨擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损； 在特殊条件下工作的转的材料应具有特殊性能，如蠕变抗 力，耐腐蚀性等。,选材方法： 1.受力不大，主要考虑刚度和耐磨性：主要要求刚性好 的轴，可选用优质非合金钢等材料，如20钢、35钢、 45钢经正火后使用。若还有一定耐磨性要求时，则选 用45钢，正火后在轴颈处进行高频感应加热淬火、低 温回火。对于受载较小或不太重要的轴，也常用Q235 或Q275等普通非合金钢。 2.要求轴颈处耐磨的轴：常选中碳钢经高频感应加热淬 火，将硬度提高到52 HRC以上。 3.要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，而且在热处 理时变形量要小，长期使用过程中要保证尺寸稳定： 如高精度磨床主轴，选用渗氮钢38CrMoAlA ，进行氮 化处理，使表面硬度达到11001200HV（相当于69 72 HRC），心部硬度230280HBS。,4.主要受弯曲、扭转的轴：如机床主轴、曲轴、汽轮机 主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等。这类轴在载荷作 用下，应力在轴的截面上分布是不均匀的，表面部位 的应力值最大，愈往中心应力愈小，至心部达到最小. 故不需要选用淬透性很高的材料，一般只需淬透轴半 径的1/21/3即可。故常选45钢、40Cr钢、40MnB钢 和45Mn2钢等，先经调质处理，后在轴颈处进行高、 中频高频感应加热淬火及低温回火。 ； 5.同时受弯曲(或扭转)及拉压载荷的轴：如锤杆、船用 推进器等，其整个截面上应力分布基本均匀，应选用 淬透性较高的材料，故常选用30CrMnSi钢、40MnB钢. 40 CrNiMo 钢等。一般也是先经调质处理，然后再进 行高频感应加热淬火、低温回火。,(一)机床主轴的选材与工艺路线 载荷：承受中等扭转弯曲复合载荷，转速中等并承 受一定的冲击载荷。 选材：轴类零件需用的材料有普通碳素钢、优质碳素 钢、合金结构钢和球墨铸铁等。大多选用45 钢制造，经调质处理后轴颈处再进行表面淬 火，载荷较大可选用40Cr 钢制造。 工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质精加工局 部表面淬火+低温回火精磨成品。 正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工 性；调质处理可获得高的综合机械性能和疲劳强度； 局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性,表 机床主轴工作条件、用材及热处理,*机床主轴选材示例(如下图)*,图 C6132车床主轴简图（其他参数从略）,工作条件：该轴工作时受弯曲和扭转应力作用，但承受 的应力和冲击力不大，运转较平稳，工作条 件较好。主轴大端内锥孔、外圆锥面工作时 需经常与顶尖、卡盘有相对摩擦；花键部位 与齿轮有相对滑动或碰撞。该主轴在滚动轴 承中运转。 热处理技术条件：整体调质，硬度为220250HBS；内 锥孔和外圆锥面局部淬火，硬度为 4550HRC；花键部位高频感应淬火, 硬度为4853 HRC。,分析及选材：根据对上述工作条件的分析，主轴应具有 良好的综合力学性能，并且花键（经常摩 擦和碰撞）和大端内锥孔、外圆锥面（经 常装拆，也有摩擦和碰撞）部位均要求有 较高的硬度和耐磨性。C6132车床主轴属 于中速、轻载荷、在滚动轴承中工作的主 轴。 虽然45钢淬透性不如合金调质钢，但具有 锻造性能和切削加工性能良好，价格低等 特点，而且该主轴结构形状较简单，工作 最大应力处于表层，因此选用45钢即可满 足使用要求。,加工工艺：下料锻造正火（850870空冷） 粗加工调质（840860盐淬至150左 右再空冷，550570回火）半精加工 （花键除外）局部淬火、回火（锥孔、外 锥面830850盐淬，220250回火） 粗磨（外圆、外锥面、锥孔）铣花键花 键高频感应淬火、回火（890900高频感 应加热，喷水冷却，180200回火）精 磨（外圆、外锥面、锥孔） 因主轴结构形状较简单，一般情况下调质、淬火 时不会出现开裂，但因轴较长，进行整体淬火，会产 生较大变形，且难以保证锥孔与外圆锥面对两轴颈的 同轴度要求，因此，改为锥部淬火与花键淬火分开进 行，可以保证使用质量要求。,(二)曲轴的选材与工艺路线 载荷：承受较高的扭转弯曲复合载荷，转速极高并 承受很大的冲击载荷。 选材：高速、大功率内燃机的曲轴，一般都用合金调 质钢制造；中、小型的内燃机曲轴常选用球墨 铸铁和45钢。 工艺路线： 铸造热处理(正火和高温回火)机械加工 正火-处理可增加珠光体含量和细化珠光体，提 高抗拉强度、硬度、耐磨性； 回火-可消除正火所造成的内应力； 表面淬火+低温回火-获得局部高硬度和耐磨性; 喷丸处理和滚压加工-可提高疲劳强度。,175A型柴油机曲轴简图,二、齿轮的选材与工艺 工作条件：通过齿面接触传递动力，两齿面相互啮合。 即有滚动，又有滑动。 在齿表面：受到交变接触压应力及摩擦力的 作用。 在齿根部：受到交变变曲应力的作用。 换挡：受到冲击。 安装不良：齿面接触不良。 失效形式：轮齿折断、齿面损伤（主要）、过量塑变、 齿端磨损。 性能要求：高的疲劳强度（接触）和抗拉强度、高的表 面硬度和耐磨性适当的心部强度和足够的韧 性。小的淬火变形，良好的加工性。,用材特点： a.调质钢：对硬度和耐磨性要求不很高，对冲击韧度要 求一般的中，低速和载荷不大的中，小型传 动齿轮。如车床、钻床等变速齿轮、排轮等, 材料：45 、 40g40MnB 。 工艺：调质（或正火）再进行表面淬火+ 低温回火 要求高的运动速度的用渗氮钢、调质后渗氮 b.渗碳钢：主要制高速、重载、冲击较大的重要齿轮。 如汔车、拖拉机变速箱齿轮。驱动桥齿轮， 立式车床等。 材料：20CrMnTi、20Cr、20CrMo、20CrMnMo等。 工艺：渗碳，淬火+低温回火或喷丸。,c.铸钢和铸铁： 铸钢：制造力学性能要求较高，形状复杂、难以锻的 大型齿轮、如起重机齿轮。 材料：ZG270-150、ZG310-570、ZG340-640、ZG40Cr 铸铁： 对耐磨性、疲劳强度较高，但冲击载荷较小的 齿轮，选用球墨铸铁，如QT500-07、QT600-03 冲击载荷小的低精度、低速齿轮、可选用铸铁 如 HT200 、 HT250 、 HT300 d.非铁金属齿轮：仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作 的轻载齿轮。选用黄铜、铝青铜、 锡青铜等。 e.塑料齿轮：尼龙、 ABS 、 聚甲醛等。,(一)机床齿轮的选材与工艺路线 分析：机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速 中等，工作平稳无强烈冲击，齿面强度、心部强 度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采 用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右, 这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后, 心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kgm/cm2 的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求 较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造. 这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表 面疲劳抗力也都增大。,*普通车床床头箱传动齿轮（如图）的选材与工艺* 选用材料：45钢。 热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。 性能要求：齿轮心部硬度为HB220HB250；齿面硬度HRC52. 工艺路线：下料齿坯锻造正火（850870 空冷） 粗加工调质（840860油淬， 600650回火）精加工高频 感应加热淬火（860880高频感 应加热，乳化液冷却）低温回火 （180200回火）精磨。,图 卧式车床主轴箱中滑动齿轮简图,(二)汽车齿轮的选材与工艺路线 分析：汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是 主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受 冲击频繁，因此对材料的要求更