第十章材料的选择.ppt

第一节失效分析,一、失效概念失效是指零件在使用过程中，由于尺寸形状或材料的组织与性能发生变化而失去原设计的效能。一般在以下三种情况下认为失效：零件完全不能工作；零件虽能工作，但已不能完成指定的功能；零件有严重的损伤而不能继续安全使用。失效有达到预定寿命的失效，有远低于寿命的不正常失效。不论何种失效都是在外界因素的作用下造成的损害。,机械工程材料,二.失效形式一般零件失效形式有：断裂失效：包括静载荷或冲击载荷断裂、疲劳破坏以及应力腐蚀破裂等。磨损失效：包括过量的磨损、表面龟裂、麻点剥落等。变形失效：包括过量的弹性变形或塑性变形（整体或部分）、高温蠕变等。对工程构件因腐蚀而影响使用的也是失效。,机械工程材料,机械零件失效的主要形式,三.失效的原因引起失效的因素很多，有设计、材料选择与使用、加工制造、装配、使用保养等。设计中结构的合理性、安全系数的选择都会造成失效。材料的选用、材料的质量也是失效的重要原因。加工过程中产生的应力集中、加工缺陷等，使用过程中的保养、维修不当都是造成失效的原因。,机械工程材料,机械工程材料,几种零件(工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能,导致机械零件失效的主要原因,失效分析的基本环节示意图,第二节选材原则,(一)使用性能原则-首要原则使用性能是材料在零件工作过程中所应具备的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能等。是选材最主要的依据。,机械工程材料,（一）分析零件的工作条件，确定使用性能工作条件分析：1.零件的受力情况，如载荷类型（静载、交变载荷、冲击载荷）、载荷形式（拉伸、压缩、扭转、剪切、弯曲）、载荷大小及分布情况（均匀分布或有较大的局部应力集中）。2.零件的工作环境（温度和介质）；3.零件的特殊性能要求，如电性能、磁性能、热性能、密度、颜色等。,机械工程材料,（二）进行失效分析。确定零件的主要性能根据零件承受载荷的类型和外界条件及失效的特点，分析可能出现的失效形式，找出产生失效的主导因素，为较准确确定零件主要使用性能提供依据。,机械工程材料,（三）从零件使用性能要求提出对材料性能（力学、物理、化学性能）的要求通过对工作条件和失效形式的分析，明确了零件的使用性能，把使用性能的要求，经分析计算转化成量化的指标和具体数值。在按这些数值从手册上查找材料的指标和大致应用范围，进行选用。在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。,需注意的问题：1.材料的尺寸效应2.零件的结构形状对性能的影响零件的结构效率：指零件承受的载荷与其质量之比。由于实际设计过程中采用的主要性能指标不同，结构效率可表达为性能与质量之比。如刚度与质量密度之比为比刚度；强度与质量密度之比为比强度。这两者还取决于加载方式。结构效率对要求减轻自重的零件设计非常重要。,机械工程材料,中碳钢(0.4%C)不同尺寸毛坯的力学性能,（二）工艺性能原则：材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。原则是：工艺简单、加工成型容易，能源消耗少、材料利用率高，产品质量好（变形小、尺寸精度高、表面光洁、组织均匀致密）。零件对所选材料的工艺性能要求与制造工艺路线有关。（一）金属材料的工艺性能1.铸造性能主要是指流动性、收缩、偏析、吸气性等。,机械工程材料,金属零件的加工工艺路线,2.压力加工性能主要指冷热压力加工时的塑性和变形抗力及温度范围、抗氧化性和加热、冷却性要求等。3.焊接性能钢铁材料的焊接性能随碳和合金元素含量的提高而变差。主要指焊缝区形成冷裂或热裂及气孔的倾向。4.机械加工性能：主要指切削加工性、磨削加工性等。材料的硬度越高，加工硬化能力越强，切削性能越差。5.热处理工艺性能主要指加热温度范围、氧化和脱碳倾向、淬透性、变形开裂倾向等，是否可热处理强化。,机械工程材料,（二）高分子材料的工艺性能工艺简单，主要是成型工艺加工，又以模具成型为主。方法有注射成型、吹塑成型、挤压成型等。也可进行切削加工、焊接与热处理，但受其导热性能的影响。（三）陶瓷材料的工艺性能由于其硬而脆且导热性较差，其制品的工艺较简单。主要是成型工艺。成型工艺主要有粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型等。切削性能极差。,机械工程材料,高分子材料的加工工艺路线,陶瓷材料的加工工艺路线,高分子材料主要成形工艺特点,陶瓷材料成形工艺的比较,（三）经济性原则根本原则材料的经济性包括：产品的价值分析、成本分析经济性选材的基本原则：在保证产品使用性能的前提下，尽量选用价格便宜的材料。零件选用的材料必须保证生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。,机械工程材料,（四）环境与资源原则1.能源和资源消耗少,重要金属的世界储量,2.环境污染小环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产使用废弃的全过程中具有与环境的协调性，充分降低对环境造成的负荷。采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺，选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷，选择以再生资源为原料的材料。,选材的一般程序1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。,（一）齿轮类零件：1.性能要求：,2.选材依据：,3.选材（1）钢：可应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材。,（2）高分子材料：重量轻，摩擦系数小，减振性强、噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。如夹布层压热固性树脂等。,实例：解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧性（b1000MN/m2，ak60J/cm2）。选材：渗碳钢-20CrMnTi（淬透性：油淬30-40mm；渗碳淬火后b1100MN/m2，ak60J/cm2）热处理工艺：900950渗碳-820850油淬-180200低温回火,(二)轴类零件：1.性能要求：,2.选