材料的选用PPT课件

-,1,第一节零部件的失效,失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。,-,2,表11.1零件失效的模式及其失效机理,-,3,一、失效形式常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效及材料的老化失效等。1、变形失效（1）弹性变形失效不恰当的弹性变形量导致失效。防止弹性畸变的主要措施：增加零件截面、采用弹性模量高的材料，防止超载。（2）塑性变形失效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)。防止零件塑性变形失效的措施：采用屈服强度高的材料，进行合理的热处理，防止超载。,-,4,2、断裂失效断裂失效机械零件因断裂而产生的失效。（1）韧性断裂失效断裂前有明显的塑性变形。宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。（2）脆性断裂失效断裂前无塑性变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。疲劳断裂在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。,-,5,低应力脆性断裂失效石油化工容器、锅炉等一些大型锻件或焊接件，在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，称为低应力脆性断裂。低应力脆性断裂按其断口的形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。,解理断口,沿晶断口,-,6,3、表面损失失效由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失去正常工作所须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。磨损(wear)失效任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面会发生磨损，造成零部件尺寸变化、精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。腐蚀(corrosion)失效由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。表面疲劳失效表面疲劳失效是指两个相互接触的零部件相对运动时，在交变接触应力作用下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。,-,7,4、材料的老化高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变粘等现象，从而失去原有性能指标的现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的。,-,8,二、失效原因造成零部件失效的原因很多，主要有设计、选材、加工、装配使用等因素。1、设计不合理2、选材错误3、加工工艺不当4、装配使用不当,-,9,三、失效分析1、失效分析的一般程序收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。调查零部件的服役条件和失效过程。查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。试验研究,-,10,第二节零部件的选材,一、选材的基本原则1、使用性能原则材料的使用性能应满足使用要求。使用性能指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能、化学性能。2、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求。,-,11,（1）金属材料的工艺性能金属材料加工的工艺路线复杂。加工工艺不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。,金属材料的加工工艺路线,-,12,（2）高分子材料工艺性能高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。但由于高分子材料的导热性差，在切削过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软，使热固性塑料烧焦。,高分子材料的加工工艺路线,-,13,（3）陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料加工的工艺路线比较简单，主要工艺是成形，其中包括粉浆成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等。陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。,陶瓷材料的加工工艺路线,-,14,3、经济性原则满足使用性能要求的前提下，采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益。,-,15,材料的相对价格,-,16,选择材料的基本过程,-,17,二、典型零部件选材及工艺分析齿轮类零件的选材1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。齿轮的工作条件：啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。,-,18,齿轮的主要失效形式：断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。对齿轮材料的性能要求：高的弯曲疲劳强度；高的耐磨性和接触疲劳强度；轮齿心部要有足够的强度和韧性。,-,19,2、典型齿轮的选材机床齿轮,机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。,一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。,-,20,（2）汽车、拖拉机齿轮与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料锻造正火机械加工渗碳淬火+低温回大喷丸磨削装配。,-,21,轴类零部件的选材1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。轴的工作条件：传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。轴颈承受较大的磨擦。承受一定的过载或冲击载荷。,-,22,轴的主要失效形式：疲劳断裂由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。断裂失效由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。磨损失效轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。对轴用材料的性能要求：高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。,-,23,2、典型轴的选材机床主轴主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷不大。具有一般综合机械性能即可满足要求。轴颈和锥孔处有磨擦。C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46-54HRC。其工艺路线为：备料锻造正火粗机械加工调质精机械加工表面淬火+低温回火磨削装配,-,24,汽轮机主轴汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。对于在500以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。,-,25,对于工作在450以下的材料，如果汽轮机功率较小12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。对于工作在500以上的主轴，由于汽轮机功率大（125000kW），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV（540）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（650）、Cr14Ni35MoWTiAl（680）制造。,-,26,气轮机主轴的工艺路线为：备料锻造第一次正火去氢处理第二次正火高温回火机械加工成品。,-,27,内燃机曲轴曲轴工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。按内燃机的转速不同可选用不同的材料。通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁。高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢（例如42CrMo等）。,-,28,内燃机曲轴的工艺