机械零件用材料及成形工艺的选择VIP

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。第 14 章 机械零件用材料及成形工艺的选择在进行产品设计时 , 会遇到零件材料选择的问题 ; 在进行零部件生产过程中, 会遇到怎样使材料成形的问题, 材料及其成形工艺的选择是工程上的重要课题。材料好与坏 , 它不但关系到机械零件的使用性能 , 也关系到零部件的加工制造难度 , 同时还关系到零件的成本 , 使用安全性等。在实际工程中 , 由于选材用材不当而给用户带来很多直接或间接的损失 , 也是常见的。因此 , 合理的材料选择 , 以及采取合适的成形工艺 , 是保证高质量产品的关键。另一方面 , 材料成本占零件成本的一半以上 , 合

2、理的的选材 , 也可降低生产成本 , 提高经济效益。本章仅针对机械零件的的选材问题进行讨论。在进行材料选择时 , 必须考虑现场使用时需要材料有哪些性能, 它能够使用多长时间 , 它是如何失效的等。 因此 , 选材与零件失效的关系十分密切。14.1 材料的失效形式14.1.1 材料的使用条件材料的使用条件总称为工况。工况研究是对材料进行各种研究的基础 , 也是失效研究及选材的基础。在研究材料时 , 不能把材料看成一个孤立的系统 , 在材料的使用和制造过程中 , 材料与环境之间始终有能量及物质的交换 , 因此要十分重视材料的使用环境 , 这就是要研究工况的原因 ; 同时也必须重视制造材料的环境 ,

3、 这就是研究材料工艺性的原因。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。下面我们首先来研究材料的使用环境, 即使用工况。工程材料的使用工况由以下几方面组成:1.负荷情况在使用过程中, 工程材料负担着传递动力或承受载荷的任务,必然受到各种各样载荷的作用。一般地, 按照加载速度 , 材料所受到的载荷可分为静载荷和动载荷。静载荷是指加载速率较为缓慢的大小和方向不随时间而变化的载荷; 动载荷则是指加载速度很大的载荷 , 或是大小和方向随时间而变化的载荷。动载荷主要有冲击载荷和交变载荷两种类型。材料所受到的各种载荷, 按其作用方式又可分为 , 拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。材料所受

4、的负荷具体体现为材料受到各种应力的作用, 这些应力是拉应力、压应力、 剪应力、切应力 , 扭矩、 弯曲应力等。实际工程材料所受的应力往往是多种应力的复合。所有的工程材料都是在各种应力组成的应力场下工作, 没有不受力的工程材料。抗力能力是对工程材料的基本要求, 力学性能是工程材料的首要性能。如各种工程结构都受到至少是重力的作用,轴和齿轮等传递动力的机件都受到压应力、剪应力、扭矩等力的作用 , 锤头受到冲击力的作用等。,2.使用环境温度工程材料总是要在环境所决定的温度下使用。大多数材料都是在气温下工作的, 可是气温也是随天气、地域和季节的不同而不断变化的。另外 , 也有在高温或低温下工作的材料。在

5、实际工程中 , 要资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。求材料具有适应高温或低温环境的能力。各种工业炉用材, 都必须能耐高温 ; 各种制冷设备用材, 都必须能耐低温; 有些时候 , 材料还应能耐剧烈的温度变化。3.使用介质材料的使用介质也是材料的使用环境中必不可少的一部分, 材料的使用介质有大气、淡水、 海水、 土壤、含泥砂的水、各种酸碱盐的溶液等。绝大多数材料都是在大气环境中工作。大气是成分复杂的混合物。其中氮气和氧气占 98%, 其它组分是水蒸汽 , 二氧化碳 , 惰性气体、 灰尘等。其中氧、 水蒸汽、 二氧化碳参与材料的腐蚀过程 , 灰尘对高速运动的部件有一些摩擦

6、作用。在工业大气中还含有SO2、SO3、 Cl 2、 HCl 、 NO、 NO 2、 NH 3、 H2S 等组分。这些组分对材料有较强的腐蚀作用。淡水一般指河水、 地下水、 湖水等含盐量低的天然水 , 其总固溶物含量小于 0.1%, PH 值在 6.58.5%。淡水是主要的工业用水 ,它对工程材料有一定的腐蚀作用。若淡水有含有大量的泥砂, 就会对运动的材料产生强烈的磨损作用。海水中含有约3.5%的盐 , 其中大部分是NaCl 。海水对材料有较强的腐蚀作用。 海水中的泥砂 , 生物、 溶解的气体等都对材料的腐蚀作用产生一定的影响。在化工环境下, 材料往往在各种酸碱盐溶液中使用, 主要是水溶液 ,

7、 也有其它溶液。在化工溶液中使用的材料, 必须考虑材料的资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。耐腐蚀性。埋设在地下的油气水管路等都与土壤接触。土壤主要由土粒、水和空气组成 , 是多相组织。土粒的成分和尺寸在不同的地方有很大的差异。土壤的水中常溶有H+ 、 Cl- 、 SO42-等物质 , 对材料有腐蚀作用。在土壤中运动的零件, 土壤对其有很大的磨损作用。土壤中常有生物及有机物质, 同样对材料的使用产生影响。4.其它方面材料的使用工况还有来自环境的如声、光、 电、 磁等各种作用 , 它们对材料使用性能的影响 , 一般在功能材料中讨论 , 这里就不细讲了。14.1.2 .材

8、料的失效及其判据1.材料的失效正如人有生老病死一样, 工程产品也有失效的时候。工业的发展 , 技术的进步 , 正是人们不断与产品失效作斗争的历史。由于材料本身是不能单独使用的, 它总是要做成机械零件来完成自己的任命。材料与零部件的关系如同布料与衣服的关系, 虽然衣服各式各样, 却都是由布料制作的; 另一方面 , 任何布料都必须经过制作衣服等形式来体现自己的价值。因此在很大程度上, 材料的失效都是经过机械零件失效的形式来体现的。机械零件失效了,整个零件一旦报废, 也就意味着材料的失效。因此, 分析材料的失效与分析机械零件的失效要结合起来, 不能单一地分析材料失效。在材料的使用过程中, 发生了一系

9、列的变化, 主要是材料形状资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。和性能的改变 , 在它们达不到使用性能要求时 , 就称为材料失效。材料的使用性能包括如下一系列性能 : 力学性能 , 物理性能、 化学性能等。在使用过程中, 材料的任何一方面性能达不到使用要求,也就意味着材料的失效。如在高温工况下, 钢铁材料的强度不断降低 , 在其不能达到所要求的强度指标时 , 材料就失效了。 再如 , 橡胶材料在使用过程中发生硬化失去弹力。 这些都是材料本身性能发生变化而失效的。在更多的时候 , 工程材料的失效并不是材料本身的性能达不到要求 , 而是由于材料的形状尺寸在力或其它的作用下改

10、变 , 使零件达不到所要求的功能 , 而引起失效。机械零件失效了 , 也就意味着材料的失效。 在使用过程中如果发生了以下三种情况中的任何一种 , 即认为该零件已失效 : 完全破坏不能使用 ; 虽然能工作但不能满意地起到预定的作用 ; 损伤不严重 , 但继续工作不安全。材料的失效实际上是由以下三方面因素所决定的:(1)使用条件因素 同一材料 , 在不同的使用环境下 , 其使用寿命是不同的 ; 不同的使用条件 , 对材料的性能要求是不一样的。(2)材料本身的性能不同材料有不同的性能, 材料本身所具有的性能是材料应用的基础。(3)用户的期望值材料能不能用, 好用不好用 , 其标准都是由用户来定的。当

11、材料的性能或机件的功能达到人的要求时, 材料才能用 ; 反之 , 当材料的性能或机件的功能达不到用户的要求时 , 材料就被判为失效而报废。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。以上三因素是统一的整体, 我们应用材料, 其根本目的是应用材料的使用性能, 比如耐用时间。 可是同一材料在不同工况下使用,其使用寿命和质量是不一样的。比如, 碳钢在空气中的使用寿命要长于在酸中的使用寿命。另一方面, 材料损失或被破坏到什么程度才算失效 , 也是由人来决定的。这就是材料失效的三个必不可少的条件。2.材料失效的判据从量化分析材料性能的角度来看, 如果以表示材料或机件所具有的广义的性能

12、, 如各种力学性能 (抗拉强度、 抗压强度、 屈服强度、 硬度、 耐冲击能力 )、 耐热性能、 耐腐蚀性能、 抗磨性能等 ; 而以 表示广义的许用性能 , 如各种许用应力、 各种许用耐热性能、 许用耐腐蚀性能、 许用抗磨性能等。根据失效的基本定义 , 材料或机件失效的判据为 f 。相应地零件不失效的判据为ff 。即当零部件某处的变形量超过允许值时, 材料就失效了。对于某一零件是否发生失效, 经过实际测量相应性能指标, 或是测量实际发生的各种变形量后, 利用以上两式来判定。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。14.1.3 .材料的失效形式前面讲过 , 材料的失效与零件的失效是分不开的, 下面结合零件的失效一起谈一下材料的失效形式。材料的失效形式主要有: 材料性能降低、过量变形、断裂和表面损伤四种。1. 材料性能降低在使用过程中, 材料本身的力学性能、物理性能、化学性能等不是一成不变的, 随着不同的使用工况, 总是要发生一定的变化。不同的工况, 会对材料的不同方面产生影响。材料的任何一方面性能达不到使用要求时, 也就意味着材料的失效。如在高温工况下, 钢铁材料的强度不断降低, 在其不能达到所要求的强度指标时,材料就失效了。再如, 橡胶材料在使用过程中发生硬化失去弹力。这些都是材料本身性能发生变化而失效的。材料在使用过程中 ,