机械工程材料（第六版）课件 第九章 工程材料的选用

掌握选材的使用性、工艺性、经济性原则熟悉选材方法与基本步骤

能够分析齿轮、轴类等典型零件的选材思路

章节主线

零件失效

性能要求

选材原则第9章工程材料的选用学习目标本章定位

材料选用是机械零件与工程结构设计的重要环节。01选材步骤依据教材内容整理，适用课堂讲授与复习理解零件失效形式与原因典型零件实例9.1

零件的失效：概念与基本形式

举例

钢丝绳断裂。

举例

高温螺栓松弛。

举例

齿轮齿面磨损、点蚀、剥落。零件失效是指零件严重损伤、完全破坏、丧失使用价值，或虽能工作但已不能保证安全、精度与预期功效。完全断裂，典型形式包括塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力脆性断裂。变形超过允许范围，包括过量弹性变形和过量塑性变形。表面磨损、腐蚀、表面疲劳等造成失效。02目概念定义01

断裂失效02过量变形失效03表面损伤失效机械工程材料测定成分、组织、性能及缺陷整理设计/工艺/使用维修资料提出改进措施并形成报告断口分析或金相剖面分析综合判断失效原因收集失效零件残体9.1

零件的失效：主要原因与分析程序失效分析的价值：为改进结构设计、修正工艺路线、优化材料与热处理

提供依据。教学提示零件失效的主要原因失效分析的一般程序03

安装使用不正确：装配不符合要求、操作维修不当、过载等。结构、尺寸、安全系数或工况判断不当。制造过程中出现组织、缺陷或性能问题。3

加工工艺不当：材料性能或材质纯净度不满足要求。机械工程材料设计不合理：选材不合理：9.2

选材的原则：使用性、工艺性、经济性工艺性直接影响：生产效率产品质量制造成本选材原则三位一体综合平衡工艺性原则经济性原则选材是多目标综合优化问题，

而非单一追求高强度或低价格。总原则：先满足使用性能要求，再兼顾工艺性与经济性。

机械工程材料(第2版)04总成本包括：

材料成本

运输与安装成本所选材料应易于并且可行地加工成零件，以确保制造过程顺利进行。在满足性能要求的前提下，力求使零件的全寿命周期总成本最小。教学提示管理成本

使用寿命(耐久性)加工制造成本

使用与维护成本材料经过加工后必须满足零件工作介质(腐蚀、磨损、辐照等)载荷类型(拉、压、弯、扭、冲击等)使用性原则工作温度(高温、低温、常温)应力状态(静载、动载、交变载荷)在使用过程中的性能要求。功能与工作要求需要分析：使用环境条件工作速度指标选材意义适用说明强度(屈服强度σs、抗拉强度σb,疲劳强度

σ-1)直接关系零件承载能力和安

全储备，适合定量设计。适用于静载、变载及交变载荷条件。疲劳强度对循环载荷工况尤为重要。应结合安全系数与设计要求综合确定。塑

性(δ、ψ)提高抗过载能力，减弱应力集中，增强安全性。适用于存在冲击、振动或装配过盈等工况。塑性不足易导致脆性断裂或早期失效。在成形加工和复杂受力中具有重要意义。韧性(冲击吸收功Ak)对脆断抗力和复杂应力状态更敏感。适用于低温、冲击、动态载荷等苛刻条件。韧性不足可能引起突然断裂，后果严重。是低温环境及安全关键件重点关注指标。硬度(HB

、HRC等)与强度、耐磨性、接触疲劳强度相关，工程图样中常以硬度综合表达性能要求。适用于耐磨、耐压、表面接触等工况。硬度可通过热处理等工艺有效调控。在工程实践中便于检测与质量控制。9.2使用性原则：常用力学性能指标在选材中的意义 哈尔滨理工大学·

机械类课程教学使用承受弯扭的零件表层应力大，往往更重视表层强化和有效硬化层深度。硬度测量简便，常作为热处理质量和综合性能控制指标。检测与控制提示05

机械工程材料工程提示工艺性能

经济性原则9.2工艺性原则与经济性原则降低总成本应同时考虑材料费、加工费、寿命周期成本优光考虑国内货源、规格简化、环保与可回收性钢铁材料中碳钢、铸铁价格较低；低合金高强钢低于多数合金钢；淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、耐回火性、氧化脱碳倾向等。06有色金属、不锈钢、高速钢价格较高。常用碳当量评定；低碳钢与低合金高强钢较好。塑性高、变形抗力小更利于成形。通常

HB

约170~250范围较好。流动性、收缩等；灰铸铁较好。热处理工艺性能机械工程材料切削加工性能锻压性能焊接性能铸造性能123459.2

选材的方法与步骤

关键环节是由工况与受力分析，转化为可查可比的性能指标。当零件在多种应力下工作时，应找出最主要性能要求，作为选材的主要依据；以耐磨性为主时可采用高碳钢淬火低温回火，或采用渗碳/渗氮/表面淬火等。以疲劳强度为主时可采用调质及表面强化；综合力学性能为主时常选中碳钢/中碳合金钢并调质；选材方法07选材步骤分析工作条件与失效形式调研同类

零件用材情况确定热处理/强化方法试验验证后再投产机械工程材料查手册初选材料并比较确定关键性能指标审核经济性②表10-2/图位预留：

常用齿轮材料与热处理方法9.3典型零件选材：齿轮类零件高接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、表面硬度与耐磨性；适当心部强度和韧性；齿轮通过齿面接触传递动力，啮合处既有滚动又有滑动；锻钢(应用最广，重要齿轮多采用);铸钢(大型复杂齿轮毛坯);有色金属与非金属(仪器仪表或特殊介质/轻载小齿轮)。工作条件失效形式性能要求常用材料齿面疲劳剥落；过量塑性变形等。08换挡、启动或啮合不良时会受冲击。齿面受接触压应力和摩擦磨损；铸铁(轻载低速不重要齿轮);齿根承受交变弯曲应力；良好切削加工性能；机械工程材料淬火变形小；材质纯净。齿面磨损；轮齿折断；9.3齿轮选材示例：机床齿轮与汽车齿轮典型方案：

20CrMnTi

等，经锻造

→

正火

→粗/半精加工

→

渗碳

→

淬火及低温回火

→喷丸

→矫正

→精磨；典型方案：40

Cr

等，经锻造→

退火/正火

→粗加工

→

调质

→

精加工

→

高频感应淬火及低温回火

→精磨；机床齿轮

汽车/拖拉机变速齿轮工况：受力不大、运动平稳、工作条件较好；工况：

受力大、冲击频繁、工况复杂；选材思路：

常选中碳钢或中碳合金钢；选材思路：

宜选低碳合金渗碳钢；09机械工程材料9.3

典型零件选材：轴类零件45钢最常用，也可选35钢、50钢、40Cr、40MnB、40CrMnMo、40CrNiMo

等；高精度耐磨主轴可选渗氮钢；近年来也采用球墨铸铁和高强度灰铸铁。轴用于支承传动零件并传递运动和动力，主要承受弯曲、扭转或拉压应力，表面摩擦磨损较大，部分零件还承受冲击。下料

→锻造

→正火

→粗加工

→调质

→半精加工

→局部淬火回火

→粗磨

→铣花键

→花键高频淬火回火

→精磨。主要失效形式有疲劳断裂、过量变形和过度磨损。哈尔滨理工大学

·机械类课程教学使用

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