工程材料-第5章-工程材料选择

第五章工程材料的选择教学目的:了解零件失效的概念和主要形式，熟悉机械零件选材的基本原则，掌握典型零件的选材及其加工工艺路线设计方法。教学内容：5.1机械零件的失效分析5.2机械零件的选材原则5.3典型零件的选材及工艺路线设计失效——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的变化而失去原设计效能的现象。机械零件失效一般包括以下几种情况：⑴零件完全破坏，不能继续工作；⑵虽能安全工作，但不能满意地起到预期的作用；⑶零件严重损伤，继续工作不安全。

5.1零件的失效分析塑性变形起落架横梁断裂疲劳断裂磨损变形失效塑性变形弹性变形断裂失效蠕变断裂韧性断裂脆性断裂疲劳断裂表面损伤失效腐蚀失效磨损失效5.1.2零件失效的形式1.设计不合理——零件尺寸和几何形状不正确。如过渡圆角太小引起应力集中。对零件的工作条件和工作环境估计不足，都容易引起零件的失效。2.加工制造安装不当——加工中出现表面光洁度太低、刀痕较深、磨削裂纹等；热加工时容易出现过热、过烧或带状组织；热处理时容易出现表面脱碳、淬火变形、开裂等。安装时配合过紧、过松，对正不好，都会造成零件不正常工作；5.1.3零件失效的原因3.使用不良——平时维护不良，不按工艺规程操作，也会导致零件在不正常条件下运行。4.选材错误——设计时对零件的失效形式判断有误，致使所选材料的性能不能满足工作条件的要求；或材料的冶金质量太差，例如夹杂物过多，杂质元素过多等。5.1.3零件失效的原因航空零件失效原因统计设计选材加工装配

使用其它33.723.821.818.32.45.2机械零件的选材原则使用性原则工艺性原则经济性原则5.2.1使用性原则零件所用的材料首先应该满足使用的要求，包括力学性能和其他性能的要求。在使用时不出现失效的情况.1.零件的强度——零件应该具有能够承受工作载荷的强度，不出现过量弹性变形、明显塑性变形或断裂。零件的强度与材料的强度有关，也与其结构、尺寸等因素有关。2.材料的韧性——零件的选材不但要满足强度要求，而且要考虑韧性要求。特别是工作时要承受冲击载荷的零件。以防止材料发生脆断。3.材料的耐磨性——零件的磨损失效主要包括磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损四种形式，不同的磨损形式对材料选择上要求不同。如磨粒磨损是由于材料与硬质颗粒摩擦产生的微小划痕积累形成的。因此，需要材料有较高的硬度才能抵抗划伤，减少磨损。5.2.1使用性原则5.2.1使用性原则4.零件的耐腐蚀性——在腐蚀环境下工作的零件除了要求有足够的力学性能外，还要求材料具有一定的抗腐蚀性能。零件的腐蚀不但与零件材料的成分、显微组织和加工工艺有关，同时也决定于机器中各相关零件的材料组成体系和零件的使用环境。5.2.1使用性原则5.材料的耐高温性能----在高温环境工作的零件还要能够在高温条件下保证材料所需的性能。如航空发动机的涡轮叶片应具有足够的蠕变强度、持久强度和高温疲劳强度。高速切削刀具应具有足够的红硬性。5.2.2工艺性原则材料加工工艺性能将直接影响到零件的质量，生产效率和成本。所用材料应该能够易于加工出合格的零件。尽量选用工艺简单的材料，选材材质要满足工艺性要求，在大批量生产和特殊情况下要优先考虑工艺性能。很好的铸造性能是制造铸造零件的先决条件；冷成型件要求材料有好的均匀塑性变形性能；作工程构件的材料应具有好的焊接和冷变形性能；而大多数的机器零件对材料工艺上最突出的要求是可切削加工性和热处理工艺性自动加工机床选用易切钢，可以延长刀具寿命，提高生产率，改善零件的表面光洁度；在机械制造业中还常常考虑以铁代钢，以铸代锻也简化了工艺，同时还降低成本。1.选材的经济性涉及到材料本身成本的高低，供应是否充分，加工成品率和加工效率的高低，甚至机器零件设计使用寿命的长短。2.通常在满足零件使用性能要求的前提下，应尽量优先选用价廉的材料。3.考虑材料的经济性时，切不可以单价来评价材料的优劣，而应当以综合效益来评价材料经济性的高低。5.2.3经济性原则零件选材的基本思路：零件的加工工艺零件的工作条件零件的失效形式零件的性能要求零件的材料选择5.3典型零件的选材1.齿轮的工作条件（1）由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；（2）换档、启动或啮合不均时，齿部承受一定的冲击载荷；（3）齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力和摩擦力。5.3.1典型齿轮的选材2.齿轮的失效形式（1）轮齿断裂（2）齿面点蚀（3）齿面磨损（4）局部变形3.齿轮的性能要求：（1）高的弯曲疲劳强度；（2）高的接触疲劳强度；（3）较高的强度和冲击韧性。5.3.1典型齿轮的选材齿轮类零件的选材1。齿轮的性能要求齿轮在机器中主要担负传递功率与调节速度的任务，有时也起改变运动方向的作用。它在工作时，通过齿面的接触传递动力，周期地受弯曲应力和接触应力的作用，在啮合的齿面上，相互滚动和滑动造成强烈的摩擦，有些齿轮在换档、启动或啮合不均匀时还承受冲击力等。其失效形式主要有轮齿疲劳断裂与冲击、过载断裂:齿面接触疲劳与磨损。因此，要求材料具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度;齿面具有高的硬度和耐磨性:齿轮心部具有足够的强度与韧性。对于不同机器中的齿轮工作条件的差异，对性能的要求也有不同。故应选用不同的材料与强化方法。显然，载荷愈大，速度愈大，齿轮疲劳与磨损的现象就愈严重，对材料的强化要求也愈高。齿轮精度要求愈高，对材料尺寸稳定性和耐磨性的要求也应愈高，以防在使用过程中因变形或磨损，丧失其原有的精度。此外，齿轮运转过程中承受的冲击愈大，对材料的韧性要求也愈高。调质钢齿轮调质钢主要用于制造两种齿轮，一种是对耐磨性要求较高，而冲击韧性要求一般的硬齿面〈HB>350)齿轮，如；车床、钻床、铣床等机床的变速箱齿轮，通常采用45、40Cr、4OMnB、45Mn2等钢，经调质后表面淬火。对于高精度、高速运转的齿轮，可采用38CrMoAlA氮化钢，进行调质后氮化处理。另一种是对齿面硬度要求不高的软齿面(HB≤350)齿轮，如车床溜板上的齿轮、车床挂轮架齿轮、汽车曲轴正时齿轮等，通常采用45、40Cr;35SiMn等钢，经调质或正火处理。渗碳钢齿轮渗碳钢主要用于制造速度高、载荷重、冲击较大的硬齿面齿轮，如汽车、拖拉机变速箱、驱动桥齿轮，立车的重要齿轮等，通常采用20CrMnTi、20MnVB、20CrMnMo等钢，经渗碳淬火、低温回火处理，表面硬度高而耐磨，心部强韧耐冲击。为增加齿面残余压应力，进一步提高齿轮的疲劳强度，还可随后进行喷丸处理。塑料齿轮摩擦系数小，减震性好，噪音低，重量轻，耐腐蚀等优点。但其强度、硬度、弹性模量低，使用温度不高，尺寸稳定性差。故主要用于制造轻载、低速、耐蚀、无润滑或少润滑条件下工作的齿轮，如仪表齿轮、无声齿轮等。A380选材从A380选材的分布来看，铝合金占的比重最大，达机体结构重量的61%，因此要实现性能改进，必须开发创新的铝合金材料和工艺技术，具体是提高强度和损伤容限，加强稳定性并提高抗腐蚀能力。尤其是在A380机翼部位(机翼的80%以上是铝合金材料)要提高性能。A380复合材料的应用A380是空中客车第一次大范围在大型民用运输机上应用复合材料的飞机。A380飞机是空中客车第一次将碳纤维增强塑料（CFRP）应用于中央翼盒的飞机，这种结构与铝合金相比减重1.5吨。A380上的中央翼盒重8.8吨，其中5.3吨是复合材料。A380钛合金用量在A380的结构中，钛合金用量较空中客车其它机型有所增加，达到10%。在A380飞机上采用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V。在A380上第一次采用了新型钛合金VST55531，用于A380飞机的机翼和挂架之间的连接件。机床零件的用材情况和铸铁制造，特别是铸铁的用量大约占机床自重的70%，各种碳钢占20%左右，余下是合金钢及少量的有色金属，塑料和陶瓷在机床中用量极少。其中，轴、齿轮等钢制零件的热处理较多采用正火、调质、表面淬火等。CA6140车床主要零件的用材情况汽车的工作条件经常要受到较大的冲击与过载，工作环境恶劣，温度变化大(-35~45℃)，尘土。汽车零件的磨损问题突出，如发动机中摩擦副(缸套和活塞环、连杆瓦和曲轴、凸轮和挺杆等)的粘着磨损；底盘部分(底盘转向器及其联动机构)的磨粒磨损。底盘部分的许多零件在交变、冲击载荷及振动、过裁、雨雪、风沙的综合作用下，还容易产生疲劳断裂及应力腐蚀断裂。要求材料的强度、韧性、耐磨性、减摩性、疲劳强度、抗应力腐蚀等性能。作为运载工具、在保证性能的同时，还要求自重轻，以提高重量利用系数(载重量/车辆自重)与车速，降低油耗，故材料应具有较高的比强度。发动机的进、排气阀，活塞等零件还需在高温下工作，还要求材料具有较高耐热性。汽车发动机零件的用材情况零件材料热处理及其它发动机零件缸体、缸盖HT200去应力退火ZL104淬火、时效曲轴QT600-3表面淬火、圆角滚压、氮化活塞销20、20CrMnTi、20Cr、12Cr2Ni4渗碳、淬火、低温回火连杆、连杆螺栓、曲轴45、40Cr、40MnB调质（探伤）排气门4Cr9Si2淬火、回火汽门弹簧65Mn、50CrVA淬火、中温回火活塞ZL108、ZL110淬火、时效汽车底盘零件的用材情况汽车底盘零件纵梁、横梁、传动轴、保险柜、钢圈25、16Mn钢板冲压前桥（前轴）、转向节臂（羊角）、半轴45、40Cr、40MnB模锻、调质、圆角滚压（探伤）变速箱齿轮、后桥齿轮20CrMnTi、12Cr2Ni4渗碳、淬火、低温回火变速器壳、离合器壳HT200去应力退火板簧65Mn、60Si2Mn、淬火、中温回火、喷丸驾驶室、车厢、罩08、20钢板冲压美元硬币的材质

美国在1964年以前发行的大小银币，其成分皆含银九铜一。由于银价持续上涨，币材将超过面值，当白银价格在上世纪30年代初期大涨时，各式银币遭囤积熔化成锭块，使美国