机械工程材料—材料的选用
《工程材料》第9章 工程材料的选用
1.1 机械零件的失效 零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效，属于正常失效; 在低于设计的预期寿命时发生的失效，属于非正常失效。 所谓失效是指: ① 零件完全破坏，不能继续工作; ② 零件严重损伤，继续工作很不安全; ③ 零件虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。 只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
选择，对容器的安全运行具有十分重大的意义。 制造压力容器广泛使用金属材料，主要是各种钢板，包括碳素结构钢板、
优质碳素结构钢板、锅炉钢板、高压容器用层板、低合金结构钢板、不锈钢板 及不锈钢复合钢板等。 选材时除了从使用性能、工艺性能、经济性等各方面作 全面考虑和合理选择外，还需注意其特殊性。决定压力容器工作条件的主要因 素是压力、温度和介质。其压力可高达1500~ 2500MPa，温度可在-200℃以下和 500℃以上，介质多具有腐蚀性。压力容器的热处理一般有正火、淬火与高温回 火、消除应力退火。对于不锈钢制容器，有时焊后还要求固溶处理或稳定化处 理
其工艺路线是: 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频加热表面淬火→低温回 火→磨削加 工→送验入库
其工艺路线是: 下料→锻造→正火→粗加工及半 精加工→渗碳→淬火及低温回火 →喷丸→磨齿→送验入库
3.2轴类零件选材 轴是机械中的重要零件，一切做回转运动的零件都要装在轴上。轴的工 作条件是:传递转矩，承受交变的扭转应力和交变弯曲应力;轴颈承受较大的摩 擦作用，有时还要承受一定的过载或冲击载荷。根据轴类零件的工作特点可 知，其主要的失效形式有疲劳断裂、 过量变形、磨损。因此，对轴的性能要 求是:良好的综合机械性能，高的疲劳强度，轴颈处具有高的耐磨性。故轴类 零件一般用中碳钢 或 中碳合金调质钢制造，主要有 45Cr、 40Cr、40MnB、 30CrMnSi、38CrMoAl/35CrMo和40CrNiMo等。对于高速重载条件下工作的轴 类零件， 可选用20CrMnTi、20Cr等低碳合金渗碳钢，经渗碳、淬火、低温回 火后使用。
机械零件的常用材料特性及应用
用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。
零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
以功能來分: 依其機械、電氣、熱學及其他性質功能來分。
1 )泛用塑膠： 通常以美觀及低功能使用要求，為訴求重點。 如：PE 、 PVC 、 PMMA、ABS
轴用材料
要求: 充分強度/耐磨性/耐疲勞性/充分硬度/充 分橈度
選用
一般用軸材料(A3/S10C/S45C) 強力用軸材料(SNCM240(价高)/42CrMo)
齿轮用材料
要求: 充分強度/耐磨性/充分硬度/耐衝擊性/易 加工性
選用
高周波淬火處理材料(S45C/42CrMo) 滲碳淬火處理材料(42CrMo) 氮化相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
选用原则： 优选碳素钢(A3.S45C)，其次是硅、锰、硼、钒类合
金钢,特殊硬度可以选合金工具钢（Cr12).
金属热处理方式
热处理方式：退火、正火、淬火和回火四种基本工艺，俗称金 属热处理的“四把火”。 1.退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不 同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达 到 或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为 进一步淬火作组织准备。 2.正火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效 果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削 性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 3.淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水 溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。 (S45C可以达到42-50HRC, Cr12可以达到52-60HRC) 4.回火：是为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而 低于 710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这 种工艺称为回火
工程材料的选用原则-概述说明以及解释
工程材料的选用原则-概述说明以及解释1.引言1.1 概述工程材料的选用原则是在工程建设过程中十分关键的环节，它直接影响着工程的质量、安全和可持续性发展。
合理选择适当的工程材料可以确保工程的稳定性、耐久性和经济效益。
工程材料的选用原则涉及到多方面的考虑因素，如材料的物理特性、化学性质、机械性能以及环境适应性等。
首先，工程材料的物理特性是考察材料是否适合特定工程环境的重要因素。
例如，在高温环境下，材料的热膨胀系数应与周围环境相匹配，以避免产生应力集中导致材料的开裂或变形。
其次，化学性质决定了材料的耐腐蚀性能和化学稳定性，尤其在某些特殊工况下，如海洋环境或化工厂等，对材料的耐蚀性要求特别高。
再者，工程材料的机械性能，包括强度、刚度、韧性等，决定了材料在工程中承受荷载的能力和变形行为。
最后，材料的环境适应性意味着材料在不同环境条件下的使用寿命和性能变化情况，例如对温度、湿度、光照等环境因素的适应能力。
对这些因素的综合考虑可以为工程师们提供更好的材料选择方案。
在选材原则中，还应考虑到工程的可持续性和环境保护，选择符合节能减排和资源利用效率的材料。
此外，经济性也是选材原则中必不可少的一个重要因素，不仅包括材料本身的成本，还应考虑到其加工成本、维护成本以及整体的工程成本。
综上所述，工程材料的选用原则应综合考虑材料的物理特性、化学性质、机械性能、环境适应性以及经济性等方面的因素，同时也应注重工程的可持续性和环境保护，以确保工程的质量和持久性。
随着科技的不断发展和创新，未来的工程材料选用将会面临更多新的挑战和机遇，我们可以期待更具创新性和可持续性的工程材料的涌现和应用。
文章结构是一个长文的骨架，它有助于读者理解文章的整体框架和内容安排。
本文按照以下结构展开：1. 引言1.1 概述：介绍工程材料选用原则的重要性和必要性。
解释合理选择工程材料对于工程建设的影响，并引出接下来的内容。
1.2 文章结构：本部分。
概述文章的大纲和目录，为读者提供整篇文章的结构，使其更好地理解文章的框架。
第十一章机械工程材料的选择及应用
92第十一章 机械工程材料的选择及应用掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。
许多机械工程师把选材看成一种简单而不太重要的任务。
当碰到零件的选材问题时，他们一般都是参考相同零件或类似零件的用材方案，选择一种传统上使用的材料（这种方法称为经验选材法）；当无先例可循，同时对材料的性能（如耐腐蚀性能等）又无特殊要求时，他们仅仅根据简单的计算和手册提供的数据，信手选定一种较万能的材料，例如45钢。
这种简单化的处理方法已日益暴露出种种缺点，并证明是许多重大质量事故的根源。
所以，选材正在逐渐变成一种严格地建立在试验与分析基础上的科学方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
方法。
掌握这种选材方法的要领，了解正确选材的过程，显然具有很大的实际价值。
在机械制造业中，新设计的机械产品中的每一个机械零件或工程构件、工艺装备和非标准设备，机械产品的改型，机械产品中某些零件需要更换材料，进口设备中某些零配件需用国产零配件代用等，都会遇到材料的选用。
一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标，时，大多以使用性能指标作为主要依据。
而对机械零件起主导作用的机械性能指标， 则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
则是根据零件的工作条件和失效形式提出的。
§11.1 零件的失效形式与提高材料性能的途径一、零件的失效与失效分析零件在工作过程中最终都要发生失效。
所谓失效是指：（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
《机械工程材料》教案
《机械工程材料》教案一、教学目标1. 了解机械工程材料的基本概念、分类和性能。
2. 掌握金属材料的组织结构、性能及应用。
3. 熟悉非金属材料、复合材料的分类、性能及应用。
4. 能够根据工程需求选择合适的材料。
二、教学内容1. 机械工程材料的基本概念及分类材料的定义、分类及编号金属材料、非金属材料、复合材料的特征及应用2. 金属材料的组织结构与性能金属的晶体结构金属的力学性能、工艺性能及物理性能金属的强化途径3. 常用金属材料及应用碳钢、合金钢、不锈钢的性能及应用常用有色金属及其合金的性能及应用4. 非金属材料塑料、橡胶、陶瓷的性能及应用复合材料的性能及应用5. 材料的选用及工艺路线设计材料选用的原则工艺路线设计的方法及步骤三、教学方法1. 讲授：讲解基本概念、原理、性能及应用。
2. 互动：提问、讨论，巩固知识点。
3. 案例分析：分析实际工程案例，掌握材料选用及工艺路线设计。
4. 实验：观察材料组织结构，验证性能指标。
四、教学资源1. 教材：《机械工程材料》2. 课件：讲解要点、图片、案例分析3. 实验设备：金相显微镜、硬度计等4. 网络资源：相关论文、视频、网站等五、教学评价1. 平时成绩：课堂提问、作业、实验报告2. 考试成绩：期末考试、考查知识掌握程度3. 综合评价：分析案例、设计工艺路线，评价应用能力六、教学重点与难点1. 教学重点：机械工程材料的基本概念、分类和性能金属材料的组织结构、性能及应用非金属材料、复合材料的分类、性能及应用材料选用的原则和方法2. 教学难点：金属材料的组织结构与性能之间的关系非金属材料、复合材料的性能及应用材料选用和工艺路线设计的实践应用七、教学进度安排1. 课时：共计32课时2. 分配：基本概念及分类：4课时金属材料的组织结构与性能：6课时常用金属材料及应用：4课时非金属材料：3课时复合材料：3课时材料的选用及工艺路线设计：6课时实验：3课时机动：2课时八、教学步骤1. 引入：通过实例引入机械工程材料的概念，激发兴趣。
机械工程材料第6章典型零件选材
表6.1
工作条件 ①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速低 ③精度要求不高 ④稍有冲击
表6.1 机床主轴工作条件、用材及热处理
材料 45 主要热处理 正火或调质 硬度 220~250 HBS 使用实例 一般简式机床
①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速略高 ③精度要求不太高 ①与滑动轴承配合 ②有冲击载荷 ①与滚动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求较高 ④冲击与疲劳较小 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求很高 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，心部强度不高，转 速高 ③精度要求不高 ④有一定冲击和疲劳 ①与滑动轴承配合 ②重载荷，转速高 ③有较大冲击和疲劳载荷
2、轴类零件选材及加工工艺路线确定步骤
1）看懂零件图 了解和分析零件的形状、大小与特征； 2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求； 3）确定材料及热处理工艺 根据用途，选择合适的材料和强 化工艺； 4）确定零件的加工工艺路线 制造轴类零件常采用锻造、切 削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中 切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺 寸变化不大的非重要轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒料直 接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。
右图为“解放”牌载重汽车变速箱变速 齿轮。该齿轮将发动机动力传递到后轮， 并起倒车的作用，工作时承载、磨损及 冲击负荷均较大。要求齿轮表面有较高 的耐磨性和疲劳强度，心部有较高的强 度(σb > 1 000 MPa)及韧性(αk＞60 J／ cm2)。 选材及加工工艺路线有以下两种方式。
“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮选材及加工工艺路线
2）汽车半轴： 汽车半轴是一个传递扭矩的重要 部，工作时承受冲击、弯曲疲 劳和扭转应力的作用，要求材 料有足够的抗弯强度、疲劳强 度和较好的韧性。
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用
机械设计基础学习机械工程材料的选择与应用机械设计是机械工程学科的核心领域之一，它涉及到机械元件的设计、制造与应用。
而在机械设计的过程中，材料的选择与应用是至关重要的因素之一。
本文将探讨机械设计中常用的工程材料以及它们的特点与应用。
一、金属材料金属材料是机械设计中最常用的材料之一。
常见的金属材料包括钢、铁、铝、铜等。
钢具有高强度、刚性和耐磨性的特点，广泛应用于制造机械零件和结构件。
铝材轻巧、导热性好，常用于制造轻型机械零件和外壳。
铜材具有良好的导电性和导热性，适用于电子元器件的制造。
在选择金属材料时，需要考虑其强度、耐腐蚀性、导电性等特性，以及成本和可加工性等因素。
二、合成材料合成材料是指由两种或两种以上的材料组合而成的材料。
常见的合成材料有复合材料、聚合材料、陶瓷复合材料等。
复合材料由纤维和基质组成，具有高强度、高刚度和低密度的特点，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。
聚合材料如塑料、橡胶等具有良好的抗腐蚀性和绝缘性能，常用于制造密封件和电气元件。
陶瓷复合材料具有高温耐磨性和绝缘性能，适用于高温和腐蚀环境下的应用。
三、非金属材料非金属材料包括塑料、橡胶、玻璃等。
塑料具有良好的韧性和绝缘性能，广泛应用于电器、家具等领域。
橡胶具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造密封件和减震器等。
玻璃具有透明的特性，适用于制造光学元件和仪器。
四、选材原则在机械设计中，选材的原则是根据机械零件所处的工作环境和工作要求来选择合适的材料。
首先，要考虑材料的强度和刚度，以保证机械零件在工作负荷下不发生变形和破坏。
其次，要考虑材料的耐磨性和耐腐蚀性，以延长机械零件的使用寿命。
同时，还需考虑材料的导热性、导电性和绝缘性能，以满足特定工作要求。
最后，成本和可加工性也是选材的考虑因素之一。
五、材料应用案例1. 在汽车制造领域，使用高强度的钢材制造车身和车架，以提高碰撞安全性能。
2. 在飞机制造领域，使用复合材料制造机翼和机身，以提高飞机的轻量化和燃油效率。
工程材料学第10章工程材料的选用
陶瓷材料的选用
• 总结词：陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性等特性，广泛应用于机械、化工、电子等领域。 • 详细描述：陶瓷材料如氧化铝、氮化硅等，具有优异的力学性能和化学稳定性，能够承受高温和高强度的环境。
在机械领域，陶瓷材料用于制造刀具、磨具、密封件等，具有高硬度和耐磨性，能够提高机械设备的效率和寿 命。在化工领域，陶瓷材料用于制造管道、阀门、反应器等，具有高耐腐蚀性和高温稳定性，能够保证化工生 产的稳定性和安全性。在电子领域，陶瓷材料用于制造电路基板、电容器、绝缘子等，具有优良的电气性能和 热稳定性，能够保证电子产品的可靠性和稳定性。
透光材料
选用高透光性能的材料，如光学玻璃、聚合物等， 用于制造眼镜片、镜头等。
滤光材料
选用具有特定光谱透射性能的材料，如红外截止 滤光片、紫外滤光片等。
反射材料
选用具有高反射性能的材料，如金属膜、铝膜等， 用于制造反射镜、凹面镜等。
05 工程材料选用的合材料
利用先进技术制备高性能复合材 料，提高材料的强度、刚度和耐 久性，满足高端装备和产品的需
04 功能材料的选用
电功能材料的选用
电绝缘材料
选用高绝缘性能的材料，如陶瓷、玻 璃、聚合物等，用于制造绝缘子、绝 缘套管、绝缘胶带等。
导电材料
选用高导电性能的材料，如铜、铝、 银等，用于制造电线、电缆、电极等。
压电材料
选用具有压电效应的材料，如石英、 锆钛酸铅等，用于制造压电器件。
热电材料
选用具有热电效应的材料，如碲化铋、 碲化铅等，用于制造热电器件。
复合材料的选用
• 总结词：复合材料是由两种或多种材料组成的新型材料，具有各组成材料的优 点，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
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第8章 材料的选用
零件的失效分析
一个机械零件无论质量多高，都不可能无限期使用，总有一天会因各种原因 而失效报废。到达或超过正常设计寿命的失效是不可避免的，但也有许多零件， 其运行寿命远远低于设计寿命而发生早期失效，给生产造成很大影响，甚至酿成 重大安全事故。因此，必须给予足够的重视。在零件选材初始，就必须对零件在 使用中可能产生的失效方式、原因及对策进行分析，为选材及后续加工的控制提 供参考依据。
2. 零件失效原因 引起零件失效的因素很多且较为复杂，它涉及零件的结构设计、材料选择、 材料的加工、产品的装配及使用保养等方面，通常与下列因素有关。 (1) 设计不合理。设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理， 即在零件的高应力处存在明显的应力集中源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆 角等。另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不 足，因而设计的零件的承载能力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过 选材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时， 更是如此。
8.8
第8章 材料的选用
零件的失效分析
(2) 选材不合理。选材不当是材料方面导致失效的主要原因。问题出在材料 上，但责任在设计者身上。最常见的情况是，设计中对零件失效的形式判断错误， 使所选材料的性能不能满足工作条件的要求，或者选材时所根据的性能指标不能 反映材料对实际失效形式的抗力，从而错误地选择了材料。另外，所用材料的冶 金质量太差，如含有过量的夹杂物、杂质元素及成分不合格等，这些都容易使零 件造成失效。
8.5
第8章 材料的选用
零件的失效分析
一般机械零件在下列3种情况中的任何一种可认为已失效：零件完全不能工 作；零件虽能工作，但已不能完成设计功能；零件已有严重损伤，不能再继续安 全使用。由此可见，零件失效不等于零件坏了。
零件在达到或超过设计的预期寿命后发生的失效，属于正常失效；在低于设 计预期寿命时发生的失效，属于非正常失效。另外，有突发性失效，例如，化肥 厂爆炸、图2.10所示的油轮断裂、图8.1所示飞机的损坏等。
第8章 材料的选用
零件的失效分析
同一零件可能有几种失效形式，例如，轴类零件，其轴颈处因摩擦而发生磨 损失效，在应力集中处则发生疲劳断裂，两种失效形式同时起作用。但一般情况 下，总是由一种形式起主导作用，很少同时以两种形式使零件失效。另外，各类 基本失效方式可以互相组合，形成更复杂的复合失效方式，如腐蚀疲劳断裂，蠕 变疲劳，腐蚀磨损等。但它们在特点上都各自接近于其中某一种方式，而另一种 方式是辅助的。
一、失效的概念
失效是指零件在使用中，由于形状或尺寸的改变或内部组织及性能的变化而 失去原有设计的效能。零件在工作时，由于承受各种载荷，或者由于运动表面间 长时间地相互摩擦等原因，零件的尺寸、形状及表面质量会随着时间延长而改变。 如果零件尺寸由于磨损超过了零件设计时的尺寸公差范围，表面由于磨损或外界 介质的侵蚀等造成表面质量下降，这些都是零件失效。
图8.1 737喷气式飞机座舱突然破裂
8.6
(事故原因与铝合金座舱罩在含盐大气环境中大面积的腐蚀有关)
第8章 材料的选用
零件的失效分析
二、零件失效类型及原因
1. 零件失效类型 零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因 而造成零件的不同失效形式。机械零件常见的失效形式可归纳为以下几种类型。 (1) 断裂失效。断裂是零件最严重的失效形式，它是因零件承载过大或因疲 劳损伤等发生破断。例如，钢丝绳在吊运中的断裂及在交变载荷下工作的轴、齿 轮、弹簧等的断裂。断裂方式有塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力脆性断 裂等。 (2) 过量变形失效。过量变形失效是指零件变形量超过允许范围而造成的失 效。它主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。例如，高温下工作时，螺 栓发生松脱，就是过量弹性变形转化为塑性变形而造成的失效。 (3) 表面损伤失效。表面损伤失效是指零件的表面及附近材料造成尺寸变化 和表面破坏的失效现象。它主要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效。 例如，齿轮经长期工作轮齿表面被磨损，而使精度降低的现象，即属表面损伤失 8.7 效。
8.3
第8章 材料的选用
教学要求： 一、学习要求 了解机械零件常见的失效形式及原因，初步掌握常规零件的选材基本原 则、分析方法和步骤，具备根据零件工作条件和失效方式合理地选择与使用 材料的初步能力。 二、本章应注意以下内容 1. 熟悉选材的三项基本原则(使用性原则、工艺性原则、经济性原则)及 它们之间的关系，根据零件的工作条件和失效形式，对材料的性能正确地提 出要求，合理地选择和使用材料。 2. 常用金属材料的应用情况。 3. 典型零件(轴类)的选材分析方法，同时也应了解机器零件的设计不单 是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。 4. 典型零件的热处理工艺和加工工艺路线。
(3) 加工工艺不当。零件或毛坯在加工和成形过程中，由于工艺方法、工艺 参数不正确等，常会出现某些缺陷，导致失效。如热加工中产生的过热、过烧和 带状组织等；冷加工不良时粗糙度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等；热处理 中产生的脱碳、变形及开 裂等。
(4) 安装使用不正确。机器在装配和安装过程中，不符合技术要求，如安装 时配合过松、过紧，对中不准，固定不稳等，都可能使零件不能正常工作，或工 作不安全；使用中不按工艺规程操作和维修，保养不善或过载使用等，均会造成 早期失效。
第8章 材料的选用
第8章 材料的选用
8.1
第8章
材料的选用
本章内容
•零件的失效分析 •材料选用的原则与方法 •常用材料的性能比较 •典型零件的选材 •常用机械用材 •习题
பைடு நூலகம்8.2
第8章 材料的选用
教学提示： 一、学习方法 本章实际上是前几章知识的综合应用，学习时应熟悉已学过的知识，注 重所学知识的灵活运用。 二、重点和难点 本章的关键在掌握前几章知识的基础上，进一步了解常规零件的工作条 件、主要损坏形式及主要力学性能指标，重点是常规零件的选材分析方法和 步骤。 在机械制造中，为生产出质量高、成本低的机械或零件，必须从结构设 计、材料选择、毛坯制造及切削加工等方面进行全面考虑，才能达到预期的 效果。合理选材是其中的一个重要因素。