工程材料课件 第十章 机械设计与选材

§1 选材的原则
❖分析零件的工作条件，确定其使用性能：
➢①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载 荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布 （均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；
➢②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变 温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；
➢③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面 分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如 交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求 韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。
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§3 典型零件选材与工艺分析
二、齿轮类零件选材（金属材料）
（1）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有 益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用 锻钢制造。
主要包括：②中碳钢表面淬火齿轮的工作速度、载荷
及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。其中Q275只 宜制作低速、轻载、无冲击的非重要齿轮，一般在正火状 态直接使用；40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的 齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬 火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于 40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态 使用，少数情况也可在调质状态使用。
7000
7500
？？？
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一、基本概念
§2 零件的失效与 选材
在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和 内部组织结构发生变化而失去原有的设计功 能，使其低效工作或无法工作或提前退役的 现象即称为失效。
失效分析的目的就是要分析零件的失效原 因并提出相应的防止和改进措施，其结论对 零件的设计、选材、加工与使用都有重大的 指导意义。
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§3 典型零件选材与工艺分析
二、齿轮类零件选材（概述）
应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭 矩（力或能），改变运动速度或方向。
不同的齿轮， 其工作条件、失 效形式和性能要 求各有不同。
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§3 典型零件选材与工艺分析
二、齿轮类零件选材（性能要求）
二、齿轮类零件选材（性能要求）
2．主要失效形式 ① 断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和
冲击过载导致的崩齿与开裂； ② 齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲
劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损； ③ 其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。
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§3 典型零件选材与工艺分析
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
2.压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，
产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说， 铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能 有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高， 其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一 般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高 铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热 压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金， 像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。
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§3 典型零件选材与工艺分析
一、工程材料的应用概况
复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足， 综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、 比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤 其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是 最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除 在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要 结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。 但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其 应用潜力巨大、前景极其广阔。
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
5.热处理工艺性能 必须首先区分是否可进行热处理强化，如
纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈 钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的 材料而言，热处理工艺性能相当的重要。
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§1 选材的原则
二、齿轮类零件选材（性能要求） 3．主要性能要求 ① 高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。 ② 足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐
磨性，以防齿面损伤。 ③ 足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。
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§3 典型零件选材与工艺分析
二、齿轮类零件选材（金属材料）
（1）锻钢 齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并 形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的 齿轮大多采用锻钢制造。 主 要 包 括 ： ① 低 碳 钢 及 低 碳 合 金 钢 2 0 、 2 0 Cr、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改 善切削加工性能，通过渗碳后淬火＋低温回火来保 证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和 高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心 部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲 击的中载和重载齿轮。
❖理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即 技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率 高，保证甚至提高产品的质量。
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
1.铸造性能 凡相图上液-固相线间距越小、 越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性 能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的 铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中， 铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、 低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢 较少用做铸件。
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
3.焊接性能 钢铁材料的焊接性随其碳和合金 元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于 焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之， 高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一 般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩 弧焊）或特殊措施进行焊接。
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§1 选材的原则
三、经济性能选材原则（举例）
价值工程原理：价值=功能/成本
Q235
A-不锈钢
F-不锈钢
价格/使用年限 5000元/年 40000元/10年 15000元/6年
年成本/材料损耗 5000
4000
2500
3000元/停产损失 8000
4300
3000
30000元/停产损失 35000
1．工作条件 ① 传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力； ② 齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变
接触应力及强烈的摩擦； ③ 启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力； ④ 有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐
蚀要求，抗磁性要求等。
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§3 典型零件选材与工艺分析
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二、失效形式
§2 零件的失效与 选材
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三、失效原因
§2 零件的失效与 选材
四个主要方面：设计、材料、加工与使用
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§3 典型零件选材与工艺分析
一、工程材料的应用概况
金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是 目前最主要的四大类工程材料。
二、工艺性能选材原则（高分子材料 ）
高分子材料的加工工艺主要为成型加工，且工艺 性能良好，所用工具为成型模（其中主要为塑料 模），具体的成型方法很多，如注射成型、吹塑成 型、挤压成型等；也易于进行切削加工，但因其导 热性能较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升 高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑 料）现象。少数情况下，高分子材料还可进行焊接 与热处理，其工艺简单易行。
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（金属材料）
4.机械加工性能 主要指切削加工性和磨削加工性，其 中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加 工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其 切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰 铸铁和硬度处于180～230HBS范围的钢具有较好的切 削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬 钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、 镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。
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§3 典型零件选材与工艺分析
一、工程材料的应用概况
金属材料、尤其是钢铁材料，与其它工程材料相 比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间 保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材 料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来 讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时 代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸 铁占20％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。 在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增 加，但金属材料仍占主体。
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§1 选材的原则
二、工艺性能选材原则（陶瓷材料 ）
硬而脆且导热性较差。根据陶瓷制品的材料、性 能要求、形状尺寸精度及生产率不同，可选用粉浆 成形、压制成形、挤压成形、可塑成形等方法。陶 瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外(如 氮化硼陶瓷)，其它陶瓷均不可切削加工；陶瓷虽 可磨削加工，但其磨削性能也不佳，且必须选用超 硬材料砂轮(如金刚石砂轮)。陶瓷也可进行热处理， 但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小 心，否则极易产生裂纹。
高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且 易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的 结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为 钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性较好且减振、 耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、 耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、 密封件和轮胎等。