第二十七讲 材料的选择与应用PPT课件

• 材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时 应考虑的因素。
• 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。
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。
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。
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。
• 掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加 工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员的基本 要求。
1、使用性能选材原则
• 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、失效形式
四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级 对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂 失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且 研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。 对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但 也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。
3、失效原因 四个主要方面：设计、材料、加工与使用
第二十八讲 材料的选择与应用
§1 选用材料的一般原则 §2 零件的失效与选材 §3 典型零件的选材与工艺 §4 可持续发展战略下的材料选择
一、概
述
• 材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基 础环节，自始至终地影响整个合理的前提下，保证 材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。
– 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。
2、工艺性能选材原则
• 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得 规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内 在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。
§1 选材的原则
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。
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。
§3 典型零件选材与工艺分析
三、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。 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。
二、材料(机械零件)的失效
1、失效概念: 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。
陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的 受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。 但陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、 耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油 化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前 景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21 世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前 尚处开发应用阶段。
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。
3、经济性能选材原则
质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重 要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考 虑选材的经济性原则。 所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材 料、或是生产成本最低的产品，而且是指运用价值分 析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响， 以达到最佳的技术经济效益。
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。