华中科技大学工程材料学课件第11章 机械设计与选材

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1、工程材料学第十二章 机械设计与选材 机械设计与选材的关系 机械产品的失效问题 选材原则 选材的典型实例分析工程材料学第一节 机械设计与选材的关系一、机械产品的设计 过程 机械产品的设计涉 及广泛的学科。 新产品的设计、老 产品改进都涉及选 择材料。工程材料学第一节 机械设计与选材的关系二、设计与制造工艺路线选材后，制定合适的工艺路线。使构件在加 工中，既达到外形尺寸要求，又使内部组织满足 工况的使用要求，即满足使用性能。GCr15钢制作的量规，工艺路线为：下料 锻锻造球化退火机械加工粗磨 淬火低温回火精磨低温人工时时效其中四道热处理工序是以改变和稳定量具内部组 织为主的，四道工序是保证量具外形

2、尺寸。设计 与选材是紧密相关的。工程材料学第二节 机械产品的失效问题一、失效的概念 失效：零件或部件失去应应有的功效 零件在工作过过程中最终终都 要发发生失效。所谓谓失效是指：零件完全破坏，不能继续继续 工作；严严重损损伤，继续继续 工作很不安全；虽虽能安全工作 ，但已不能满满意地起到预预定的作用。只要发发生上述三种情况 中的任何一种，都认为认为 零件已经经失效。一般称呼失效大多是 特指零件的早期失效，即未达到预预期的效果或寿命，提前出 现现失效的过过程。 失效分析：探讨讨零件失效的方式和原因，并提出相应应的改进进 措施。根据失效分析的结结果，改进对进对 零件的设计设计 、选选材 、加工和使用

3、，提高零部件的使用寿命，避免恶恶性事故的 发发生，带带来相应应的经济经济 效益和社会效益。 工程材料学二、机械零件失效的原因 1. 设计：由于零件设计时对其工作条件估计错误，如对工 作时的过载估计不足，散热、润滑、环境腐蚀气氛了解不 足等，设计依据不合理；计算错误，但现在很少发生因 计算错误造成的设计事故；结构外形设计不合理，往往 容易忽视高应力处的应力集中，仅考虑结构而出现尖角、 缺口、过小的圆角。2. 材料：选材不当，如根据材料的常规性能指标作判据， 但这些指标可能并不是材料发生失效的抗力，还有为了经 济或加工原因，选择的材料不合理，即材料本身没有设计 者有求于的能力。问题出在材料上，但责

4、任在设计者。 材料本身的缺陷，如杂质元素过多、夹杂物过多或存在夹 层、裂纹的宏观缺陷，即材料的质量问题。 工程材料学二、机械零件失效的原因 3. 加工：由于生产加工的工艺不良，也会造成各种缺陷。如 铸、锻、焊工艺不良产生的偏析、带状组织或过热、过烧 现象；机械加工的光洁度不足，存在过深的刀痕、磨痕； 热处理不良出现的过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足导致 较大的残余内应力等。值得注意的是零件的结构不合理会 造成或加大产生各中加工缺陷的可能性。4. 装配与使用：零件安装时的配合过紧、过松、对中不良、 固定不紧等会造成零件的早期失效，在使用时的非法过载 或维护不良(润滑、散热、粉尘)也会造成零件的早期

5、失效 。5. 意外事故：人为或非人为因素造成零件出现了不可承受的 载荷。 工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系 1变形失效 过量弹性变形失效：由于发生过大的弹性变形而造成的零件 失效。弹性变形超过了工作能容许的范围，造成与其配合 的零件相撞而破坏；细长杆的弹性失稳而发生塑性弯曲或 断裂。材料的弹性模量仅决定于成分，热处理对其影响较 小。 过过量塑性变变形失效：零件由于发发生过过大的塑性变变形而不能继继 续续工作的失效。材料抵抗塑性变变形的能力主要指标标是屈服 强度，屈服强度愈高，发发生塑性变变形失效的可能行愈小， 而有一些脆性材料可能屈服强度很高，但因为为材料太脆， 高强度的特点发挥发挥

6、 不出来。 工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系 2断裂失效 快速断裂失效：快速断裂又称为单调为单调 断裂，在单调单调 增加载载荷的 作用下，当载载荷超过过一定临临界值值后迅速发发生断裂。断裂的 形式有塑性断裂和低应应力脆断。塑性断裂往往是材料存在缺 口或应应力的高度集中造成，如断裂前材料有明显显的塑性变变形 ，在早期就定为为塑性变变形失效。低应应力脆断发发生前没有可 见见的征兆，往往会带带来灾难难性后果(飞飞机坠坠毁、轮轮船沉没) ，为为此要考虑虑材料的韧韧性，特别别是冲击韧击韧 性的脆性转变转变 温 度。 疲劳劳断裂失效：在低于屈服应应力的交变变循环应环应 力作用下发发生 的断裂，是

7、机械零件的主要失效形势势之一。机械设计设计 的校 核用-1（疲劳劳强度），材料的实质实质 是裂纹扩纹扩 展速率，它 要求材料有良好的强韧韧性配合。但在设计设计 中应应考虑虑工作时时 实际发实际发 生的循环环次数，不可都以无限次校核。工程材料学三、零件失效形式与性能之间的关系 2表面损伤失效 磨损损失效： 相对对运动动的接触表面的材料以细细屑形式逐渐渐磨耗 ，而使零件尺寸不断变变小的一种失效方式。材料表面的硬度 愈高，抵抗磨损损的能力愈强。表面疲劳劳失效：接触表面(特别别是滚动滚动 接触),在工作过过程中承 受交变变接触应应力的作用，使材料表层发层发 生疲劳劳破坏而脱落 ，造成零件失效。接触疲劳

8、劳按其损伤损伤 程度分为为麻点(浅层层剥 落)与剥落(深层层剥落)。提高表面接触疲劳劳抗力要求在一定 的层层深范围围内有高的硬度。腐蚀蚀失效： 由于化学或电电化学腐蚀蚀作用造成的零件失效。腐 蚀蚀的种类类有多种，如点腐蚀蚀、裂隙腐蚀蚀、晶间间腐蚀蚀、冲刷 腐蚀蚀。重点在于改善材料的化学性能，不仅仅材料整体的化学 稳稳定性，特别别是晶界的化学稳稳定性。 工程材料学三、零件失效形式与工作条件 工程材料学一、 选材三原则1、使用性能原则使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性 能、物理性能和化学性能。2、工艺性能原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。3、经济性原则一般包括材料的价格、零件的总

9、成本与国家的资源等。第三节 选材原则工程材料学二、使用性能原则必须根据工作条件来选材： 受力状况 零件承受工作时的拉、压、弯、扭、剪、冲 击应力，不能断裂或超量的变形。 适应应工作环环境 温度、电电、磁、热热、腐蚀蚀等作用下， 热热膨胀胀不能超限，绝缘绝缘 或导电导电 ，合理的外观观。 保证证零件经经久耐用 即零件要有一定的寿命。 即所用材料要满足使用性能。使用性能主要是指零件 在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学 性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。 对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材 料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。工程材料学二

10、、使用性能原则零件根据使用性能选材的步骤通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定 零件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应 关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；根据零 件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中 的应力分布；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能 指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用 手册根据使用性能选材。 所有的材料都不是万能的，扬其利，避其弊。从失效分 析入手，失效的方式决定对材料要求的主要性能。例如齿轮 失效有折断、接触疲劳点蚀、过度磨损，要用有高硬度、好 韧性的材料制造，手术刀要锋利、不断、不锈等等。 工程材料学三、

11、工艺性能原则所用材料要满满足生产产中的工艺艺要求，即所用材料要有相 应的工艺能制造出来。工艺性能包括：铸造：材料的高温流动性、收缩率、偏析、吸气性等。热锻成形：热塑性、流变应力、加热抗氧化性等。冷压成形：屈服强度、塑性、加工硬化性等。焊接：焊缝强度和热影响区的开裂问题，包括冷裂或热裂倾向；热处理：加热时氧化脱碳倾向和过热敏感性，淬火时变形开裂倾 向和淬透性、回火脆性和回火性能；冷机械切削加工：合适的硬度、断屑性、得到的表面质量。 工程材料学金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂， 而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。 （1）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线

12、毛坯正火或退火切削加工零件。（2）性能要求较高的金属零件选材的工艺路线毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理( 淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工零件（3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理( 淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理 或氮化精加工稳定化处理零件。这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的 尺寸精度和表面光洁度。工程材料学四、经济经济 性原则 比成本系指（材料费费用工艺艺生产费产费 用）寿命比成本为为最小 这这里要考虑虑材料的来源、国家资资源、生 产产管理等。充分利用国内国际资源。在管理上，大批量的

13、专业专业 生产产材料的消耗量大，材料的种类类可多种，节节省出单单价差别别 ；而小批量的生产产，过过多的品种增加了管理费费用，用量少的以 优优代劣，可以降低成本，不一定完全依赖赖原设计设计 。 在这这三条原则则中，要依次选择选择 ，首先要满满足性能，其次 考虑虑加工、兼顾顾成本。技术术的发发展不断对对材料提出新要求， 工艺艺的发发展不断创创新加工方法。 工程材料学五、选材思路 工程材料学第四节 选材的典型实例分析一、工程材料使用概况 四类工程材料：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材 料，相辅相成，各有特点。金属材料：优良的综合力学性能机械零件、工程结构高分子材料：轻、弹性好、绝缘性好、耐磨耐

14、蚀、成形性好、价 廉，但强度、刚度低，易老化轻载零件、结构件陶瓷材料：强度刚度最好，但塑性韧性差，绝缘性好、化学稳定 性好、高硬度和热硬性高温下工作的零件、切削工具、耐磨 零件等。复合材料：综合了不同材料的优良性能，具有广阔的发展空间。工程材料学在机床、汽车等制造工业中，轴类零件是另一类用量很 大、且占有相当重要地位的结构件。轴类零件主要作用是支撑传动零件并传递运动和动力，共 性特征是工作时受弯曲、扭转多种应力的交变作用，材料应有 较高的综合机械性能。局部承受摩擦运动部位如轴颈、花键等 处，要求有一定的硬度，以提高其抗磨损能力。不同轴的工作环境和特定性能要求也不全相同，例如工作 温度(汽轮机)

15、、润滑条件、腐蚀介质(海水中螺旋桨传递)、刚度(精 密机床主轴)、安全性(提升机)等。对材料的选用也不尽相同，还 必需根据具体应用来进行具体分析。二、轴类零件的选材工程材料学1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求（1）一般轴的工作条件1）传递一定扭矩，承受一定交变弯矩和拉、压载荷。2）轴颈承受较大的磨擦。3）承受一定的冲击载荷。（2）主要失效形式1）疲劳断裂；2）断裂失效；3）磨损失效。（3）对轴用材料性能要求1）良好的综合力学性能。2）高的疲劳强度。3）良好的耐磨性。二、轴类零件的选材工程材料学2. 轴类零件的选材（1）不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴，可以用碳 钢或球墨铸铁来制造。 （2

16、）主要受弯曲、扭转的轴 这类轴无需选用淬透性很 高的钢种，通常选用中碳钢，如45钢、40Cr、40MnB等；若 要求高精度、高的尺寸稳定性及耐磨性的轴，如磨床主轴， 则常选用38CrMoAl钢，进行调质及氮化处理。（3）同时承受弯曲（或扭转）及拉、压载荷的轴选用淬 透性较高的钢种。 二、轴类零件的选材工程材料学机床主轴工作特点：受力不大，有时受到冲击载荷作用，要求较高的刚度 ，轴头锥面和锥孔高精度配合且要求一定耐磨性，滑动轴承 的轴颈则需要高的耐磨性。 选材：由于材料的受力不大可用普通45钢，对高精度机床为保 证氮化可靠性，应选用38CrMoAlA专用氮化钢为好。3. 典型轴选材举例工程材料学机床主轴工艺路线：下料 锻造 退火 粗加工 调质 精车 去应力处理 喷砂 粗磨 氮化 精磨热处理工艺说明：退火：消除锻造应力，降低硬度，改善切削加工性，为调 质做准备。