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1、第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋Ch11 材料的选择与应用材料的选择与应用 1 选用材料的一般原则选用材料的一般原则 2 零件的失效与选材零件的失效与选材 3 典型零件的选材与工艺典型零件的选材与工艺 4 可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择2022/5/81第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022/5/82第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022/5/83第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022/5/84第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋2022/5/85第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋概 述v材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基材料的选择与应
2、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设计过程。础环节，自始至终地影响整个设计过程。v选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。v掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加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（广义工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员（广义地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的地应是对所有的从事产品设计与制造的技术人员）的基本要求。基本要求。 2022/
3、5/86第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 1 选材的原则v分析零件的工作条件，确定其使用性能：分析零件的工作条件，确定其使用性能：受力情况：受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载如载荷性质（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；（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；工作环境：工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温）如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；，介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；其它要求：其它要求：如导热性、密度
4、与磁性等。在全面如导热性、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。韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。 2022/5/87第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋一、使用性能选材原则一、使用性能选材原则 1 选材的原则2022/5/88第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则二、工艺性能选材原则 v材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺
5、而获得规定的使用性能和外形的能力，因此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。成本和生产效率等。v材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能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。也是选材时应考虑的因素。v理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即理想情况下，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。高，保证甚至提高产品的质量。1 选材的原则202
6、2/5/89第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料） 1.1.铸铸造造性性能能 凡凡相相图图上上液液- -固固相相线线间间距距越越小小、越越接接近近共共晶晶成成分分的的合合金金均均具具有有较较好好的的铸铸造造性性能能。因因此此铸铸铁铁、铸铸造造铝铝合合金金、铸铸造造铜铜合合金金的的铸铸造造性性能能优优良良；在在应应用用最最广广泛泛的的钢钢铁铁材材料料中中，铸铸铁铁的的铸铸造造性性能能优优于于铸铸钢钢，在在钢钢的的范范围围，中中、低低碳碳钢钢的的铸铸造造性性能能又又优优于于高高碳碳钢钢，故故高高碳碳钢钢较少用做铸件。较少用做铸件。1 选
7、材的原则2022/5/810第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料） 2. 2.压力加工性能压力加工性能 包括变形抗力，变形温度范围，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，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，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
8、热加工性能也较差，如高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，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。像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。1 选材的原则2022/5/811第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料） 3.焊焊接接性性能能 钢钢铁铁材材料料的的焊焊接接性性随随其其碳碳和和合合金金元元素素含含量量的的提提高高而而变变差差，因因此此钢钢比比铸铸铁铁易易于
9、于焊焊接接，且且低低碳碳钢钢焊焊接接性性能能最最好好、中中碳碳钢钢次次之之，高高碳碳钢钢最最差差。铝铝合合金金、铜铜合合金金的的焊焊接接性性能能一一般般不不好好，应应采采用用一一些些高高级级的的焊焊接接方方法法（如如氩氩弧焊）或特殊措施进行焊接。弧焊）或特殊措施进行焊接。1 选材的原则2022/5/812第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料） 4.机机械械加加工工性性能能 主主要要指指切切削削加加工工性性和和磨磨削削加加工工性性，其其中中切切削削加加工工性性最最重重要要。一一般般来来说说材材料料的的硬硬度度越越高高、加加工工硬硬化化
10、能能力力越越强强、切切屑屑不不易易断断排排、刀刀具具越越易易磨磨损损，其其切切削削加加工工性性能能就就越越差差。在在钢钢铁铁材材料料中中，易易切切削削钢钢、灰灰铸铸铁铁和和硬硬度度处处于于180180230230HBSHBS范范围围的的钢钢具具有有较较好好的的切切削削加加工工性性能能；而而奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢、高高碳碳高高合合金金钢钢(高高铬铬钢钢、高高速速钢钢、高高锰锰耐耐磨磨钢钢)的的切切削削加加工工性性能能较较差差。铝铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。1 选材的原则2022/5/813第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性
11、能选材原则（金属材料）二、工艺性能选材原则（金属材料） 5.热处理工艺性能热处理工艺性能 必必须须首首先先区区分分是是否否可可进进行行热热处处理理强强化化，如如纯纯铝铝、纯纯铜铜、部部分分铜铜合合金金、单单相相奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢一一般般不不可可热热处处理理强强化化；对对可可热热处处理理强强化化的的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。材料而言，热处理工艺性能相当的重要。1 选材的原则2022/5/814第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（二、工艺性能选材原则（高分子材料高分子材料 ） 高高分分子子材材料料的的加加工工工工艺艺主主要要为为成成型型加加工工，且且工工艺艺性
12、性能能良良好好，所所用用工工具具为为成成型型模模（其其中中主主要要为为塑塑料料模模），具具体体的的成成型型方方法法很很多多，如如注注射射成成型型、吹吹塑塑成成型型、挤挤压压成成型型等等；也也易易于于进进行行切切削削加加工工，但但因因其其导导热热性性能能较较差差，在在切切削削过过程程中中应应注注意意工工件件温温度度急急剧剧升升高高而而导导致致的的软软化化（热热塑塑性性塑塑料料）和和烧烧焦焦（热热固固性性塑塑料料）现现象象。少少数数情情况况下下，高高分分子子材材料料还还可可进进行行焊焊接接与与热热处理处理，其工艺简单易行。，其工艺简单易行。 1 选材的原则2022/5/815第十一章 材料的选用机
13、电工程 赵华洋二、工艺性能选材原则（二、工艺性能选材原则（陶瓷材料陶瓷材料 ） 硬硬而而脆脆且且导导热热性性较较差差。根根据据陶陶瓷瓷制制品品的的材材料料、性性能能要要求求、形形状状尺尺寸寸精精度度及及生生产产率率不不同同，可可选选用用粉粉浆浆成成形形、压压制制成成形形、挤挤压压成成形形、可可塑塑成成形形等等方方法法。陶陶瓷瓷材材料料的的切切削削加加工工性性能能极极差差，除除极极少少数数陶陶瓷瓷外外( (如如氮氮化化硼硼陶陶瓷瓷) )，其其它它陶陶瓷瓷均均不不可可切切削削加加工工；陶陶瓷瓷虽虽可可磨磨削削加加工工，但但其其磨磨削削性性能能也也不不佳佳，且且必必须须选选用用超超硬硬材材料料砂砂轮
14、轮( (如如金金刚刚石石砂砂轮轮) )。陶陶瓷瓷也也可可进进行行热热处处理理，但但因因导导热热性性与与耐耐热热冲冲击击性性差差，故故加加热热与与冷冷却却时时应应小小心心，否则极易产生裂纹。否则极易产生裂纹。1 选材的原则2022/5/816第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、经济性能选材原则三、经济性能选材原则 质质优优、价价廉廉、寿寿命命高高，是是保保证证产产品品具具有有竞竞争争力力的的重重要要条条件件；在在选选择择材材料料和和制制定定相相应应的的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。 所所谓谓经经济济性性选选材材原原则则，不不仅仅是是指指选选择择价价格
15、格最最便便宜宜的的材材料料、或或是是生生产产成成本本最最低低的的产产品品，而而是是指指运运用用价价值值分分析析的的方方法法，综综合合考考虑虑材材料料对对产产品品的的功功能能与与成成本本的的影影响响，以以达达到到最最佳佳的的技术经济效益。技术经济效益。 1 选材的原则2022/5/817第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋三、经济性能选材原则（举例）三、经济性能选材原则（举例）价值工程原理：价值价值工程原理：价值= =功能功能/ /成本成本Q235A-不锈钢不锈钢F-不锈钢不锈钢价格价格/使用年限使用年限5000元元/年年40000元元/10年年15000元元/6年年年成本年成本/材料损耗材料损
16、耗5000400025003000元元/停产损失停产损失80004300300030000元元/停产损失停产损失3500070007500？1 选材的原则2022/5/818第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋 一、基本概念一、基本概念2 零件的失效与 选材 在在使使用用过过程程中中，因因零零件件的的外外部部形形状状尺尺寸寸和和内内部部组组织织结结构构发发生生变变化化而而失失去去原原有有的的设设计计功功能能，使使其其低低效效工工作作或或无无法法工工作作或或提提前前退退役役的的现现象象即称即称为为失效失效。 失失效效分分析析的的目目的的就就是是要要分分析析零零件件的的失失效效原原因因并并提提出出相相应应的的防防止止和和改改进进措措施施，其其结结论论对对零零件件的的设设计计、选选材材、加加工工与与使使用用都都有有重重大大的的指指导导意意义义。2022/5/819第十一章 材料的选用机电工程 赵华洋二、失效形式二、失效形式 2 零件的失效与 选材四四类类：过过量量变变形、断裂、表面形、断裂、表面损伤损伤和物理性能降和物理性能降级级 对对结结构构材材料料的的失失效效而而言言，前前三三种种是是最
