(精品)材料科学基础_材料的选用与发展.ppt

第十六章第十六章工程材料的选用与发展工程材料的选用与发展1 1 零件的失效与失效分析零件的失效与失效分析失效失效:1、零件完全破坏，不能继续工作、零件完全破坏，不能继续工作 2、零件零件严重损伤，不能继续安全工作严重损伤，不能继续安全工作 3、零件虽能安全工作，但已不能起到预期作零件虽能安全工作，但已不能起到预期作用用3.形式形式过量变形失效过量变形失效过量弹性变形过量弹性变形过量塑性变形过量塑性变形断裂失效断裂失效韧性断裂韧性断裂应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂蠕变断裂蠕变断裂疲劳断裂疲劳断裂低应力断裂低应力断裂脆性断裂脆性断裂表面损伤失效表面损伤失效磨损磨损接触疲劳接触疲劳腐蚀腐蚀失效分析方法失效分析方法1）收集证据2）断口分析，判断失效方式失效零件的残骸失效零件的资料3）测定数据，包括成分、组织和性能的分析与测试4）确定失效原因1.材料的力学性能材料的力学性能:根据零件的工作条根据零件的工作条 件、损坏件、损坏(或失效或失效)形式形式,选择满足力选择满足力 学性能的材料。学性能的材料。2.材料的工艺性能材料的工艺性能:对零件加工生产有对零件加工生产有 直接的影响直接的影响,甚至是决定性的。甚至是决定性的。3.材料的经济性材料的经济性:主要是性价比。主要是性价比。2 2 选材的基本原则选材的基本原则选择材料的基本过程选择材料的基本过程2 2 选材的基本原则选材的基本原则选材原则1使用性能首要原则1、根据零件工作条件，确定其使用性能要求i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。ii计算应力是确定材料使用性能的数量依据。受力受力状态拉、压、弯、扭载荷载荷性质静载、冲击载荷、交变载荷载荷大小大小重载、中载、轻载工作温度温度低温、室温、高温、交变温度环境介质介质加润滑剂、接触酸、碱、盐、海水、粉尘等其他其他性能导热、导电、磁性、膨胀、辐射、比重等使用性能包括使用性能包括?2.进行失效分析失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。几种常用零件的工作条件和失效形式零件工作条件常用失效形式性能要求应力种类 载荷性质 受载状态螺栓拉、剪静载过量变形，断裂 强度，塑性传动轴 弯、扭循环，冲击轴颈摩擦疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯循环，冲击摩擦，振动断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲劳表面高强度及疲劳极限，心部强度及韧性弹簧扭、弯交变，冲击振动弹性失稳，疲劳破坏弹性极限，屈强比，疲劳极限3零件性能要求的指标化将零件对使用性能的要求具体转化力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。(1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。例如：=sk屈服强度纯剪纯拉载荷-弯曲和扭转载荷(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。塑性、韧性过剩而降低零件寿命。选材原则选材原则2材料的工艺性材料的工艺性高分子材料成型工艺简单，切削加工性好导热性差陶瓷材料只能用SiC，金刚石砂轮磨削可加工性差金属材料加工方法多样铸、锻、焊、切削、热处理铸件共晶合金锻件、冲压件固溶体合金焊接结构低碳钢、低碳合金钢高强度、大截面、形状复杂合金钢切削加工材料硬度，热处理改善组织及性能选材原则选材原则3材料的经济性材料的经济性总成本=材料本身价格+加工费+其他（运费、安装费等）降低成本，就近取材；考虑材料生产、供应情况；选材少而集中，便于采购和管理从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能、生产成本。基本材料的成本材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（3070%）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；基本材料的价格的影响因素：提炼和制取的成本；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；材料的提纯、合金化（合成）成本；加工增值成本；供求关系所造成的价格波动；第三节第三节 典型零件的选材及工艺分析典型零件的选材及工艺分析机床主轴机床主轴汽车半轴汽车半轴机床齿轮机床齿轮汽车齿轮汽车齿轮3 典型零件的选材与工艺过程典型零件的选材与工艺过程一、轴类的选材与工艺1）承受交变、扭转和拉-压载荷2）相对运动表面发生磨损3）承受一定的冲击载荷1.工作条件2.主要失效形式1）断裂（疲劳为主，冲击过载为辅）2）磨损3）过量变形3 典型零件的选材与工艺过程典型零件的选材与工艺过程3.对材料的要求1）高的强韧性2）高的疲劳极限3）良好的耐磨性4.轴的分类1）受力不大，主要考虑刚度和耐磨性2）主要受弯曲、扭转的轴3）同时承受弯曲（或扭转）及拉压载荷碳钢或球墨铸铁中碳钢38CrMoAlA中碳钢45，40Cr，40MnB高淬透性钢n轻载主轴（如普通车床主轴）45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。n中载主轴（如铣床主轴）40Cr等调质处理，轴颈高频表面淬火。n重载主轴（如组合机床主轴）20CrMnTi，经渗碳、淬火、回火处理。n高精度主轴（如精密镗床主轴）38CrMoAl，调质+氮化+时效。二、齿轮的选材与工艺1）齿根承受较大的交变弯曲应力2）齿的表面承受较大的接触应力3）承受冲击载荷1.特点2.主要失效形式1）断裂2）齿面损伤3）特殊失效二、齿轮的选材与工艺3.对材料的要求1）高的弯曲疲劳强度，防止疲劳断裂2）高的接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性，防止齿面损伤3）心部强韧性好，防止冲击过载断裂4.对材料的要求1）高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度2）齿面高的硬度和耐磨性3）齿心具有足够强度和韧性调质处理表面淬火表面强化三、箱体类的选材与工艺1.特点结构复杂2.对材料的要求1）受力较大，高强度高韧性的箱体零件铸钢2）受力不大，受静载的箱体零件灰铸铁3）受力不大，要求自重轻，导热良好的箱体零件铸造铝合金4）受力不大，要求自重轻的箱体零件工程塑料四、刀具选材1）冷硬性（高的硬度和耐磨性）2）热硬性（高速切削）3）坚韧性（振动与冲击）1.特点四、刀具选材1）高速钢（俗称铎钢、白钢或凡钢）。高速钢刀具制造简单、刃磨方便，容易磨得锋利，而且坚韧性较好，能承受较大的冲击力，因此常用于加工一些冲击性较大、形状不规则的零件，如宽刃大走刀的车刀，梯形螺纹精车刀等。但是，高速钢的热硬性较差（约500600）不宜用于高速切削。高速钢车刀常用的有W18Cr4V和W9Cr4V2两种牌号。2.刀具材料四、刀具选材1）硬质合金（俗称钨钢）硬质合金能耐高温，有好的热硬性，在1000左右尚能保持良好的切削性能，耐磨性也很好，常温下硬度达HRA8792.8，而且具有一定的使用强度。缺点是性脆、怕震，坚韧性差，但这一缺陷，可以通过刃磨合理的切削角度来弥补。所以硬质合金是目前应用最广泛的一种车刀材料，特别在高速切削的条件下尤其有利。2.刀具材料一一.C616 416车床主轴车床主轴一一)工作条件工作条件:1.该轴在滚动轴承中运转。该轴在滚动轴承中运转。2.承受中等负荷承受中等负荷,承受一定的冲击力。承受一定的冲击力。3.转速中等。转速中等。二二)技术要求技术要求:1.整体调质后硬度应为整体调质后硬度应为HB200230,金相组金相组 织为回火索氏体。织为回火索氏体。2.内锥孔和外圆锥面处硬度为内锥孔和外圆锥面处硬度为HRC4550,表面表面35mm内金相组织为回火屈氏体和内金相组织为回火屈氏体和 少量回火马氏体。少量回火马氏体。3.花键部分硬度花键部分硬度HRC4850,金相组织同上。金相组织同上。三三)选材选材:45钢。钢。四四)加工工艺路线加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 半精加工半精加工 钻中心孔钻中心孔 精车加工精车加工 铣键槽铣键槽 局部淬火局部淬火(锥孔及外锥体锥孔及外锥体)粗磨粗磨 滚铣花键滚铣花键 花键淬火花键淬火 精磨精磨 五）热处理工艺五）热处理工艺820840水淬+500550高温回火+轴颈高频淬火（水冷）+180200低温回火最终组织心部S；轴颈表面M。二二.YJ 130汽车半轴汽车半轴一一)工作条件工作条件:1.该轴在上坡或启动时该轴在上坡或启动时,承受较大扭矩。承受较大扭矩。2.承受一定的冲击力和具有较高的抗弯能力。承受一定的冲击力和具有较高的抗弯能力。3.承受反复弯曲疲劳应力。承受反复弯曲疲劳应力。二二)技术要求技术要求:1.杆部硬度杆部硬度HRC3744;盘部外圆硬度盘部外圆硬度HRC 2434;金相组织为回火索氏体和回火屈金相组织为回火索氏体和回火屈 氏体。氏体。2.弯曲度弯曲度:杆中部杆中部1.8mm;盘部跳动盘部跳动2.0mm。三三)选材选材:40Cr、42CrMo、40CrMnMo。四四)加工工艺路线加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 半精加工半精加工 精车加工精车加工 盘部钻孔盘部钻孔 磨花键磨花键 三三.C616机床齿轮机床齿轮一一)工作条件工作条件:1.工作负荷不太大。工作负荷不太大。2.中速运转中速运转(610m/s)。二二)技术要求技术要求:1.齿面硬度齿面硬度HRC4550,金相组织为回金相组织为回 火索氏体。火索氏体。2.齿心部硬度齿心部硬度HRC2225,金相组织为金相组织为 回火马氏体。回火马氏体。三三)选材选材:40、45钢。钢。四四)加工工艺路线加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 半精加工半精加工 精车加工精车加工 高频淬火高频淬火及低温回火及低温回火 精磨精磨 四四.JN 150型载重汽车变速箱齿轮型载重汽车变速箱齿轮一一)工作条件工作条件:1.工作负荷大。工作负荷大。2.高速运转高速运转(1015m/s以上以上)。3.受冲击频繁受冲击频繁,磨损较严重。磨损较严重。二二)技术要求技术要求:1.齿面硬度齿面硬度HRC5862,金相组织为回金相组织为回 火马氏体火马氏体+合金碳化物合金碳化物+残余奥氏体。残余奥氏体。2.齿心部硬度齿心部硬度HRC3545,金相组织为金相组织为 回火马氏体回火马氏体(低碳低碳)+铁素体铁素体+细珠光体。细珠光体。三三)选材选材:20 CrMnTi 钢。钢。四四)加工工艺路线加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 机械加工机械加工 渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火 喷丸喷丸 磨齿磨齿 五）热处理工艺五）热处理工艺 900950渗碳+820850油淬+180200低温回火最终组织心部M+F；齿面M+K+A。代表零件材料种类使用性能主要失效方式热处理缸体、缸盖、飞轮HT200刚度、强度、尺寸稳定性开裂、孔壁磨损、翘曲变形去应力退火、铸铝件采用时效缸套、排气门座合金铸铁耐磨性、耐热性过量磨损铸造状态曲轴QT600-2刚度、强度、耐磨性磨损、变形、断裂表面淬火、圆角滚压、氮化活塞销渗碳钢20.20Cr强度、耐磨性、冲击韧性磨损、变形、断裂渗碳、淬火、回火连杆、连杆螺栓调质钢45.40 Cr强度、疲劳抗力、冲击韧性过量变形、断裂调质、探伤轴承、轴瓦轴承钢和轴承合金耐磨性、疲劳抗力磨损、剥落、烧蚀、断裂不热处理排气门高铬耐热钢4Cr10Si2Mo 4Cr14Ni14W2Mo 耐热性、耐磨性尺寸变形、氧化、烧损淬火、回火活塞有色金属高硅铝合金ZL108、ZL110耐热强度烧蚀、变形、断裂固溶处理及时效支架、盖、罩、挡板、壳等钢板A3、08、20、16Mn刚度、强度变形不热处理