汽车零件的选材-课件

汽车零件的选材汽车零件的选材1 第七章 汽车零件的选材第七章汽车零件的选材2第一节 零件的失效分析一、失效的概念一、失效的概念失效失效主要指某零件由于某种原因，导致主要指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而丧失原设计所规定的功能。变化而丧失原设计所规定的功能。完全破坏完全破坏严重损坏严重损坏未达功能要求（安全工作）未达功能要求（安全工作）包括包括第一节零件的失效分析一、失效的概念失效主要指某零件3失效会导致严重事故曲轴断裂曲轴断裂零件已完全破零件已完全破坏，不能继续坏，不能继续工作工作失效会导致严重事故曲轴断裂零件已完全破坏，不能继续工作4失效会导致严重事故曲轴轴径出现裂纹曲轴轴径出现裂纹零件已零件已受到严受到严重损伤，重损伤，已不能已不能安全工安全工作作失效会导致严重事故曲轴轴径出现裂纹零件已受到严重损伤，已不能5失效会导致严重事故零件虽然零件虽然仍能能安仍能能安全工作，全工作，但对正常但对正常燃烧产生燃烧产生了影响了影响头部烧伤痕迹头部烧伤痕迹失效会导致严重事故零件虽然仍能能安全工作，但对正常燃烧产生了6二、常见的失效形式与原因二、常见的失效形式与原因7导致零件失效的主要原因设计不合理设计不合理材料不合理材料不合理加工工艺不当加工工艺不当安装使用不正确安装使用不正确导致零件失效的主要原因设计不合理8零件失效形式 1过量变形失效过量变形失效过量变形失效过量变形失效是指在某种程度上减弱了零件规定是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。从变形的形貌上看，变形有两种基本类功能的变形。从变形的形貌上看，变形有两种基本类型：尺寸或体积变化（长大或缩小）和形状变化（如型：尺寸或体积变化（长大或缩小）和形状变化（如弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形，轴的弯曲、壳体的翘曲变形等。拉、压变形，轴的弯曲、壳体的翘曲变形等。变形后变形后：不能承受所规定载荷，不能起到规定的作：不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰。用，与其他零件的运转发生干扰。零件失效形式1过量变形失效过量变形失9零件失效形式过量变形失效弹性变形失效弹性变形失效材料刚度不足，受力过材料刚度不足，受力过程中产生过量弹性变形或弹性失稳。程中产生过量弹性变形或弹性失稳。影响弹性畸变的影响弹性畸变的主要因素主要因素有：零件形状、有：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。载荷的大小。零件失效形式过量变形失效弹性变形失效材料刚度不足，受10零件失效形式过量变形失效塑性畸变失效塑性畸变失效是外加应力超过零件材料是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变永久变形形)。引起零件塑性畸变的引起零件塑性畸变的因素因素，除在弹性畸变中，除在弹性畸变中所讨论的有关影响因素外，常见的还有材质所讨论的有关影响因素外，常见的还有材质缺陷、使用不当、设计有误等，特别是热处缺陷、使用不当、设计有误等，特别是热处理不良。实际上往往是多种因素的综合结果。理不良。实际上往往是多种因素的综合结果。零件失效形式过量变形失效塑性畸变失效是外加应力超过零11零件失效形式过量变形失效翘曲畸变失效翘曲畸变失效是一种大小与方向上常是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形，从而导致严重的翘曲畸变失效。外形，从而导致严重的翘曲畸变失效。翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合，其中以温度变化，特别是高温所导致合，其中以温度变化，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。的形状翘曲最为严重。零件失效形式过量变形失效翘曲畸变失效是一种大小与方向12零件失效形式2断裂失效断裂失效机械零件因断裂（特别是突然断裂）而产机械零件因断裂（特别是突然断裂）而产生的失效称为断裂失效。生的失效称为断裂失效。断裂失效的形式有多种，常见的主要有韧性断裂、断裂失效的形式有多种，常见的主要有韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂及蠕变失效断裂等脆性断裂、疲劳断裂及蠕变失效断裂等从断口可分析断裂失效的种类，是分析的核心，从断口可分析断裂失效的种类，是分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。析少走弯路。零件失效形式2断裂失效断裂失效的形式有多种，常见的主要有韧13韧性断裂的特征宏观特征：宏宏观特征：宏观变形方式为观变形方式为颈缩，典型断颈缩，典型断口为杯锥状断口为杯锥状断口，底部成纤口，底部成纤维状剪切断口，维状剪切断口，其平面和拉伸其平面和拉伸轴大致成轴大致成45 角。角。塑性材料拉伸后的实物塑性材料拉伸后的实物韧性断裂的特征宏观特征：宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状14脆性断裂的特征脆断时承受的工作应力较低，通常不超过脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。应力，所以又称为低应力脆断。脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹（如肉眼可见的（如肉眼可见的0.1mm1mm）作为源开）作为源开始的。这种宏观裂纹可以是在生产工艺过始的。这种宏观裂纹可以是在生产工艺过程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀而产生。而产生。脆性断裂的特征脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服15脆性断裂实物脆性断裂实物16零件失效形式3磨损失效磨损失效相互接触的一对金属表面，相对运动时金相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损磨损。零件失效形式3磨损失效17磨损失效形式粘着磨损两个金属表面的微凸部分在两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结局部高压下产生局部粘结(固固相粘着相粘着)，使材料从一个表面，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。一现象称为粘着磨损。磨损失效形式粘着磨损两个金属表面的微凸部分在局部高压下产18磨损失效形式磨料磨损 配合表面之间在相对运动过程中，因外来配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料料)磨磨损。损。磨损失效形式磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中，因外19磨损失效形式表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。表面疲劳磨损。如汽车的齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚如汽车的齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与座圈等都容易产生表面疲劳磨损。动体与座圈等都容易产生表面疲劳磨损。磨损失效形式表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨20磨损失效形式冲刷磨损、腐蚀磨损冲刷磨损冲刷磨损是由于含固态粒子的流体（常为液是由于含固态粒子的流体（常为液体）冲刷造成表面材料损失的磨损。体）冲刷造成表面材料损失的磨损。腐蚀磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。的损失或迁移现象。磨损失效形式冲刷磨损、腐蚀磨损冲刷磨损是由于含固态粒子21影响磨损失效的基本因素摩擦副材质摩擦副材质摩擦副的互溶性。相同金属、晶格类型、原子间距、摩擦副的互溶性。相同金属、晶格类型、原子间距、电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易于粘着而导致粘着磨损失效。金属与非金属（如塑于粘着而导致粘着磨损失效。金属与非金属（如塑料、石墨等），互溶性小，粘着倾向小。料、石墨等），互溶性小，粘着倾向小。摩擦副的表面强化处理情况。摩擦副的表面强化处理情况。材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各种磨损加剧。种磨损加剧。影响磨损失效的基本因素摩擦副材质22影响磨损失效的基本因素工况参数工况参数 包括接触应力、滑动距离和滑动速度、包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。温度、介质条件与润滑等。合理的表面强化处理可以减少磨损合理的表面强化处理可以减少磨损 合理的表面强化处理，一是改变组织合理的表面强化处理，一是改变组织结构，二是适度提高硬度。表面强化处理结构，二是适度提高硬度。表面强化处理有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨损率。着磨损等的磨损率。影响磨损失效的基本因素工况参数23零件失效形式4腐蚀失效腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。化学和电化学作用的结果。（1 1）均匀腐蚀）均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。腐蚀均匀性的前提是：腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织组织腐蚀环境包围的金属表面是均匀而且不受限制腐蚀环境包围的金属表面是均匀而且不受限制与障碍的与障碍的零件失效形式4腐蚀失效腐蚀均匀性的前提是：24腐蚀失效（2 2）点腐蚀）点腐蚀腐蚀集中于局部，呈尖锐小腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成孔穴甚至孔，进而向深度扩成孔穴甚至穿透穿透(孔蚀孔蚀)。金属表面受破坏。金属表面受破坏处和未受破坏处形成处和未受破坏处形成“局部电局部电池池”，其中受破坏处是阳极，其中受破坏处是阳极，未受破坏处是阴极，腐蚀电流未受破坏处是阴极，腐蚀电流由阳极流向周围的阴极，阳极由阳极流向周围的阴极，阳极处很快被腐蚀成小孔。处很快被腐蚀成小孔。腐蚀失效（2）点腐蚀25腐蚀失效（3 3）晶间腐蚀）晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。晶界处化学成分不均匀。腐蚀失效（3）晶间腐蚀26第二节 零件选材的原则及方法选材通常遵循三大原则：选材通常遵循三大原则：（1）使用性能原则：）使用性能原则：（2）工艺性能原则：）工艺性能原则：（3）经济性原则：）经济性原则：用所选材料制造的零件在使用所选材料制造的零件在使用过程中具有良好的工作性用过程中具有良好的工作性能。能。所选材料能够确保零件便于所选材料能够确保零件便于加工。加工。所选材料能使产品具有较低所选材料能使产品具有较低的总成本。的总成本。第二节零件选材的原则及方法选材通常遵循三大原则：用所选材27一、使用性能原则使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。对大具有的力学性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是力学性能。量机器零件和工程构件，则主要是力学性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要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。性能应满足使用要求。一、使用性能原则28一、使用性能原则1.零件使用时的工作条件零件使用时的工作条件（1）受力状况受力状况，主要是载荷的类型，主要是载荷的类型(例如动载、例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的和大小；载荷的形式；载荷的特点等。形式；载荷的特点等。（2）环境状况环境状况，主要是温度特性、介质情况，主要是温度特性、介质情况等。等。（3）特殊要求特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、，如对导电性、磁性、热膨胀、比重、外观等的要求。比重、外观等的要求。一、使用性能原则1.零件使用时的工作条件29一、使用性能原则2.零件根据使用性能选材的步骤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，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，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。用手册根据使用性能选材。一、使用性能原则2.零件根据使用性能选材的步骤30几种常用工作零件、失效形式及所要求的主要力学性能零件零件工作条件工作条件常见失效形式常见失效形式性能要求性能要求应力应力种类种类载荷载荷性质性质受载受载状态状态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载-过量变形，断裂过量变形，断裂强度，塑性强度，塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环循环冲击冲击轴颈轴颈摩擦摩擦疲劳断裂，过量变疲劳断裂，过量变形，轴颈磨损形，轴颈磨损综合力学性能综合力学性能传动齿轮传动齿轮压、弯压、弯循环循环冲击冲击摩擦摩擦振动振动断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，接触疲疲劳断裂，接触疲劳劳表面高硬度及疲劳极表面高硬度及疲劳极限，心部强度及韧性限，心部强度及韧性弹簧弹簧扭、弯扭、弯交变交变冲击冲击振动振动弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏弹性极限，屈强比弹性极限，屈强比，疲劳极限，疲劳极限几种常用工作零件、失效形式及所要求的主要力学性能零件工作条件31注意事项由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况：必须注意以下情况：材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。处理后的状态有关。材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。进行适当的修正。材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。都有一定波动范围。注意事项由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本32二、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。求，这是选材必须考虑的问题。二、工艺性能原则材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材33工艺性能金属材料的加工工艺路线金属材料的加工工艺路线 工艺性能金属材料的加工工艺路线34金属材料的工艺性能（1 1）性能要求不高的一般金属零件）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线选材的工艺路线 毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。（2 2）性能要求较高的金属零件）性能要求较高的金属零件选材的工艺路线选材的工艺路线 毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热最终热处理（淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等）处理（淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等）精加工精加工零件零件（3 3）性能要求较高的精密金属零件）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线选材的工艺路线 毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热最终热处理（淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳）处理（淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳）半精加半精加工工稳定化处理或氮化稳定化处理或氮化精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高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。的尺寸精度和表面光洁度。金属材料的工艺性能（1）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺35工艺性能高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线高分子材料的切削加工性能较好，与高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。不过它的导热性差，金属基本相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热，易使工件温在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使其变焦（热固性塑料）度急剧升高，使其变焦（热固性塑料）或变软（热塑性塑料）或变软（热塑性塑料）工艺性能高分子材料的工艺路线高分子材料的切削加工性能较好，与36工艺性能陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 陶瓷材料成形后，除了可以用碳陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不化硅或金刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。能进行任何其它加工。工艺性能陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料成形后，除了可以用碳37三、经济性原则1.材料的价格材料的价格零件材料的价格无疑应该尽量低。零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的中可占产品价格的30%70%，因此设计，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。人员要十分关心材料的市场价格。三、经济性原则1.材料的价格38三、经济性原则2.零件的总成本零件的总成本零件选用的材料必须保证其生产和使用的总零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。用、研究费用、维修费用和材料价格有关。三、经济性原则2.零件的总成本39三、经济性原则3.国家的资源等因素国家的资源等因素随着工业的发展，资源和能源的问题日渐随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。该来源丰富并顾及我国资源状况。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。尽量选用耗能低的材料。三、经济性原则3.国家的资源等因素404、环境与资源原则、环境与资源原则)减少材料使用减少材料使用量、延长零件寿量、延长零件寿命、材料再利用。命、材料再利用。)环境污染小环境污染小废气排放少废气排放少材料回收及降解材料回收及降解储量（储量（10106t）可用年数可用年数再生率再生率(%)(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程贯穿材料生产、使用、废弃的全过程重要金属的世界储量重要金属的世界储量4、环境与资源原则)减少材料使用量、延长零件寿命、材料41小 结正确选材是机械设计的一项重要任务，它必正确选材是机械设计的一项重要任务，它必须使须使:（1）选用的材料保证零件在使用过程中具有）选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，良好的工作能力，（2）保证零件便于加工制造，）保证零件便于加工制造，（3）同时保证零件的总成本尽可能低）同时保证零件的总成本尽可能低小结正确选材是机械设计的一项重要任务，它必须使:42