工程材料机械制造中零件材料的选择总复习

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 机械零件的失效概述,一、机械零件的失效形式,1.,超量变形失效,(1),弹性失稳,(2),过量塑性变形,(3),蠕变及应力松弛,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,2.,断裂失效,(1),快速断裂,图,12-1,疲劳断口示意图,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,(2)疲劳断裂,(3)应力腐蚀断裂,(4)持久断裂,3.外表损伤失效,(1)磨损,(2)接触疲劳,(3)外表腐蚀,(4)外表热疲劳,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,二、失效的原因,1.,零件设计不合理,(1),对零件工作条件估计不正确,(2),对零件的尺寸结构及技术条件设计不合理,2.,零件的选材和用材不当,3.,加工工艺缺陷引起的失效,4.,安装和使用不当,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,第二节 机械零件的选材,在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。,1,、工程材料的强化方式： 固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。,2,、工程材料的韧化途径： 细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,一、选材的根本原那么 满足机件的使用性能要求 较好的加工工艺性 较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求 使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。1从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求 承受载荷的类型及大小如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，那么疲劳抗力是重要的使用性能。 工作环境温度、介质的性质等 特殊要求的性能电、热、磁、比重、外观等 失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，那么可通过选择适宜的材料来防止失效。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,2从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求 使用性能要求 可测的实验室性能指标 初选 一般根据设计手册的数据选材，应注意：材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围 只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏平安的 手册一般给出：s 、b 、 、 、ak 目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系，此时还须对处理工艺主要是热处理工艺作出明确规定。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,2、材料的工艺性应满足加工要求 材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。在选材中，同使用性能比较，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，如大量生产时，工艺性能那么可能成为选材考虑的主要依据。实际选材时，一般是从零件的工艺路线中提出对材料的工艺性能要求。金属零件按其形状、性能要求，可有很多种不同的加工工艺路线。 钢铁零件的工艺路线大体可分为三类：性能要求不高的一般零件一般用铸铁、碳钢制造毛坯 正火或退火 机械加工 零件性能要求较高的一般零件合金钢、高强度铝合金毛坯预先热处理正火或退火 粗加工最终热处理淬火回火、固溶时效、化学处理等 精加工,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,要求较高的精密零件毛坯预先热处理正火或退火 粗加工热处理淬火回火、固溶时效、化学处理等 半精加工稳定化处理精加工稳定化处理零件高耐磨性者还须进行氮化处理金属材料的加工工艺性能有： 铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。 如果设计的是铸件，最好选择共晶合金；设计锻件、冲压件，最好选择固溶体的合金；设计焊接件，那么不应选用铸铁、铜合金、铝合金，应选低碳钢或低碳合金钢；绝大局部机械零件都要经过切削加工，一般将钢铁材料的硬度控制在160230HBS 。制造高强度及大截面、形状复杂的零件，须选用合金钢。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,3、材料的价格和总本钱应经济、低廉 经济性是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单指选用的材料本身的价格应廉价，更重要的是应使产品的总本钱降至最低。同时，所选材料应符合国家的资源状况和供给情况，其品种、规格应尽量少而集中。 零件的总本钱包括：材料的价格、零件自重、零件寿命、零件加工费用、试验研究费、维修费用等 另外还应考虑可持续性环保、资源等 一般的说，在满足零件机械性能的前提下，选用碳钢、铸铁可降低本钱。现在用球墨铸铁代替锻钢制造曲轴、齿轮等重要零件，不仅降低了本钱，而且节约了加工工时，延长了使用寿命。由于低合金钢强度比碳钢高，工艺性能接近碳钢，故在有些情况下，选用低合金钢往往经济效益比较显著。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,二、选材的一般一般步骤及具体方法,1、零件材料选择的步骤,1在分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。,2通过分析或试验，结合同类零件失效分析结果，找出零件在实际使用中的主要和次要失效抗力指标，以此作为选材的依据。,3根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，通过比较选择适宜材料。,4审核所选材料的生产经济性。,5试验、投产。,2、零件选材的具体方法简介,新设计的关键零件通常应进行力学性能试验；按力学性能选材，具体方法有以下三种类别：,1以综合力学性能为主进行选材；P257-258,2以疲劳强度为主进行选材；P258,3以磨损为主进行选材。P258-260,第三节 典型零件的选材实例分析一、工程材料应用概括 金属、陶瓷和高分子材料是三类最重要的工程材料，各有特性，故各有其最适宜的用途。 高分子材料强度、刚度、疲劳强度、冲击韧性均较低，不耐高温。目前还很少用于制造重要的机器结构零件。但因其减振性、减摩性、耐蚀性好，比重很小，常制轻载传动齿轮、轴承、密封垫圈等。,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,陶瓷材料性太脆，不能用于制造重要的受力构件。但其化学稳定性、热硬性好，硬度高，常用于制造高温下工作的零件如燃烧器、喷嘴等，及切削刀具、某些耐磨零件、石油化工容器等耐蚀件。 金属材料具有最优良的综合机械性能，强度高、韧性好、疲劳抗力也高，可用来制造各种重要的机器零件和工程结构，钢铁目前仍是最重要的结构材料。二、机床零件用材分析 其工作条件较好、受力较小，故大多数零件选材时，刚度是要考虑的主要问题。机床大局部零件不必采用高级材料制造，而是采用碳钢和铸铁。1、机床主轴 轻载主轴如普通车床主轴一般用45钢，经调质或正火，在要求耐磨部位采用高频外表淬火 中载主轴如铣床主轴一般用40Cr、45钢或球,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,墨铸铁，经调质处理，耐磨部位外表淬火强化。 重载主轴如组合机床主轴一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火、回火处理高精度主轴如精密镗床主轴一般用38CrMoAl钢制造，经调质处理后进行氮化处理及尺寸稳定化处理2、机床齿轮 轻载齿轮45钢，正火或调质 中载齿轮主传动系统及进给系统中的齿轮45钢经正火或调质处理加高频外表淬火强化或40Cr钢经调质处理加高频外表淬火强化 重载齿轮20Cr或20CrMnTi ，经渗碳加淬火、低温回火3、机床导轨 常用灰铸铁HT200或高磷耐磨铸铁等制造，可进行外表淬火处理，要进行长期的稳定尺寸的人工时效处理,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,三、汽车零件用材分析 工作条件比机床复杂得多：受力非常复杂，常受较大的冲击和过载；工作环境恶劣，要在变化很大的温度、湿度及尘 土飞扬的条件下工作。 采用低合金高强钢，可提高材料的比强度，从而减轻汽车自重，提高重量利用系数载重量 /自重 ，降低油耗和汽车本钱。汽车的结构大体分为四局部： 发动机局部汽缸体、活塞、连杆、曲轴、进排气阀等 底盘局部离合器、变速箱、传动轴、车架、轮胎、方向盘、制动片、气泵等 车身局部驾驶室、车厢等 电气局部起动、点火、照明、讯号等发动机零件用材： 缸体、缸盖、飞轮HT200去应力退火；或用ZL104做缸体、缸盖，须淬火+时效处理,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,曲轴QT600-02或锻钢，经外表淬火或氮化 活塞销20、20Cr、20CrMnTi经渗碳、淬火、低温回火 活塞ZL108、ZL110经淬火+时效 气门弹簧65Mn、50CrVA经淬火+中温回火 北京牌吉普车后桥圆锥齿轮20CrMnTi 经渗碳、淬火、低温回火，渗碳层1.21.6mm ，齿面硬HRC5862， 心部硬度HRC3348 工艺路线： 下料锻造正火切削加工渗碳、淬火、低温回火 磨削加工,?工程材料及应用? 第十一章 机械制造中零件材料的选择,?机 械 工 程 材 料?,总 复 习,?工程材料及应用? 总 复 习,使用性能,工艺性能,纯金属,合金,工业用钢,有色金属及其合金,铸铁,结晶,塑性变形,热处理,?工程材料及应用? 总 复 习,一、性能,使用性能,1,、力学性能,刚度：材料抵抗弹性变形的能力。,指标为弹性模量：,E=,/,强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：,抗拉强度,b,材料断裂前承受的最大应力。,屈服强度,s,材料产生微量塑性变形时的应力。,?工程材料及应用? 总 复 习,条件屈服强度 0.2剩余塑变为0.2%时的应力。,疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。, 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。, 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。,?工程材料及应用? 总 复 习,冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为,k,.,材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。,断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为,K,1C,。,2,、化学性能,耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。,抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。,3,、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。,?工程材料及应用? 总 复 习,工艺性能,1,、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。,2,、锻造性能：成型性与变形抗力。,3,、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性,.,4,、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。,5,、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。,?工程材料及应用? 总 复 习,二、晶体结构, 纯金属的晶体结构,1、理想金属, 晶体：原子呈规那么排列的固体。,晶格：表示原子排列规律的空间格架。,晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。,?工程材料及应用? 总 复 习,三种常见纯金属的晶体结构,Mg,、,Zn,-Fe,、,Ni,、,Al,-Fe,、,Cr,、,W,常见金属,3,12,12,滑移系,底面对角,3, 3, 2,滑移方向,六方底面,1,111 4,1106,滑移面,0.74,0.74,0.68,致密度,12,12,8,配位数,6,4,2,原子个数,原子半径,a,、,c,a,a,晶格常数,密排六方,面心立方,体心立方,?工程材料及应用? 总 复 习, 立方晶系的晶面指数和晶向指数,晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加 ,晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 ,立方晶系常见的晶面和晶向, 晶面族与晶向族,指数不同但原子排列完全相同的,晶面或晶向。,密排面和密排方向 同滑移面与滑移方向,在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。,?工程材料及应用? 总 复 习,2,、实际金属, 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。,晶粒：组成金属的方位不同、外形不规那么的小晶体.,晶界：晶粒之间的交界面。, 晶体缺陷晶格不完整的部位, 点缺陷,空位：晶格中的空结点。,间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。,置换原子：取代原来原子位置的外来原子。,?工程材料及应用? 总 复 习, 线缺陷位错,晶格中一局部晶体相对另一局部晶体沿某一晶面发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交接线。, 面缺陷晶界和亚晶界,亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。, 晶界的特点：,原子排列不规那么；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。,?工程材料及应用? 总 复 习,金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。,晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好,.,细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。,?工程材料及应用? 总 复 习, 合金的晶体结构,合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。,相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他局部有界面分开的均匀组成局部。,1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相., 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。,?工程材料及应用? 总 复 习,间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。,为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。,铁素体：碳在,-Fe,中的固溶体。,奥氏体：碳在,-Fe,中的固溶体。,马氏体：碳在,-Fe,中的过饱和固溶体。,固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。,?工程材料及应用? 总 复 习,马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。,2.,金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相,.,正常价化合物 如,Mg,2,Si,电子化合物 如,Cu,3,Sn,间隙化合物：由过度族元素与,C,、,N,、,H,、,B,等小原子半径的非金属元素组成。,分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。,?工程材料及应用? 总 复 习,强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC,中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6,弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C, 性能比较：强度：固溶体纯金属,硬度：化合物固溶体纯金属,塑性：化合物固溶体纯金属,?工程材料及应用? 总 复 习,金属化合物形态对性能的影响,基体、晶界网状：强韧性低,晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低,颗粒状：,弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。,固溶体与化合物的区别：结构；性能；表达方式,?工程材料及应用? 总 复 习,合金元素在钢中的作用,1、强化铁素体；,2、形成化合物第二相强化,3、扩大C,Mn,Ni,Co或缩小Cr,Si,W,MoA相区,4、使S、E点左移,5、影响A化,6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高。,7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。,?工程材料及应用? 总 复 习,8、提高耐回火性淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力,9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象),10、防止第二类回火脆性：W、Mo,(回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。),?工程材料及应用? 总 复 习,三、组织, 纯金属的组织,1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程, 结晶的条件过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。,过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。, 结晶的根本过程晶核形成与晶核长大,形核自发形核与非自发形核,长大均匀长大与树枝状长大,?工程材料及应用? 总 复 习,结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变质处理；机械振动、搅拌,2,、纯金属中的固态转变,同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。,固态转变的特点：形核部位特殊；过冷倾向大,;,伴随着体积变化。,1394,912,铁的,同素异构转变：,-Fe,-Fe,-Fe,?工程材料及应用? 总 复 习,3,、再结晶,再结晶条件：冷塑性变形,加热时的变化：回复再结晶晶粒长大,再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程,.,再结晶不是相变过程。, 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。,纯金属的最低再结晶温度,T,再,0.4T,熔,影响再结晶晶粒度的因素：加热温度和时间；,预先变形程度,?工程材料及应用? 总 复 习,4,、塑性变形：,金属塑性变形方式：滑移和孪生,滑移的特点：,只能在切应力的作用下发生；,沿密排面和密排方向发生；,位移量是原子间距整数倍；,伴随着转动,滑移的机理：通过位错运动实现。,?工程材料及应用? 总 复 习,孪生特点：,孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。, 冷热加工：以再结晶温度划分, 冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、,织构：变形量大时，大局部晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象。,?工程材料及应用? 总 复 习,加工硬化： 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。,冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，,提高,。, 热加工：形成纤维组织、带状组织,纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致。,?工程材料及应用? 总 复 习,合金的组织,1,、相图,匀晶,L,共晶,L+,共析 ,+,杠杆定律：只适用于两相区。,枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。,2,、合金中的固态相变,固溶体转变：,AF,共析转变：,AP(F+Fe,3,C),二次析出：,AFe,3,C,?工程材料及应用? 总 复 习,奥氏体化,过冷奥氏体转变,固溶处理,+,时效：,固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。,时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。,?工程材料及应用? 总 复 习,3,、铁碳合金相图,点：符号、成分、温度,Fe,Fe,3,C,S,Q,P,N,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A,A+,Fe,3,C,A+F,L+A,A+,L+,F,A,L,L+,Fe,3,C,F+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,A+,Fe,3,C,+Le,Le,Le,+,Fe,3,C,Le,+,Fe,3,C,Le,P+,Fe,3,C,+Le,P+,Fe,3,C,P+F,P,F,+,Fe,3,C,莱氏体,L,e(A+,Fe,3,C,),Le(P+,Fe,3,C,),珠光体,P(F+,Fe,3,C,),复相组织组成物：,组织组成物标注,相区标注,线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线,A,1538,D,1227,N,1394,G,912,PSK,727,ECF,1148,HJB,1495,C%,温度,L,?工程材料及应用? 总 复 习,典型合金的结晶过程以共析钢为例,时间,温度,?工程材料及应用? 总 复 习,杠杆定律的应用,?工程材料及应用? 总 复 习,四、钢的热处理, 热处理原理,1、加热时的转变,奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；剩余渗碳体溶解；A成分均匀化。,奥氏体化后的晶粒度：,初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。,实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。,本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。,?工程材料及应用? 总 复 习,2,、冷却时的转变,等温转变曲线及产物,650,600,550,350,A,1,M,S,M,f,时间,P,S,T,B,上,B,下,M,M+A,A,P,A,S,A,T,A,B,上,A,B,下,A,M,过冷,A,过冷,A,过冷,A,过冷,A,过冷,A,?工程材料及应用? 总 复 习,用,C,曲线定性说明连续冷却转变产物,根据与,C,曲线交点位置判断转变产物,P,均匀,A,细,A,A,1,M,S,M,f,时间,等温退火,P,P,退火,(,炉冷,),正火,(,空冷,),S,淬火,(,油冷,),T+M+A,等温淬火,B,下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(,水冷,),M,回,150-250,T,回,350-500,S,回,500-650,?,?,?,?,P,T+S,回,S,T+B,下,+M+A,?工程材料及应用? 总 复 习,3、回火时的转变,碳钢：马氏体的分解 ；剩余奥氏体分解 ；-碳化物转变为Fe3C ；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 。,W18Cr4V钢： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了四种根本强化方法。,?工程材料及应用? 总 复 习,热处理工艺,?工程材料及应用? 总 复 习,热处理工艺续,?工程材料及应用? 总 复 习,五、工业用金属材料,工业用钢,?工程材料及应用? 总 复 习,工业用钢续,?工程材料及应用? 总 复 习,工业用钢续,?工程材料及应用? 总 复 习,铸铁,石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。,?工程材料及应用? 总 复 习,有色金属及其合金,?工程材料及应用? 总 复 习,?工程材料及应用? 总 复 习,