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第第1100章章机机械械设设计计与与选选材材本本章章学学习习要要求求1.了解机械零件的失效和失效的形式；2掌握选材的原则和分析方法；3.学会常用机械零件选材。本本章章学学习习重重点点选选材材的的原原则则；；常常用用机机械械零零件件选选材材和和工工艺艺路路线线。。学学习习方方法法指指导导选材的动机：首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代；零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。第第11节节机机械械零零件件的的失失效效分分析析失失效效的的概概念念当当零零件件由由于于某某种种原原因因丧丧失失预预定定的的功功能能时时，，即即它它发发生生了了失失效效。。①①零零件件完完全全破破坏坏，，不不能能继继续续工工作作；；②②严严重重损损伤伤，，继继续续工工作作不不安安全全；；③③虽虽能能安安全全工工作作，，但但不不能能满满意意地地起起到到预预期期的的作作用用。。失失效效的的形形式式失失效效的的原原因因失失效效分分析析的的方方法法基基本本环环节节示示意意图图零件失效断裂失效变形失效表面损伤失效弹性变形失效塑性变形失效塑性断裂失效低应力脆断失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效介质加速断裂失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效设计加工零件失效安装使用材料材质低劣选材不当工作条件估计错误结构外型不合理计算错误焊接缺陷铸、锻造缺陷热处理缺陷冷加工缺陷过载使用安装不良操作失误维护不良第第22节节选选材材的的依依据据和和基基本本原原则则①①从从材材料料使使用用性性能能的的角角度度出出发发，，选选用用的的材材料料必必须须保保证证零零件件在在使使用用过过程程中中具具有有良良好好的的工工作作能能力力；；②②根根据据材材料料工工艺艺性性能能的的要要求求，，必必须须保保证证零零件件便便于于加加工工制制造造；；③③从从经经济济性性角角度度考考虑虑，，必必须须保保证证零零件件的的总总成成本本最最低低。。④④环环境境与与资资源源原原则则使使用用性性能能与与选选材材--------首首要要原原则则使使用用性性能能主主要要指指零零件件在在使使用用状状态态下下应应具具有有的的力力学学性性能能、、物物理理性性能能和和化化学学性性能能。。分析零件的工作条件首首先先应应判判断断零零件件在在工工作作中中所所受受载载荷荷的的性性质质和和大大小小，，计计算算载载荷荷引引起起的的应应力力分分布布。。ii载载荷荷的的性性质质是是决决定定材材料料使使用用性性能能的的主主要要依依据据之之一一。。iiii计计算算应应力力是是确确定定材材料料使使用用性性能能的的数数量量依依据据。。考考虑虑零零件件的的工工作作环环境境：：环环境境因因素素会会与与零零件件的的力力学学状状态态综综合合作作用用，，提提出出更更为为复复杂杂的的性性能能要要求求。。最最后后还还应应充充分分考考虑虑材材料料的的某某些些特特殊殊要要求求。。受力状况载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。服役条件失效零件失效分析技术应力分析无损探伤断口分析金相分析化学分析机械性能测试失效类型磨损断裂变形力学分析应力分析失效原因装配使用工艺材料设计主要抗力指标改进设计抗力指标与内外因素关系改进工艺加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径实验室试验使用考验工业试验环境状况温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。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。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为实验室力学性能指标（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。选选材材与与材材料料工工艺艺性性能能的的关关系系材材料料的的工工艺艺性性能能主主要要包包括括冷冷加加工工性性能能如如冷冷变变形形加加工工和和切切削削加加工工性性能能，，热热加加工工性性能能如如铸铸造造性性能能、、焊焊接接性性能能、、锻锻造造性性能能和和热热处处理理性性能能等等。。尽量选用工艺简单的材料选材材质与其工艺性要求各工序工艺之间的相互联系和结合金属零件的加工工艺路线图性能、质量要求不高的零件毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）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。加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。经经济济性性与与选选材材产品成本与性能的关系：产品成本分析1.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（30~70%）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）。我国常用金属材料的相对价格材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1铬不锈钢5优质碳素结构钢1.3~1.5铬镍不锈钢15合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5灰铸铁~1.4铬镍合金结构钢（中合金钢）5铸造铝合金、铜合金8~10滚珠轴承钢3普通黄铜13~17低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200（工程塑料）5~15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2.制造成本。加工成本约占零件成本的30%左右，生产批量越少，这一比例越高。总成本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产品的成本，N为生产批量（件/批）。产量对制造成本的影响环环境境与与资资源源原原则则随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化，材料的环境和资源准则在今后会变得日益重要。这一准则要求材料在生产──使用──废弃的全过程中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小，可以完全再生利用或废弃时完全降解。1.能源和资源消耗少世界能源储藏量石油天然气煤铀可开采储量9970亿桶138万亿m31，039，272吨200万吨可开采年限45.5年64年219年74年主要产地及储量比例中东66.4%独联体、中东70%美、苏、中、澳70%重要金属的世界储量储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使用量；通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使用量；通过易分选及可再生循环材料的利用，降低对天然资源的依赖；选用能耗低的材料及加工工艺。2.环境污染小环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产─使用─废弃的全过程中具有与环境的协调性，充分降低对环境造成的负荷。采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺，选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷，选择以再生资源为原料的材料。生产各种材料消耗的能量及碳的排放量材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.5~2.8750~139030~5615~28混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000一定性能水平下的材料能耗木材混凝土钢塑料铝、镁及钛合金Eρ/b24145100~500475-1002710-1029E──生产每公斤材料的能耗ρ──材料密度b──抗拉强度3．材料的可再生循环性：混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解；木材不但能耗低，还能充分回收，并可以降解；多数塑料回收率很低；金属材料能耗高但可较容易地回收，其中铝的回收价值尤其高，扩大对再生铝的利用，具有相当大的环境意义。选选材材的的一一般般程程序序1．基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。2．对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。3．进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。实实例例：：解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧性（σb1000MN/m2，ak60J/cm2）。选材：渗碳钢---20CrMnTi（淬透性：油淬30---40mm；渗碳淬火后σb1100MN/m2，ak60J/cm2）热处理工艺：900--50℃渗碳---820--850℃油淬----180--200℃低温回火