第十七章工程材料的选用与发展

第十七章工程材料的选用与发展第一节零件失效分析一、基本概念二、失效形式：过量变形、断裂、表面损伤、物理性能降级。三、失效原因：设计、材料、加工、使用四、失效分析的基本步骤与方法1调查取证2整理分析3试验分析4综合分析得出结论第二节材料选择的原则选材的动机——开发新产品、产品的改进和更新换代。选材原则使用、工艺性能经济性环境与资源原则一、材料的使用性能——首要原则１.零件的工作条件和失效形式零件失效类型变形——弹、塑性变形。断裂——脆、塑性，疲劳断裂。表面损伤——磨损、腐蚀等。零件工作条件常见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，接触疲劳表面高硬度及疲劳极限，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，疲劳极限零件失效的原因——设计、材料、加工、安装和使用。２.工作环境——温度，介质（如腐蚀，摩擦）。３.特殊功能要求——导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。４.性能要求的指标化——如强硬度、塑韧性等的具体数值。手册数据、经验公式的局限性——力学性能与零件尺寸有关40钢不同尺寸毛坯的力学性能热处理条件毛坯尺寸/mmσb/MPaδ/%AKU/J850淬火580016120307501580500回火5070015561006001340二、工艺性能——铸、锻、焊、机加工、热处理零件的加工工艺路线一般零件——毛坯→正火或退火→切削加工轴、齿轮等毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火＋回火，时效，渗C等）→精加工精密丝杠毛坯→预先热处理→粗加工→最终热处理→半精加工→时效（或N化）→精加工→时效三、经济性——根本原则１.产品成本分析基本材料的成本（价格、利用率）——占总成本的30~70%制造（加工）成本——约占零件成本的30%加工成本=工具与设备费用+每件产品成本×生产批量材料美元/t材料美元/t铂26,000,000工业金刚石900,000,000金19,100,000硼―环氧树脂复合材料330,000钨26,000碳纤维复材料200,000钛合金10,190～12,720玻璃纤维复合材料2400～3300黄铜（型材）1650～2336尼龙663289铝合金（型材）2000～2440环氧树脂1650低碳钢（型材）440～480天然橡胶1430铸铁260氧化铝1100-1760硬质合金66,000玻璃1500四、环境与资源原则——贯穿材料生产、使用、废弃的全过程１.减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。重要金属的世界储量２.环境污染小废气排放少材料回收及降解储量（106t）可用年数再生率(%)Fe1×10610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751第三节典型零件的选材与工艺一、齿轮选材性能要求——齿面硬度（决定弯曲、接触疲劳强度，耐磨性）强度，韧性。选材调质钢——调质+表面淬火+低温回火渗C钢——硬度、韧性高。实例——载重汽车变速箱齿轮性能指标——σb1000MPa，aKU2≥50J，齿面硬度≥HRC55。选材——20CrMnTi，σb1080MPa，aKU2≥55J，齿面HRC≥58~63。最终热处理工艺——930℃渗C+预冷830℃油淬+200℃回火最终组织——心部：回火M+F齿面：回火M+碳化物+A'工艺路线——锻造→正火→机加工→渗C、淬火＋低温回火→喷丸→磨削二、机床主轴选材性能要求——强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性。普通车床（轻载）主轴——45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。铣床（中载）主轴——40Cr等调质，轴颈高频表面淬火。组合机床（重载）主轴——20CrMnTi，经渗C、淬火、回火处理。精密镗床（高精度）主轴——38CrMoAl，调质+N化+时效。实例１——C620车床主轴，综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。性能指标——硬度220～250HB，轴颈52HRC。选材——45钢热处理工艺——830℃水淬+500℃回火+轴颈高频淬火+200℃回火最终组织——心部：回火S轴颈表面：回火M工艺路线——锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火＋低温回火→磨削三、内燃机曲轴选材性能要求——强度，韧性，弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈耐磨性。选材——调质钢（韧性高）、球墨铸铁。实例——175A型农用柴油机曲轴性能指标——σb750MPa，整体硬度240～260HBS，轴颈表面硬度≥625HV(HRC55),δ≥2%,aKU≥150kJ/m2。选材——QT700-2热处理工艺——880~920℃正火+500～600℃回火+轴颈N化最终组织——P+G+少量F工艺路线——铸造→高温正火→高温回火→机加工→轴颈N化小结重点要求在一定的服役条件下，典型零件的选材及制定热处理工艺的方法。一般要求1.选材原则——材料的使用性能、工艺性能和经济性。2.典型零件的加工工艺路线。3.零件失效的概念。本章是本课程的综合及实际应用1.欲做下列零件：小弹簧、高速轴承、螺钉、手锯条、齿轮，试为其各选一材料（待选材料：ZChPb16-16-2、Q195、45、65Mn、T10）。2.某汽车变速箱齿轮，要求σb≥1080MPa，aKU2≥55J，齿面硬度≥HRC58，试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。3.某连杆螺栓，要求σb≥950MPa,σs≥700MPa，aKU2≥45J，试选一材料，制定最终热处理工艺，指出最终组织。（第2、3题的待选材料：H70、20CrMnTi、T10、GCr15、60Si2Mn、45、Q390、2Cr13、LC4、40Cr、Cr12MoV）渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.240.17~0.240.50~0.801.30~1.600.70~1.00880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.230.90~1.200.80~1.100.90~1.201.00~1.30850油880／870油钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬透性低中高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.13~0.190.17~0.23W0.8~1.20.30~0.601.35~1.654.0~4.51.25~1.653.25~3.75950／850空880／780油机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863back调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）p174淬透性钢号主要成分,%淬火℃回火℃CMnSiCr低450.42~0.500.50~0.800.17~0.37830~840水580~640空40Cr0.37~0.450.50~0.80Cr0.8~1.10850油500水，油中高35CrMo0.32~0.400.40~0.70Cr0.8~1.10850油550水，油38CrMoAlA0.35~0.42Al0.7~1.1Cr1.35~1.65940水，油640水，油40CrMnMo0.37~0.450.90~1.20Cr0.9~1.20850油600水，油机械性能bMPasMPaaKU2J6003553940MnB0.37~0.441.10~1.400.20~0.40850油500水，油9807854798078547980835639808357198078563backC620车床主轴p336back球墨铸铁的牌号、性能p211牌号基体机械性能bMPa0.2MPa5%akkJ/m2HBQT400-17F40025017600179QT420-10F42027010300207QT500-5F+P5003505－147-241QT600-2P6004202160229-302QT700-2P7004902160229-302QT800-2P8005602160241-321QT1200-1下B1200840130038HRC热处理p213back175A型农用柴油机曲轴p339第四节计算机在材料科学中的应用一、计算机材料设计二、计算机模拟的应用三、计算机材料数据库四、人工智能的应用五、计算机在材料组成和结构研究及数据处理和图像处理中的应用六、计算机在材料性能表征和性能研究中的应用七、材料工艺过程的优化及自动控制八、计算机网络在材料研究中的应用第五节材料与环境及可持续发展一、可持续发展概念二、材料与环境及其教育三、环境材料及其研究四、可持续发展战略下的材料选择第六节新材料研究的发展趋势一、新材料的特点二、新材料和现代高新技术的关系三、新材料研究的发展趋势