常用机械工程材料的选用.ppt
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常用机械工程材料的选用.ppt
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第七章第七章材料选择概述材料选择概述选材的动机:
选材的动机:
首次开发生产一种新产品、新零件或新装置;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;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。
零件过早失效甚至灾难性事故发生后,需改变用材。
7.17.1选材的基本原则及方法选材的基本原则及方法7.27.2典型零件选材及工艺分析典型零件选材及工艺分析7.17.1选材的基本原则选材的基本原则1.1.使用性能原则使用性能原则-首要原则首要原则2.2.工艺性能原则工艺性能原则3.3.经济性原则经济性原则-根本原则根本原则4.4.环境与资源原则环境与资源原则一、性能原则一、性能原则-首要原则首要原则1.1.分析零件的工作条件分析零件的工作条件1)1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小,计首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小,计算载荷引起的应力分布。
算载荷引起的应力分布。
ii载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。
载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。
iiii计算应力是确定材料使用性能的数量依据。
计算应力是确定材料使用性能的数量依据。
2)2)考虑零件的工作环境:
环境因素会与零件的力学状态考虑零件的工作环境:
环境因素会与零件的力学状态综合作用,提出更为复杂的性能要求。
综合作用,提出更为复杂的性能要求。
3)3)最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。
最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。
受力状况受力状况:
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)。
荷的大小以及分布特点(如均布载荷或集中载荷)。
环境状况环境状况温度(如低温、高温、常温或变温)及介质情况(如有无温度(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)。
腐蚀或摩擦作用)。
特殊功能特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
2.进行失效分析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。
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如下几种常用零件的工作条件和失效形式如下:
零件零件工作条件工作条件常用失效形常用失效形式式性能要求性能要求应力种应力种类类载荷性载荷性质质受载状受载状态态螺栓螺栓拉、剪拉、剪静载静载过量变形,过量变形,断裂断裂强度,塑性强度,塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环,循环,冲击冲击轴颈摩轴颈摩擦擦疲劳断裂,疲劳断裂,过量变形,过量变形,轴颈磨损轴颈磨损综合力学性综合力学性能能传动齿传动齿轮轮压、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,疲劳断裂,接触疲劳接触疲劳表面高强度表面高强度及疲劳极限,及疲劳极限,心部强度及心部强度及韧性韧性弹簧弹簧扭、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,弹性极限,屈强比,疲屈强比,疲劳极限劳极限33零件性能要求的指标化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)指标(如强度、韧性、塑性、硬度等),再根据工作再根据工作应力应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。
、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。
(1)
(1)受力状况不同,设计依据的性能指标、计算公式受力状况不同,设计依据的性能指标、计算公式不同。
不同。
(2)
(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标,并加以合理应综合考虑塑性、韧性和强度指标,并加以合理的配合。
的配合。
在利用具体性能指标进行选材时,必须注意实验室指在利用具体性能指标进行选材时,必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。
标、手册性能数据、经验关系式的局限性。
二、工艺性能原则:
二、工艺性能原则:
1.1.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属零件的加工工艺路线金属零件的加工工艺路线性能、质量要求不高的零件性能、质量要求不高的零件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。
如如铸铸铁铁或或碳碳钢钢,只只要要注注意意采采用用适适宜宜的的毛毛坯坯制制造造方方法法,其其工工艺艺性性能能均能满足要求。
均能满足要求。
性能要求较高的零件(如轴、齿轮等)性能要求较高的零件(如轴、齿轮等)毛毛坯坯预预先先热热处处理理(正正火火、退退火火)粗粗加加工工最最终终热热处处理理(淬火十回火,固溶时效,渗碳处理等)(淬火十回火,固溶时效,渗碳处理等)精加工精加工零件。
零件。
金金属属零零件件用用材材多多为为碳碳钢钢、合合金金钢钢、高高强强铝铝合合金金等等,其其中中有有些些材材料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。
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)性能和质量要求极高的零件(如精密丝杠)毛毛坯坯预预先先热热处处理理(正正火火、退退火火)粗粗加加工工最最终终热热处处理理(淬淬火火+低低温温回回火火,固固溶溶时时效效或或渗渗碳碳)半半精精加加工工稳稳定定化化处理(或氮化)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。
加加工工路路线线复复杂杂,加加工工精精度度和和质质量量要要求求高高,在在选选材材时时应应务务必必保保证证材材料的工艺性能。
料的工艺性能。
2.2.高分子材料的工艺性能高分子材料的工艺性能高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线表表高分子材料主要成形工艺特点高分子材料主要成形工艺特点工工艺艺适用材适用材料料形形状状表面光表面光洁度洁度尺寸精尺寸精度度模具模具费用费用生产率生产率热压热压成形成形范围较范围较广广复杂复杂形状形状很好很好好好高高中等中等喷射喷射成形成形热塑性热塑性塑料塑料复杂复杂形状形状很好很好非常好非常好很高很高高高热挤热挤成形成形热塑性热塑性塑料塑料棒类棒类好好一般一般低低高高真空真空成形成形热塑性热塑性塑料塑料棒类棒类一般一般一般一般低低低低3.3.陶瓷材料的工艺性能陶瓷材料的工艺性能成形后,受陶瓷加工性能的局限,除了可以用碳化成形后,受陶瓷加工性能的局限,除了可以用碳化硅或金刚石砂轮磨削加工外,几乎不能进行任何其硅或金刚石砂轮磨削加工外,几乎不能进行任何其它加工。
因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其它加工。
因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其加工性能的限制。
加工性能的限制。
陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线表表陶瓷材料成形工艺的比较陶瓷材料成形工艺的比较工工艺艺优优点点缺缺点点粉浆成形粉浆成形可可做做形形状状复复杂杂件件、薄壁件,成本低薄壁件,成本低收收缩缩大大,尺尺寸寸精精度低,生产率低度低,生产率低压制成形压制成形可可做做形形状状复复杂杂件件,有有高高密密度度和和高高强强度,精度较高度,精度较高设设备备较较复复杂杂,成成本高本高挤压成形挤压成形成成本本低低,生生产产率率高高不不能能做做薄薄壁壁件件,形状要对称形状要对称可塑成形可塑成形尺尺寸寸精精度度高高,可可做形状复杂件做形状复杂件成本高成本高三、经济性原则三、经济性原则-根本原则根本原则产品成本与性能的关系:
产品成本与性能的关系:
产品成本分析产品成本分析1.1.基本材料的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(材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额(30-30-70%70%)。
选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手)。
选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一;段之一;提高材料的利用程度,降低制造过程中的材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料消耗量(我国钢材利用率平均为65%65%,而美国达到,而美国达到80%80%)。
)。
材材料料价格(美元价格(美元/t/t)材材料料价格(美元价格(美元/t/t)铂铂26,000,00026,000,000工业金刚石工业金刚石900,000,000900,000,000金金19,100,00019,100,000硼硼环环氧氧树树脂脂复复合材料合材料330,000330,000钨钨26,00026,000碳碳纤纤维维复复材材料料(CFRPCFRP)200,000200,000钛合金钛合金10,19012,72010,19012,720玻玻璃璃纤纤维维复复合合材材料(料(GFRPGFRP)2400330024003300黄铜(型材)黄铜(型材)1650233616502336尼龙尼龙666632893289铝合金(型材)铝合金(型材)2000244020002440环氧树脂环氧树脂16501650低碳钢(型材)低碳钢(型材)440480440480天然橡胶天然橡胶14301430铸铁铸铁260260AlAl22OO331100-17601100-1760硬质合金硬质合金66,00066,000玻璃玻璃15001500常见工程材料价格常见工程材料价格我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格材材料料相对价格相对价格材材料料相对价格相对价格普通碳素结构钢普通碳素结构钢11铬不锈钢铬不锈钢55优质碳素结构钢优质碳素结构钢1.3-1.51.3-1.5铬镍不锈钢铬镍不锈钢1515合合金金结结构构钢钢(Cr-NiCr-Ni钢除外)钢除外)1.7-2.51.7-2.5灰口铸铁灰口铸铁1.41.4铬铬镍镍合合金金结结构构钢钢(中合金钢)(中合金钢)55铸铸造造铝铝合合金金、铜合金铜合金8-108-10滚珠轴承钢滚珠轴承钢33普通黄铜普通黄铜13-1713-17低合金工具钢低合金工具钢3-43-4锡锡青青铜铜、铝铝青青铜铜1919高速钢高速钢16-2016-20钛合金钛合金50-8050-80硬质合金硬质合金150-200150-200(工程塑料)(工程塑料)5-155-15基本材料的价格的影响因素基本材料的价格的影响因素:
1.1.提炼和制取的成本提炼和制取的成本2.2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等3.3.材料的提纯、合金化(合成)成本材料的提纯、合金化(合成)成本4.4.加工增值成本加工增值成本5.5.供求关系所造成的价格波动供求关系所造成的价格波动常见金属矿物资源的品位常见金属矿物资源的品位矿石品种矿石品种品位品位矿石品种矿石品种品位品位典型铁矿石典型铁矿石60-65%Fe60-65%Fe典型铀矿石典型铀矿石0.2%U0.2%U典型铜矿石典型铜矿石1-1.5%Cu1-1.5%Cu典型金矿石典型金矿石0.0001-0.0001-0.001%Au0.001%Au2.2.制造成本。
制造成本。
加工成本约占零件成本的加工成本约占零件成本的30%30%左右,生产批量越少,左右,生产批量越少,这一比例越高。
这一比例越高。
总成本总成本P=P=T+xNT+xN,TT为工具与设备费用,为工具与设备费用,xx代表每件产代表每件产品的成本,品的成本,NN为生产批量(件为生产批量(件/批)。
批)。
产量对制造成本的影响产量对制造成本的影响四、环境与资源原则四、环境与资源原则随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化,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一准则要求材料在生产使用使用废弃的全过程废弃的全过程中,对能源和资源的消耗少,对生态环境影响小,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。
可以完全再生利用或废弃时完全降解。
1.1.能源和资源消耗少能源和资源消耗少世界能源储藏量世界能源储藏量石油石油天然气天然气煤煤铀铀可开采储量可开采储量9970亿桶亿桶138万亿万亿m31,039,272吨吨200万吨万吨可开采年限可开采年限45.5年年64年年219年年74年年主要产地及储主要产地及储量比例量比例中东中东66.4%独联体、中东独联体、中东70%美、苏、中、美、苏、中、澳澳70%重要金属的世界储量重要金属的世界储量储量储量(101066tt)可用年数可用年数再生率再生率(%)(%)FeFe1101106610910931.731.7AlAl11701170353516.916.9CuCu308308242440.940.9ZnZn123123181821.221.2MoMo5.45.43636AgAg0.20.2141441.041.0CrCr775775112112TiTi1471475151通过产品的小型化,材料轻量化,减少材料的绝对使通过产品的小型化,材料轻量化,减少材料的绝对使用量用量;通过零件的长寿命化和再利用,减少材料的相对使通过零件的长寿命化和再利用,减少材料的相对使用量用量;通过易分选及可再生循环材料的利用,降低对天然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。
资源的依赖;选用能耗低的材料及加工工艺。
2.2.环境污染小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使用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。
的负荷。
1)1)采用能耗少、污染小的材料,节能无害化的生产、制造工艺,采用能耗少、污染小的材料,节能无害化的生产、制造工艺,2)2)选择可再生循环性好的材料(材质单纯,化学组成简单,便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,于提纯,通用性强),降低废弃物环境负荷,3)3)选择以再生资源为原料的材料。
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生产各种材料消耗的能量及碳的排放量材料材料矿物燃料能耗矿物燃料能耗排碳量排碳量MJ/KgMJ/KgMJ/mMJ/m33Kg/tKg/tKg/mKg/m33木材木材1.52.81.52.8750139075013903056305615281528混凝土混凝土2.02.0480048005050120120钢材钢材3535266,000266,00070070053205320一次铝一次铝4354351,100,0001,100,0008700870022,00022,000再生铝再生铝131333,00033,000材料的可再生循环性:
材料的可再生循环性:
1)1)混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解;混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解;2)2)木材不但能耗低,还能充分回收,并可以降解;木材不但能耗低,还能充分回收,并可以降解;3)3)多数塑料回收率很低;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。
尤其高,扩大对再生铝的利用,具有相当大的环境意义。
五、材料选用方法五、材料选用方法11基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析,以基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析,以及对同类零件现及对同类零件现有状况(所用材料、使用寿命、失效有状况(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。
确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。
22对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分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。
析和筛选,初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。
33进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能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。
案即可确定下来。
7.27.2典型零件选材及工艺分析典型零件选材及工艺分析
(一)齿轮类零件
(一)齿轮类零件:
1.1.性能要求:
性能要求:
工作条件工作条件失效形式失效形式性能要求性能要求齿齿根根交交变变弯弯曲曲应力应力齿齿面面接接触触压压应应力、滑动摩擦力、滑动摩擦轮齿冲击轮齿冲击疲劳断裂疲劳断裂表面损伤表面损伤过载断裂过载断裂高高弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度高高接接触触疲疲劳劳强强度和耐磨性度和耐磨性较较高高强强度度及及冲冲击韧性击韧性2.2.选材依据:
选材依据:
弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度接触疲劳强度接触疲劳强度其他其他SSBB=k=k(HVHV)mmSSBB弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度HVHV齿面维氏硬度齿面维氏硬度kk、mm材材料料有有关关的的常数常数SScc=0.2(HV/100)=0.2(HV/100)22SScc接触疲劳强度接触疲劳强度HVHV齿面维氏硬度齿面维氏硬度齿齿心心强强度度和和硬硬度度如如重重载载齿齿轮轮要要求求心部淬硬心部淬硬硬硬化化层层深深度度应应为为模模数数的的15%-15%-20%20%如如疲疲劳劳断断裂裂取取上上限限,表表面面损损伤取下限。
伤取下限。
3.3.选材选材(11)钢)钢:
可应用于多种工作条件,是齿轮最主要的用材。
:
可应用于多种工作条件,是齿轮最主要的用材。
速度、载荷、速度、载荷、冲冲击击大大钢种类别钢种类别热处理工艺热处理工艺中碳钢中碳钢调质处理(淬火调质处理(淬火+高高温回火)温回火)+表面淬火表面淬火+低温回火低温回火合金调质钢合金调质钢调质处理(淬火调质处理(淬火+高高温回火)温回火)+表面淬火表面淬火+低温回火低温回火合金渗碳钢合金渗碳钢渗碳渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火(22)高分子材料)高分子材料重量轻,摩擦系数小,减振性强、重量轻,摩擦系数小,减振性强、噪音小,不需润滑。
但强度低不能承受较大载荷。
如噪音小,不需润滑。
但强度低不能承受较大载荷。
如夹布层压热固性树脂等。
夹布层压热固性树脂等。
名称名称特性特性应用应用MCMC尼龙尼龙强度高,拉伸强度可强度高,拉伸强度可达达90Mpa90Mpa以上,减摩耐以上,减摩耐磨性优于其它尼龙。
磨性优于其它尼龙。
大型铸件,如大型铸件,如大型齿轮大型齿轮聚碳酸酯聚碳酸酯突出的抗蠕变性和冲突出的抗蠕变性和冲击韧性,脆化温度为击韧性,脆化温度为-100100,成型精度高,成型精度高,透明,耐热性高于有透明,耐热性高于有机玻璃机玻璃仪表中的小模仪表中的小模数齿轮数齿轮4.4.实例:
实例:
解放牌载重汽车变速箱齿轮解放牌载重汽车变速箱齿轮性能要求性能要求:
表面高耐磨性及疲劳极限;心部较高强度与韧:
表面高耐磨性及疲劳极限;心部较高强度与韧性(性(bb1000MN/1000MN/,aakk60J/c60J/c)。
)。
选材选材:
渗碳钢:
渗碳钢-20CrMnTi-20CrMnTi(淬透性:
油淬(淬透性:
油淬30-40mm30-40mm;渗;渗碳淬火后碳淬火后bb1100MN/1100MN/,aakk60J/c60J/c)热处理工艺热处理工艺:
90-5090-50渗碳渗碳-820-850-820-850油淬油淬-180-180200200低温回火低温回火(二二)轴类零件轴类零件1.1.性能要求性能要求工作条件(传动)工作条件(传动)失效形式失效形式性能要求性能要求交变扭转、旋转弯曲交变扭转、旋转弯曲应力轴颈摩擦冲击应力轴颈摩擦冲击疲劳断裂磨损过疲劳断裂磨损过载或冲击断裂载或冲击断裂较高强度与较较高强度与较好韧、塑性配好韧、塑性配合较高疲劳抗合较高疲劳抗力轴颈耐磨性力轴颈耐磨性2.2.选材选材速度速度载荷载荷冲击冲击磨损磨损大大钢种类别钢种类别热处理工艺热处理工艺中碳钢中碳钢调质处理(淬火调质处理(淬火+高温高温回火)回火)+表面淬火表面淬火+低温低温回火回火合金调质钢合金调质钢调质处理(淬火调质处理(淬火+高温高温回火)回火)+表面淬火表面淬火+低温低温回火回火合金渗碳钢合金渗碳钢渗碳渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火3.3.实例:
实例:
C620C620车床主轴车床主轴性能要求性能要求:
一般水平的综合机械性能;大端轴颈等部位较:
一般水平的综合机械性能;大端轴颈等部位较高的硬度及耐磨性。
高的硬度及耐磨性。
选材选材:
中碳钢:
中碳钢-45-45(硬度(硬度HB220250HB220250,轴颈,轴颈HRC52HRC52)热处理工艺热处理工艺:
(:
(820840820840)水淬)水淬-(500550500550)高)高温回火温回火-轴颈高频淬火(水冷)轴颈高频淬火(水冷)-(180200180200)低温回火)低温回火
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