第6章 工程设计制精要.ppt

第6章 工程设计制造中的材料选择 结构设计、工艺设计和材料选择是机械设计 的三大组成部分，机器零件的正确选材和合理用 材是机械工程师的基本任务之一，也是本课程的 主要教学目的。而失效分析是科学选材的基础。 1、零件失效与失效类型 机器零件在工作中丧失规定功能即告失效。 失效的形式很多，根据性质分为变形、断裂、表面损伤和物理性 能降低四大类型，零件具体失效形式与实际工作时的内外条件有关， 而决定于其抗力最小者。 失效的原因主要在于设计、材料、加工和安装使用四个方面。 为了找到失效的真正原因，必须进行失效分析。失效分析包括逻 辑推理和实验研究两个方面。实验研究就是详细地占有和分析设计、 材料、工艺和安装使用的第一手资料，充分地收集并分析现场信息， 系统地测试和分析各种宏观性能，全面地进行微观结构的检验和分析 ，从发现的蛛丝马迹中找出失效的真实根源。 通过失效分析找出导致失效的主导因素和可控因素，相应地采取 对策，可以达到预防事故、保障安全的目的；加强企业全面质量管理 ，提高产品质量、降低成本的技术经济目的和改进操作、维修和设备 管理工作，保证长期稳定和安全可靠地连续生产的目的；失效分析可 以为诉讼、索赔、责任仲裁问题以及为确认犯罪事实和保险事务等提 供证据；还可以对科学与技术决策指出方向。 2、零件设计中的材料选择 1）选材的一般原则 选材依据三大原则。 第一，使用性能原则，这是主要原则，是为了保证零件完成规定功能。最重要的使用性能是力学性能，由工作条件(指受力性质、环境状况和特殊要求等)和失效形式确定使用性能的要求，并根据实验研究的结果将其具体化为实验室力学性能指标，例如E、σs、σb、δ、KIC、HB等。 第二，工艺性能原则，是为了保证零件实际加工的可行性。具体工艺性能由加工的工艺路线提出。在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。 第三，经济性原则，保证零件生产和使用的总成本最低，总成本与零件的寿命、重量、加工、研究和维修费用以及材料价格等有关。 (1)材料的失效抗力可从下面几个方面研究： ①零件服役条件与选材。分析零件服役条件．第一要考虑零件所承受载荷的性质（静载荷、冲击载荷、变动载荷)、加载次序(载荷谱)、应力状态(拉、压、弯、扭、剪、接触等及各种复合应力状态)、载荷大小、分布形式、服役时间长短。第二要考虑零件工作温度、环境介质(空气中水分、腐蚀介质等)。通常根据工作条件，采用分析计算或实验应力测定方法，确定零件最主要的力学性能指标，以此来选择满足要求的材料。 ②失效分析与选材。通过失效分析可判断所提抗力指标是否恰当，选材是否合理。对于新设计的重要零(部)件，有时需要对试制样品进行装机运载考核或模拟台实验，分析其失效原因。如确实因材料问题引起的失效，则由失效形式可确定零件的失效抗力指标。例如，失效分析表明，零件是因材料疲劳抗力低，引起的疲劳断裂失效，则应改用承受疲劳抗力较高的材料或从工艺上采取一些表面强化措施，以提高材料的疲劳极限。 ③根据抗力指标选材需注意的问题主要有： 材料性能指标与结构强度关系 材料性能指标一般是用形状比较简单、尺寸较小的标准试样以较简单的加载方法取得的，机械零件的结构强度是一个综合性能，它在很大程度上表示零件的承载能力及寿命与可靠性，它是由工作条件(应力、零件形状、尺寸、环境等)、材料(材料成分、组织、性能)、工艺(加工工艺方法及过程)诸因素所决定的，评定结构强度所用的性能指标是否正确，其重要标志是实验室试样的失效形式与实际零件服役条件下的失效形式要相似。考虑两者加载、尺寸等条件的不同，在应用手册上的性能数据时要考虑一定的安全系数，十分重要的零件或构件，要从预选材料制成的实际零件上取样实验或模拟工作条件实验，以验证所选性能指标及其大小是否恰当。 性能指标在设计中的作用 有些性能指标，如σs、σb、σ-1和Ke等可直接用于设计计算。可是有些指标δ、ψ和αk等不能直接用于设计计算，而是根据这些指标的数值大小，估计它们对零件失效的作用。一般认为，这些指标是保证安全性的。可是对于特定零件，这些指标的数值大小，要根据零件之间类比和零件使用安全等方面的经验 来确定。正因为如此，有时因性能指标规定不恰当，不能充分发挥材料的潜力。例如为避免疲劳破坏，用降低强度、提高塑性和韧性的办法使零件设计得又大又笨重，因而浪费材料。 对一定的材料，在特定的状态下，它的硬度与强度、塑性指标间存在一定的关系，对于一般的机械零件，图纸上只提出硬度要求，只要硬度达到规定的要求范围，σb、δ、甚至一定条件下的αk值也就具有相当的数值。只有重要的零件，才在图纸上标出其他指标的具体数值。 注意性能数据的实验条件 手册上所列的性能数