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* * * * * * * * * * * * 13.1 选材原则 13.2 典型零件的选材与工艺 第13章 材料的选用 * * 13.1 选材原则 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 * * 13.1 零部件的失效 失效是指零部件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能等的变化而失去预定功能的现象。 变形失效 断裂失效 表面损伤失效 材料的老化 * * 1. 变形失效 弹性变形失效 塑性变形失效 * * 2. 断裂失效 韧性断裂失效 脆性断裂失效 疲劳断裂失效 低应力脆性断裂失效 * * 3. 表面损伤失效 磨损失效 腐蚀失效 表面疲劳失效 4. 材料的老化 * * 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 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 * * 失效的原因 设计不合理 选材的错误 加工工艺不当 装配使用不当 * * 失效的分析 收集失效零部件的残骸，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位； 调查零部件的服役条件和失效过程； 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料； * * 4. 试验研究 材料成分分析及宏观与微观组织分析； 宏观和微观的断口分析，确定裂纹源及断裂形式； 力学性能分析； 零部件受力及环境条件分析； 模拟试验 5. 综合各方面的分析资料，最终确定失效原因，提出改进措施，写出分析报告。 * * 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/mm σb / MPa δ/ % AKU / J 850淬火 5 800 16 120 30 750 15 80 500回火 50 700 15 56 100 600 13 40 * * 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66 3289 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(%) Fe 1×106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51 * * 5.2 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