第十七章工程材料的选用与发展.ppt

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 二、工艺性能 —— 铸、锻、焊、机加工、热处理 三、经济性 —— 根本原则 三、内燃机曲轴选材 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 * * 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/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 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 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 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