第12章 材料选择.pptVIP

第十二章 工程材料的选用 　　 掌握各种工程材料的特性，正确地选择和使用材料，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题，是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求，因为机器零件的设计不单是结构设计，还应该包括材料与工艺的设计。　　选材的动机： 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； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 一般机械零件，在设计和选材时，大多以使用性 能指标作为主要依据。而对机械零件起主导作用的机 械性能指标，则是根据零件的工作条件和失效形式提 出的。 第一节 零件的失效形式与提高材料性能的途径 一、零件的失效与失效分析　　零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指： （1）零件完全破坏，不能继续工作； （2）严重损伤，继续工作很不安全； （3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。 只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零 件已经失效。 失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因，并 提出相应的改进措施。 （1）设计与失效　　设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形 状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中 源，如各种尖角、缺口、过小的过渡圆角，等等。 另一种原因是对零件的工作条件估计错误，如对工 作中可能的过载估计不足，因而设计的零件的承载能 力不够。发生这类失效的原因在于设计，但可通过选 材来避免，特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定 而难以作较大的改动时，就是如此来处理问题的。 现在很少发生由于计算错误造成的设计事故。 （2）材料与失效　　选材不当是材料方面导致失效的主要原因。 最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标 作出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的 那种类型失效的抗力。 材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原 因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太 多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。因此，对原材料 加强检验是非常重要的步骤。 （3）加工与失效　　零件加工成型过程中，由于加工工艺不 良，也会造成各种缺陷。例如锻造不良可造成 带状组织、过热或过烧现象等；冷加工不良时 光洁度太低，产生过深的刀痕、磨削裂纹等； 热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回 火不足等； （4）安装使用与失效　零件安装时配合过紧、过松、对中不 准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制 造厂里管理比较严格的情况下，使用不当常 可成为零件损坏的主要原因。对机器的维护 保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较 大幅度的过载等也可以造成零件的失效。 2．零件失效的形式　　零件在工作时的受力情况一般比较复杂，往往承受多种应力的复合作用，因而造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量变形、断裂和表面损伤三大类型。 3．失效分析的一般方法（1）尽量仔细地收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位，或能反映失效的性质或特点的地方。（2）详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计情况（图纸）、实际加工情况及尺寸、使用情况等。根据这些资料全面地从设计、加工、使用各方面进行具体的分析。（3）对所选试样进行宏观（用肉眼或立体显微镜）及微观（用高倍的光学或电子显微镜）断口分析，以及必要的金相剖面分析，确定失效的发源点及失效的方式。 (4）对失效样品进行性能测试、组织分析、化学分 析和无损探伤，检验材料的性能指标是否合格，组 织是否正常，成分是否符合要求，有无内部或表面 缺陷等等，全面收集各种必要的数据。 （5）断裂力学分析。在某些情况下需要进行断裂力 学计算，以便于确定失效的原因及提出改进措施。 （6）综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具 体原因，提出改进措施，写出报告。 4．失效分析与选材　从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题。（1）弹性变形失效与选材　　从材料角度分析，控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量。在容易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。 金刚石与各种碳化物、硼化物陶瓷的弹性模量最高；其次为氧化物陶瓷与难熔金属，钢铁也具有较高的弹性模量，有色金属则要低一些；高分子材料的弹性模量最低。因此在要求零件有较高刚度，而不能发生过大弹性变形时，不能用高分子材料。但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值，由于起比重低，在许多特殊的场合（如飞行器结构）有很大用途。 （2）塑性变形失效与选材 决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强 度。 在经典设计中，屈服强度是衡量材料承载能力的最 重要指标， 从屈服强度的角度看，金刚