机械设计及选材

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1、第10章机械设计与选材本章学习要求1.了解机械零件的失效和失效的形式；2掌握选材的原则和分析方法；3.学会常用机械零件选材。本章学习重点Ø选材的原则；Ø常用机械零件选材和工艺路线。学习方法指导选材的动机：·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。第1节机械零件的失效分析l失效的概念当零件由于某种原因丧失预定的功能时，即它发生了失效。①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作不安全；③虽能安全工作，但不能满意地起到预期的作用。l失效的形式零件失效断

2、裂失效变形失效表面损伤失效弹性变形失效塑性变形失效塑性断裂失效低应力脆断失效疲劳断裂失效蠕变断裂失效介质加速断裂失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效l失效的原因设计加工零件失效安装使用材料材质低劣选材不当工作条件估计错误结构外型不合理计算错误焊接缺陷铸、锻造缺陷热处理缺陷冷加工缺陷过载使用安装不良操作失误维护不良l失效分析的方法基本环节示意图服役条件失效零件失效分析技术应力分析无损探伤断口分析金相分析化学分析机械性能测试失效类型磨损断裂变形力学分析应力分析失效原因装配使用工艺材料设计主要抗力指标改进设计抗力指标与内外因素关系改进工艺

3、加强管理指标与寿命关系，提高零件失效抗力的途径实验室试验使用考验工业试验第2节选材的依据和基本原则①从材料使用性能的角度出发，选用的材料必须保证零件在使用过程中具有良好的工作能力；②根据材料工艺性能的要求，必须保证零件便于加工制造；③从经济性角度考虑，必须保证零件的总成本最低。④环境与资源原则l使用性能与选材----首要原则使用性能主要指零件在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化学性能。Ø分析零件的工作条件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。i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。ii计

4、算应力是确定材料使用性能的数量依据。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。最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。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）。环境状况温度（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）。特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。Ø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常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。Ø零

5、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指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。l选材与材料工艺性能的关系材料的工艺性能主要包括冷加工性能如冷变形加工和切削加工性能，热加工性能如铸造性能、焊接性能、锻造性能和热处理性能等。Ø尽量选用工艺简单的材料Ø选材材质与其工艺性要求Ø各工序工艺之间的相互联系和结合金属零件的加工工艺路线图性能、质量要求不高的零件毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能均能满足要求

6、。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材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。性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理（淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）─→半精加工─→稳定化处理（或氮化）─→精加工─→稳定化处理─→零件。加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材料的工艺性能。l经济

7、性与选材Ø产品成本与性能的关系：Ø 产品成本分析1.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（30~70%）。²选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；²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65%，而美国达到80%）。　我国常用金属材料的相对价格材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1铬不锈钢5优质碳素结构钢1.3~1.5铬镍不锈钢15合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5灰铸铁~1.4铬镍合金结构钢（中合金钢）5铸造铝合金、铜合金8~10滚珠轴承钢3普通黄铜13~17

8、低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200（工程塑料）5~15　基本材料的价格的影响因素：²提炼和制取的成本²矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等²材料的提纯、合金化（合成）成本²加工增值成本²供求关系所造成的价格