71机械工程材料合理选用的基本原则.ppt
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1、第7章 机械工程材料的合理选用,Rational Selection and Application of Mechanical Engineering Materials,主要问题提示(Key questions and clues),1.您能分析与说明机械工程材料合理选用的基本原则吗? 2.气轮机叶片常见的失效形式有哪些?叶片材料的选择主要取决于什么,请结合材料的选择说明之。 3.如何进行齿轮、轴类这两类典型零件的合理选材分析呢?您能正确制定其加工工艺路线及相应的热处理工艺吗?从比较这两类典型零件的选材特点,可以得出何种结论呢? 4.您熟悉金属材料常见的三种加工工艺路线吗?,学习重点与方法
2、提示(Hints for the main points and methods to be studied),本章是该课程教学的第4个重点,它实际上是前述各章知识内容的综合应用,也是学习本课程的落脚点即初步做到能正确、合理地选用工程材料,安排其加工工艺路线的能力。 因此,本章教学的重点为机械零件合理选材的基本原则与典型零件(齿轮和轴类)选材综合分析的思路与方法。 本章学习方法提示:紧紧把握贯串材料科学的主线索(材料的成分组织结构加工工艺失效分析性能应用),综合运用前述各章知识内容,熟记合理选材的基本原则; 以典型机械零件(齿轮、轴类)选材分析为例,初步学会综合分析问题、解决问题的思路与方法。
3、 有条件情况下,请结合工厂调查研究,尝试分析一种典型机械零件(如车刀,某汽车发动机曲轴等)的合理选材与正确制定其加工工艺路线。,7.1 机械工程材料合理选用的基本原则 Fundamentals of Rational Selection and application for Mechanical Engineering Materials,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundamentals of engineering materials ) 7.1.2 必须兼顾材料的工艺性能原则 ( Technological prop
4、erties fundamentals must be taken care of the needs ) 7.1.3 注重选材的经济性原则 ( Considering economic fundamentals of materials selection to be important ) 7.1.4 走可持续发展之路,选择生态环境材料(绿色材料)( Insisting on a continuous developmental way and selecting ecological ecomaterials ),7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering
5、 usability fundamentals of engineering materials ),零件的使用性能是保证工作时安全可靠、经久耐用的必要条件。在大多数情况下是选材时首要考虑的问题,而一般机械零件使用时又主要考虑其中力学性能。其基本思路如图0.1所示,主要考虑以下使用性能指标。 1. 分析零件的工作条件,初步确定零件的使用性能指标 零件工作条件的分析包括以下三方面内容。 (1)零件的受力情况(即载荷形式、类型、大小和分布等) 要判明是受拉伸、压缩、扭转、剪切或弯曲载荷中的哪一种;是静、动还是交变载荷;载荷的大小及分布状况(均匀分布或有较大的局部应力集中)等。 (2)零件的工作环境
6、 主要指温度和环境介质的性质,是否有腐蚀性等。 (3)零件特殊性能要求 如电、磁、热等及密度、外观、色泽等,都要加以分析、对比。 在上述工作条件分析基础上确定零件的使用性能。例如静载时,材料对弹性或塑性变形抗力是主要使用性能;交变载荷时,疲劳抗力是主要使用性能等。但上述分析带有一定预估主观性,难免会对零件实际工作条件下的某些因素估计不足,甚至由于人为忽略某些因素而产生一定偏差,为此还须进行失效分析。,0.1 贯穿机械工程材料全课程的“纲” ,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fundamentals of engineering m
7、aterials ),2. 对零件进行失效分析,最终确定其主要的使用性能指标 失效分析的目的就是要找出产生失效的主导因素,为较准确地确定零件主要使用性能提供经过实践检验的可靠依据。例如,长期以来,人们认为发动机曲轴的主要使用性能是高的冲击抗力和耐磨性,必须选用45钢。而失效分析结果表明,曲轴的失效方式主要是疲劳断裂,其主要使用性能应是疲劳抗力。所以,以疲劳强度为主要失效抗力指标来设计、制造曲轴,其质量和寿命显著提高,而且在一定条件下可选用球墨铸铁来制造。,0.1 贯穿机械工程材料全课程的“纲”,7.1.1 充分考虑材料的使用性能原则(Fully considering usability fu
8、ndamentals of engineering materials ),3. 将零件使用性能转化为材料的使用性能指标 在零件工作条件和失效分析的基础上确定了零件的使用性能要求,然后将其转化为某些可测量的实验室性能指标,如强度、硬度、韧性、耐磨性等具体数值。这是选材最关键最困难的一步。确定具体性能指标后即可利用手册或实验数据进行选材。 (1)根据力学性能选材应充分考虑的几点 材料的性能与加工、处理条件的关系 材料的力学性能不仅决定于化学成分,且也决定于其加工处理后状态。因此在选材的同时,需考虑相应加工、处理条件,特别是热处理工艺,确定热处理技术要求,以确保零件质量,充分发挥材料潜力。 材料的
9、尺寸效应 指材料截面大小不同,即使热处理相同,其力学性能也会产生很大差异。随截面尺寸增大,材料的力学性能将下降,这种现象称为材料的“尺寸效应”。金属材料,特别是钢材的尺寸效应尤为显著,随尺寸加大,其强度(Rm、ReL)、塑性(A、Z)、冲击吸收功(AK)均下降,尤以韧度下降最为明显。淬透性越低的钢,尺寸效应就越明显。 材料的缺口敏感性 实验所用试样形状简单且多为光滑试样。但实际使用零件中,如台阶、键槽、螺纹、焊缝、刀痕、裂纹、夹杂等都是不可避免的,其皆为“缺口”。在复杂应力下,这些缺口处将产生严重的应力集中。因此,光滑试样拉伸试验时,可表现出高强度与足够塑性,而实际使用时就表现为低强度、高脆性
10、。且材料越硬、应力越复杂,表现越敏感。例如,正火45钢光滑试样的弯曲疲劳极限为280MPa,而用其制造带直角键槽轴的弯曲疲劳极限则为140 MPa;若改成圆角键槽的轴,其弯曲疲劳极限则为220MPa。因此在应用性能指标时,必须结合零件的实际条件修正。必要时,可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。,3. 将零件使用性能转化为材料的使用性能指标 (1)根据力学性能选材应充分考虑的几点,硬度值在设计中的作用 由于硬度值的测定方法既简便又不破坏零件,并且在确定条件下与某些力学性能有大致的固定关系,所以在设计和实际生产过程中,往往用硬度值作为控制材料性能和质量检验标准。但应明确,它也有很大的局
11、限性。例如,硬度对材料的组织不够敏感,经不同处理的材料可获得相同的硬度值,而其它力学性能却相差很大,因而不能确保零件的使用安全。所以,设计中在给出硬度值的同时,还必须对处理工艺(主要是热处理工艺)作出明确的规定。 (2)还应注意特殊条件下工作零件应具备特殊性能要求 除根据力学性能选材外,对于特殊条件下工作(如高温和腐蚀介质中等特殊条件下工作)的零件还要求材料具有特殊的物理、化学性能(如优良的化学稳定性即抗氧化性和耐腐蚀性)等。 4. 热处理技术条件的标注 根据零件的工作特性,提出热处理技术条件。图纸上要求书写相应的工艺名称,如调质、正火、退火等。并标注其硬度值范围,其波动范围一般为:C级洛氏硬
12、度HRC在5个单位左右,布氏硬度在3040个单位左右。,7.1.2 必须兼顾材料的工艺性能原则 ( Technological properties fundamentals must be taken care of the needs ),所谓材料的工艺性能,即指材料加工成零件的难易程度,它也应是选材时必须考虑的重要问题。选用工艺性能良好的材料,是确保产品质量、提高加工效率、降低工艺成本的重要条件之一。它包括材料(零件)的加工工艺路线和材料的工艺性能两个方面。 1. 工程材料的加工工艺路线 设计者通常根据零件的形状、最终性能要求、尺寸精度及表面粗糙度的要求,以及按照使用性能初选出来的材料,
13、综合考虑,制定出零件的加工工艺路线方案。常见工程材料一般加工工艺路线概括如下: (1)聚合物材料 聚合物材料(有机物原料或型材) 成型加工(热压、注塑、热挤、喷射、真空成形等) 切削加工,或热处理、焊接等 零件 。 (2)陶瓷材料 陶瓷材料(氧化物、碳化物、氮化物等粉末) 成型加工(配料 压制 烧结) 磨削加工,或热处理 零件 。,1.工程材料的加工工艺路线,(3)金属材料 按零件形状及性能要求可以有不同的加工工艺路线,大致分为三类。 性能要求不高的一般零件(如铸铁、碳钢、低碳低合金钢件等):坯料(冷冲压、铸或锻、焊接或型材) 热处理(正火或退火) 机械加工(切削)零件 ; 性能要求较高的机械
14、零件(如合金钢、高强铝合金等):坯料(型材或锻造) 预先热处理(正火或退火) 粗机械(切削)加工 最终热处理(淬、回火,或固溶+时效,或表面热处理等) 精加工 零件 ; 性能要求较高的精密零件(如合金钢制造的精密丝杠、镗床主轴等):坯料(型材或锻造) 预先热处理(正火或退火) 粗机械加工 最终热处理(淬、回火,或固溶+时效,或表面热处理) 半精加工 稳定化处理或氮化 精加工 稳定化处理零件 。 性能要求较高的零件用材,多采用合金钢或优质合金钢来制造,这些材料的工艺性能一般都较差,因此必须十分重视其工艺性能的分析。,真空成形,2. 工程材料的工艺性能分析,当用聚合物材料制造零件时,其主要工艺为成
15、型加工,且工艺性能良好,所用工具为成型摸,具体成型方法如注射成型法、挤压成型法、模压成型法、吹塑成型法、真空成型法等。聚合物一般也易于进行切削加工,但因其导热性较差,在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化(热塑性塑料)和烧焦(热固性塑料)现象。少数情况下,聚合物还可焊接与热处理,其工艺简单易行。,注射成形,挤压成形,2. 工程材料的工艺性能分析,陶瓷材料硬而脆且导热性较差,其制品加工工艺路线亦较简单。主要为成型(包括高温烧结),根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精度及生产率不同,可选用粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差,除极少数陶瓷外(如氮化硼
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- 71 机械工程 材料 合理 选用 基本原则
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