1、（機械制造行業）機械設計與選材第10章機械設計與選材本章學習要求1.了解機械零件的失效和失效的形式；2 掌握選材的原則和分析方法；3.學會常用機械零件選材。本章學習重點? 選 材的原 則；? 常用機械零件選 材和工藝 路線。學習方法指導選材的動機：? 首次開發生產一種新產品、新零件或新裝置；? 現有產品的改進和更新換代；? 零件過早失效甚至災難性事故發生后，需改變用材。第1節機械零件的失效分析失效的概念 當零件由于某種原因喪失預定的功能時，即它發生了失效。 零件完全破壞，不能繼續工作； 嚴重損傷，繼續工作不安全； 雖能安全工作，但不能滿意地起到預期的作用。失效的形式失效的原因工作條件估計錯誤

2、計算錯誤結構外型不合理材質低劣選材不當材料失效分析的方法基本環節示意圖鑄、鍛造缺陷 冷加工缺陷焊接缺陷熱處理缺陷零件失效操作失過載使用維護不安裝不良安裝使用第2節選材的依據和基本原則從材料使用性能的角度出發，選用的材料必須保證零件在使用過程中具有良 好的工作能力；根據材料工藝性能的要求，必須保證零件便于加工制造； 從經濟性角度考慮，必須保證零件的總成本最低。 環境與資源原則使用性能與選材首要原則使用性能主要指零件在使用狀態下應具有的力學性能、物理性能和化學性能。? 分析零件的工作條件首先應判斷零件在工作中所受載荷的性質和大小，計算載荷引起的應力分布。 i載荷的性質是決定材料使用性能的主要依據之

3、一。ii計算應力是確定材料使用性能的數量依據。考慮零件的工作環境：環境因素會與零件的力學狀態綜合作用，提出更為復雜 的性能要求。最后還應充分考慮材料的某些特殊要求。受力狀況載荷的類型（如靜載、動載、循環載荷或單調載荷等），載荷的作用形式（如拉伸、壓縮、彎曲或扭轉等），載荷的大小以及分布特點（如均布載荷或集中載荷）環境狀況溫度（如低溫、高溫、常溫或變溫）及介質情況（如有無腐蝕或摩擦作用）特殊功能導電性、磁性、熱膨脹性、比重、外觀等。? 進行失效分析失效抗力取決于材料的性能， 對零件主要失效形式的分析常常可以綜合出零件所 要求的主要使用性能。? 零件性能要求的指標化 將零件對使用性能的要求具體轉化

4、為實驗室力學性能指標 （如強度、韌性、塑性、 硬度等）；再根據工作應力、使用壽命或安全性確定性能指標的具體數值。選材與材料工藝性能的關系 材料的工藝性能主要包括冷加工性能如冷變形加工和切削加工性能，熱加工性能如 鑄造性能、焊接性能、鍛造性能和熱處理性能等。?盡量選用工藝簡單的材料?選材材質與其工藝性要求?各工序工藝之間的相互聯系和結合金屬零件的加工工藝路線圖性能、質量要求不高的零件 毛坯正火或退火切削加工零件。 如鑄鐵或碳鋼，只要注意采用適宜的毛坯制造方法，其工藝性能均能滿足要求。性能要求較高的零件（如軸、齒輪等）毛坯預先熱處理（正火、退火）粗加工最終熱處理（淬火十回火， 固溶時效，滲碳處理等

5、）精加工零件。金屬零件用材多為碳鋼、合金鋼、高強鋁合金等，其中有些材料的加工性能存 在問題，因此選材時應注意對其工藝性能的分析。性能和質量要求極高的零件（如精密絲杠） 毛坯預先熱處理（正火、退火）粗加工最終熱處理（淬火+ 低溫回火， 固溶時效或滲碳） 半精加工穩定化處理（或氮化） 精加工穩定化 處理零件。加工路線復雜，加工精度和質量要求高，在選材時應務必保證材料的工藝性能。 經濟性與選材? 產品成本與性能的關系：? 產品成本分析1.基本材料的成本材料的價格在產品的總成本中占有較大的份額（ 3070% ）。 選擇更為廉價的材料是降低產品成本的重要手段之一； 提高材料的利用程度，降低制造過程中的材

6、料消耗量（我國鋼材利用率平均 為 65% ，而美國達到 80% ）。我國常用金屬材料的相對價格材料相對價格材料相對價格普通碳素結構鋼1鉻不銹鋼5優質碳素結構鋼1.31.5鉻鎳不銹鋼15合金結構鋼（ Cr-Ni 鋼除外）1.72.5灰鑄鐵1.4鉻鎳合金結構鋼（中合金鋼）5鑄造鋁合金、銅合金810滾珠軸承鋼3普通黃銅1317低合金工具鋼34錫青銅、鋁青銅19高速鋼1620鈦合金5080硬質合金150200（工程塑料）515基本材料的價格的影響因素：提煉和制取的成本礦物資源的儲量、開采成本、礦石品位等 材料的提純、合金化（合成）成本 加工增值成本供求關系所造成的價格波動2.制造成本。加工成本約占零件

7、成本的 30% 左右，生產批量越少，這一比例越高。 總成本 P=T+xN ，T 為工具與設備費用， x 代表每件產品的成本， N 為生產 批量（件 /批）。產量對制造成本的影響環境與資源原則 隨著地球資源的日益枯竭、環境的日益惡化，材料的環境和資源準則在今后會變得日益重要。 這一準則要求材料在生產使用廢棄的全過程中， 對能源和資源的消耗少， 對生態環境影響 小，可以完全再生利用或廢棄時完全降解。1.能源和資源消耗少世界能源儲藏量石油天然氣煤鈾可開采儲量9970 億桶138 萬億 m 31，039 ， 272 噸200 萬噸可開采年限45.5 年64 年219 年74 年主要產地及儲量比例中東

8、66.4%獨聯體、中東 70%美、蘇、中、澳 70%重要金屬的世界儲量儲量（ 10 6t）可用年數再生率 （%）Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751通過產品的小型化，材料輕量化，減少材料的絕對使用量； 通過零件的長壽命化和再利用，減少材料的相對使用量； 通過易分選及可再生循環材料的利用，降低對天然資源的依賴； 選用能耗低的材料及加工工藝。2.環境污染小 環境準則必將成為選材的重要依據之一，即要求材料在生產使用廢棄的全過程中具有與環境 的協調性，充分降低對環境造成的負荷。采

9、用能耗少、污染小的材料，節能無害化的生產、制造工藝， 選擇可再生循環性好的材料（材質單純，化學組成簡單，便于提純，通用性強），降低 廢棄物環境負荷，選擇以再生資源為原料的材料。生產各種材料消耗的能量及碳的排放量材料礦物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m 3Kg/tKg/m 3木材1.52.8750139030561528混凝土2.0480050120鋼材35266,0007005320一次鋁4351,100,000870022,000再生鋁1333,000定性能水平下的材料能耗木材混凝土鋼塑料鋁、鎂及鈦合金E/b24145100500475-1002710-1029E生產每公斤材料的能耗材料密度

10、b 抗拉強度3材料的可再生循環性：混凝土雖能耗低但幾乎不能回收、降解； 木材不但能耗低，還能充分回收，并可以降解； 多數塑料回收率很低； 金屬材料能耗高但可較容易地回收，其中鋁的回收價值尤其高，擴大對再生鋁的利用， 具有相當大的環境意義。選材的一般程序1基于對具體零件的工作條件和失效形式的分析，以及對同類零件現有狀況（所用 材料、使用壽命、失效形式以及供應情況）的調研，再結合力學計算或試驗確定零 件應具有的力學性能指標和理化性能指標。2對若干備選材料的性能指標和制造工藝進行綜合分析和篩選， 初步選定材料的牌 號、規格及制造工藝。3進行實驗室試驗以檢驗選用材料是否達到各項性能要求， 并進行小批試生產以檢 驗材料制造過程中工藝性是否滿足要求。小批試驗產品質量合格后，選材方案即可 確定下來。實例：解放牌載重汽車變速箱齒輪性能要