第二十七讲 材料的选择与应用

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1、第二十八讲材料的选择与应用§1选用材料的一般原则§2零件的失效与选材§3典型零件的选材与工艺§4可持续发展战略下的材料选择一、概述材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员的基本要求。1、使用性能选材原则分析零件的工作条件，确定其使用性能：①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、

2、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。2、工艺性能选材原则材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即

3、技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。1).铸造性能凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。2).压力加工性能包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行

4、热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。3)焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。§1选材的原则4.)机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差

5、。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180～230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。5).热处理工艺性能必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。3、经济性能选材原则质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最

6、便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而且是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。二、材料(机械零件)的失效1、失效概念:在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。2、失效形式四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性

7、而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。3、失效原因四个主要方面：设计、材料、加工与使用三、工程材料的应用概况§3典型零件选材与工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要的四大类工程材料。高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻

8、载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷