工程材料基础.ppt

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1、第十二章零件的选材及工艺路线1常用力学性能指标在选材中的意义断裂韧度在选材中的意义零件实物性能试验的重要性材料强度、塑性与韧性的合理配合选材方法典型零件选材及工艺路线2第一节常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标强度硬度塑性韧性刚度σb、σsHBS、HRCδ、ΨAk、akE/G3一、刚度与弹性指标刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。零件刚度设计：零件的最大弹性变形量ΔL或最大扭转角θ必须小于许用弹性变形量[ΔL]或扭转角[θ]，即：（一）刚度指标产品要求零件结构在外载作用下的变形量4由材料

2、力学知：拉压弯曲扭转外加载荷F：外力Mn：扭矩零件尺寸l：零件长度A：截面积t：截面尺寸Ip：极惯性矩材料刚度E、G在零件刚度设计时要综合考虑：外载、零件尺寸和材料刚度三个方面的因素。5例如：一根承受弯曲载荷的轴，进行挠曲弹性变形刚度设计，现有钢、铝合金、聚苯乙烯三种材料可供选择。轴的尺寸（l、t）及外载（F）不变时三者的E分别为：21、7、0.35（×107）MPa，所以产生的挠曲变形量之比为1：3：60。显然，钢的刚度最大，最合适。在给定变形量和外载的条件下，尺寸最小。6如果在刚度设计时，还要考虑

3、零件的重量轻，则不能仅比较材料的刚度，还要考虑其密度，必须按比刚度来选材。比刚度与材料的弹性模量、密度及加载方式有关。7加载方式比刚度比屈服强度比脆断强度拉棒扭转棒或管受弯杆或管受弯板纵向受压板受内压或旋转缸体受内压球体加载方式对比刚度及比强度和比脆断强度的影响8例如：飞机机翼的受力状态为平板弯曲，比刚度为E1/3/ρ。钢的E是铝合金三倍；两者的密度分别为7.83和2.7g.cm-3；比刚度分别为0.76和1.5；铝合金的比刚度是钢的2倍，故飞机机翼应选用铝合金材料。9弹性是指材料的弹性变形的大小。通

4、常用弹性变形时吸收的弹性能（又称弹性比功）u来表示。（二）弹性指标应力σ应变εσeσsσbk10例如：弹簧，主要功能是起缓冲、减振和传递力的作用，故要求所用材料既要有高的弹性又不能发生塑性变形。虽然降低材料的E有利于提高弹性比功，但E低的塑料、橡胶、低熔点金属等的屈服极限也低。材料的弹性极限越高，弹性模量越低，则弹性能越大，零件的弹性越好。在设计弹性零件时弹性极限和弹性模量是考虑的基本性能指标。11工程结构中，弹簧用材料，一般为弹性模量较大、弹性极限及屈服强度较高的材料。如：汽车板簧，选用合金弹簧钢并

5、经淬火＋中温回火处理得到T回组织，具有高的弹性极限及屈服强度。碳纤维增加复合材料屈服强度高、密度小、质量轻，也是板簧的理想材料，但成本高，目前尚末广泛应用。12二、硬度和强度指标硬度是材料抵抗局部塑性变形能力的性能指标。是工业生产上控制和检查零件质量的最常用、最简便的方法。通常采用以淬火钢球或金刚石压头，用一定的载荷压入材料表面的方法来测量硬度。（一）硬度指标13布氏硬度HBS淬火钢球压头洛氏硬度HRC锥角为120°的金刚石圆锥体压头维氏硬度HV锥角为136°的金刚石四棱锥体压头硬度测试方法14硬度与

6、材料的其它力学性能之间有一定的关系。σb=kHBS，淬火钢及铝合金1/3，铜及铜合金0.40~0.55。通过测量硬度可以间接反映材料的其它力学性能。刃具、冷成型模具和粘着磨损或磨粒磨损条件下服役的零件，其耐磨性能与材料的硬度成正比；承受接触疲劳载荷的零件如齿轮、滚动轴承等，在一定范围内提高硬度对减轻麻点剥落是有效的。15由于硬度测量非常简便，且基本不损坏零件，所以硬度常作为金属零件的质量检验标准。在一定的处理工艺下，只要硬度达到了规定的要求，其它性能也基本会满足要求。应予以注意的是：同样的硬度可以通过

7、不同的处理工艺得到，所以，在用硬度作为控制材料性能的指标时，必须对处理工艺作出明确的规定。例如：45钢制造车床主轴，要求硬度为220～240HBS。调质和正火都可达到要求，但调质处理后综合力学性能好，寿命更高。16（二）强度指标韧性材料脆性材料17三、塑性和冲击韧性指标塑性指标δ、Ψ是材料产生塑性变形使应力重新分布而减小应力集中的能力的量度。在设计时要求材料达到所要求的δ、Ψ。由于δ、Ψ是在单向拉伸应力状态下材料的塑性，不能表示复杂应力状态下材料的塑性，也不能反映应力集中、工作温度、零件尺寸等的影响。

8、（一）塑性指标18冲击韧性指标AK或aK是表征在有缺口时材料塑性变形能力的指标。它反映了应力集中和复杂应力状态下材料的塑性，且对温度很敏感，因此，在一定程度上弥补了δ、Ψ的不足。在设计中，对于脆断是主要危险的零件，冲击韧性是判断材料脆断抗力的重要性能指标。但是，AK或aK不能直接定量地用于设计，只能凭经验提出对冲击韧性值的要求。（二）冲击韧性指标19第二节断裂韧度在选材中的意义一些高强度钢制造的结构和中低强度钢制造的大型锻件，由于在材料制备和冷、热加工过