工程材料与热加工技术第12章零件材料与毛坯的选择课件.ppt

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1、第12章零件材料与毛坯的选择12.1机械零件的失效12.2零件的选材原则与步骤12.3典型零件的选材12.4零件毛坯的选择知识窗——材料与热加工的发展学习指导自测习题12.1机械零件的失效1.失效一般机械零件或构件的失效包括以下几种情况：(1)完全破坏，不能继续工作，如轴的断裂、叶片断裂、锅炉等压力容器爆炸等。(2)虽然能继续安全工作，但不能完成设计的功能，如模具磨损过大导致加工尺寸精度下降，换热器污垢堵塞使传热系数下降等。(3)严重损伤导致不能安全使用，如安全阀失灵、刹车失灵等。2.失效的形式及原因1)失效的形式按失效的性质可将失效分为变

2、形失效、断裂失效、磨损失效和腐蚀失效。零件或构件的失效可以是单一过程现象，也可以是组合过程现象。图12-1列举了热锻模和冷镦模常出现的失效形式及部位。图12-1模具失效形式及部位(1)变形失效：包括弹性变形失效、塑性变形失效、蠕变变形失效等。(2)断裂失效：包括韧性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效等。(3)磨损失效：包括粘着磨损失效、磨料磨损失效、接触疲劳磨损、冲击磨损失效、微动磨损失效、气蚀失效等。(4)腐蚀失效：包括均匀腐蚀和局部腐蚀失效(点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等)。2)失效的原因零件或构件失效的

3、原因是多方面的，从整个过程上可概括成以下四个方面：(1)设计不合理。由于设计不周密或认识水平的局限性，使设计不合理引起失效。如设计中零件的结构或形状不合理导致零件高应力处明显存在应力集中源，对零件的工作条件估计不足出现过载，零件工作的主要力学性能考虑不周等可导致失效。例如，以冲击和耐磨为主选用钢材制造的发动机曲轴使用寿命短，失效分析发现发动机曲轴的主要性能为疲劳强度。(2)选材不当及材料缺陷。选材不当是导致失效的主要原因，对可以预见的失效形式要足够重视，要根据零件的使用性能要求合理地选择材料。一般金属材料的生产要经过冶炼、铸造、锻压等几个阶

4、段，这些工艺工程中出现的缺陷往往会造成零件或构件的早期失效，因此，对原材料加强检验是很重要的步骤。(3)制造过程中工艺不合理。如金属切削加工中的刀痕、粗糙度过高、磨削裂纹等；铸造缩孔、夹杂、偏析、应力等；锻造过程中的裂纹、夹杂等；焊接时产生的裂纹、气孔、夹杂、热影响区组织脆化等；热处理中的过热、脱碳、淬火裂纹、回火脆性、渗碳层不合适等；装配过程中错位、不同心度、强行装配等引起的应力等。这些缺陷超过一定界限就可能导致零件或构件的失效。(4)使用操作和维修不当。如违章操作，超载、超速、超温，判断错误，主观臆断、责任心不强，不进行定期维护、检修，

5、管理混乱等引起的失效。3.零件的工作条件和失效分析1)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。载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一，计算应力是确定材料使用性能的数量依据。其次，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。(1)受力状况：分析零件的受力类型(如静载、动载、冲击或循环载荷等)，零件所受载荷的作用形式(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)。实际零件所受的应力往往不是单一

6、的，应力的形式、大小及分布也可能变化。(2)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)等。例如，热作模具有温度的交替变化；工业锅炉材料在高温下工作；一些管道经常腐蚀，机器零件也有程度不同的腐蚀。由于零件工作的环境不同，对材料的性能要求有很大差别，因此选材环节应特别注意。(3)特殊功能：导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观、色泽等，这些特殊功能有的时候很重要，但这里不多考虑。2)失效分析失效分析的目的是寻找失效的原因，找出关键的因素以便合理选择材料或寻求提高材料性能的途径。失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失

7、效形式进行分析常常可以发现零件所要求的主要使用性能，零件要求的主要使用性能是选材和选择毛坯的最重要依据。通常机械零件的使用性能主要指力学性能，正确地分析零件的受力情况、准确地把握造成零件失效的主要力学性能指标就显得格外重要。当然，实际工作中积累的大量经验数据也是一笔财富，我们更需借鉴和利用。表12-1列举了一些常见零件(工具)的工作条件、失效形式及要求的力学性能。表12-1几种零件(工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能表12-1几种零件(工具)工作条件、失效形式及要求的力学性能12.2零件的选材原则与步骤1.选择零件材料的一般原则不同使

8、用条件下工作的零件不可能有千篇一律的规律，但合理地选材应考虑以下三个基本原则：材料的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能最重要。三者之间有联系，也有矛盾，选材的任务就是上述原