工程材料及应用工程材料的合理选用6-9章.pptx

E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E本本章章提提要要您了解功能材料的含义吗？常见功能材料包括哪些种类？它们都有哪些主要特性和用途？生物材料都有哪些？它们对人类健康方面有哪些益处？纳米材料有哪些主要特性和用途？E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E本本章章主主要要内内容容纳米材料纳米材料 生物材料生物材料 功能材料功能材料 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E功能材料功能材料智能材料智能材料 光功能材料光功能材料 形状记忆材料形状记忆材料 其它功能材料其它功能材料 电功能材料电功能材料 磁功能材料磁功能材料 第第一一节节功功能能材材料料E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E电功能材料电功能材料磁功能材料磁功能材料 智能材料智能材料 其它功能材料其它功能材料 功能材料功能材料导电材料、电阻材料、电接点材料、压电材料等软磁材料、硬磁材料、信息磁材料等.金属系、无机非金属系和高分子系智能材料贮氢材料和梯度功能材料等第第一一节节功功能能材材料料形状记忆材料形状记忆材料 光功能材料光功能材料 固体激光器材料、信息显示材料、光纤、隐形材料等 形状记忆合金和形状记忆聚合物 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料1 1电功能材料及分类 电功能材料是指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料。其品种和数量较多，本节只介绍导电材料、电阻材料、电接点材料及压电材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料电功能材料电功能材料电功能材料是指利用材料的电学性能和各种电效应等电功能的材料。其品种和数量较多，本节只介绍导电材料、电阻材料、电接点材料及压电材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料导电材料导电材料导电材料主要包括：常用导电金属材料、膜（薄膜或厚膜）导体布线材料、导电高分子材料、超导电材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料电阻材料电阻材料电阻材料是利用物质固有的电阻特性来制造不同功能元件的材料。它主要用于电阻元件、敏感元件和发热元件。按其特性与用途可分为精密电阻材料、膜电阻材料和电热材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料电接点材料常用强电接点材料有：真空开关接点材料：常用材料有Cu-Bi-Ce、Cu-Fe-Ni-Co-Bi、W-Cu-Bi-Zn合金等。空气开关接点材料：主要有银系合金和铜系合金。弱电接点材料：主要有Ag系、Au系、Pt系及Pd系金属合金四种。复合接点材料：是通过一定加工方式（轧制包覆、电镀、焊接、气相沉积等）将贵金属接点材料与普通金属基底材料（如Cu、Ni金属及其合金）结合为一体。复合接点材料已成为弱电接点材料的主流。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料压电材料压电材料当机械外力作用于晶体时，晶体发生形变使正负电荷重心位置偏移而极化，产生的电效应，称为正压电效应。对材料施加一电压，材料产生形变，称为逆压电效应。1）压电陶瓷：主要有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅（PZT）、改性PZT和其它三元体系。目前应用最多的是PZT和改性PZT。2）压电聚合物材料：分为固有压电性聚合物和驻极体型聚合物。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料2 2磁功能材料及分类指利用材料的磁性能和磁效应（电磁互感效应、压磁效应、磁光效应、磁阻及磁热效应等）实现对能量及信息转换、传递、调制、存储、检测等功能作用的材料。按成份不同可将其分为金属磁性材料（含金属间化合物）和铁氧体（氧化物磁性材料）；按磁性能不同可将其分为软磁材料与硬磁材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料软磁材料软磁材料指磁矫顽力低（Hc103Am）、磁导率高、磁滞损耗小、磁感应强度大，且在外磁场中易磁化和退磁的一类磁功能材料。包括金属软磁材料及铁氧体软磁材料等。其中金属软磁材料的饱和磁化强度高（适于能量转换场合）、磁导率高（适于信息处理场合）、居里温度高；但电阻率低，有集肤效应，涡流损失大，故一般限于在低频领域中应用。纯铁及硅钢片是应用较早的金属软磁材料，其中硅钢片用量较大。后来又研制了铁镍合金（亦称坡莫合金）、铁钴合金及非晶、微晶及纳米晶新型软磁材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料硬磁材料（永磁材料硬磁材料（永磁材料）指材料在磁场充磁后，当磁场去除时其磁性仍能长时间保留的磁功能材料。应用主要有两个方面：一是利用硬磁合金产生的磁场；二是利用硬磁合金的磁滞特性产生转动力矩，使电能转化为机械能，如磁滞电动机。硬磁材料主要有：Al-Ni-Co系硬磁材料；硬磁铁氧体（常用牌号有Y10T、Y25BH）；稀土硬磁材料（Nd-Fe-B稀土硬磁材料）和复合（粘结）稀土材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料信息磁材料信息磁材料信息磁材料指用于光电通讯、计算机、磁记录和其它信息处理技术中的存取信息类磁功能材料。它包括磁记录材料、磁泡材料、磁光材料、特殊功能材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料3 3智能材料智能材料 智能材料是指对环境可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。这是将信息科学融合于材料物性和功能的材料新构思。它是在原子、分子水平上进行材料控制、在不同层次上赋于自检测（传感功能）、自判断、自结论（处理功能）和自指令、自执行（执行功能）所设计出的新材料。包括金属系智能材料、无机非金属系智能材料、高分子系智能材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料4 4光功能材料光功能材料 光功能材料种类繁多，按照材质可分为光学玻璃、光学晶体、光学塑料等；按用途可分为固体激光器材料、信息显示材料、光纤、隐形材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料5 5形状记忆材料形状记忆材料1）形状记忆效应指在高温下制成某种形状，在低温下将其任意变形，若将其加热到高温时，材料恢复高温下的形状，但重新冷却时材料不能恢复低温时的形状，这是单程记忆效应；若到低温下材料仍能恢复低温下的形状，就是双程记忆效应。形状记忆效应是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料5 5形状记忆材料形状记忆材料形状记忆材料包括形状记忆合金（如Ti-Ni合金）和形状记忆聚合物材料。目前，高分子形状记忆材料因其优异的综合性能已成为热门材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第一一节节功功能能材材料料6 6其它功能材料其它功能材料除上述外，还有许多其它功能材料，例如半导体微电子功能材料、光电功能材料、贮氢材料、传感器用敏感材料、声功能材料（水声、超声、吸声材料）、隐形功能材料、功能梯度材料、功能复合材料等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第二二节节生生物物材材料料生物材料（生物材料（Biomaterials）又称生物医用材料（Biomedical materials），它是对生物体进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。这类材料可单独或与药物一起用于人体组织或器官，起替代、增强、修复等治疗作用。包括生物陶瓷材料、生物高分子材料 和生物金属材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第二二节节生生物物材材料料1 1生物陶瓷生物陶瓷是用于人体器官替换、修补及外科矫形的陶瓷材料。陶瓷材料在生物体内极为稳定，具有卓越的耐蚀性，强度、硬度、耐磨性都较高，良好的生物相容性。特别适于作人体硬组织如骨和齿的替换、修补材料。这类材料主要有氧化铝陶瓷、羟基磷灰石、玻璃碳、生物活性玻璃及生物活性玻璃陶瓷、生物活性骨水泥等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第二二节节生生物物材材料料2 2生物高分子材料生物高分子材料 生物高分子材料品种很多。硅橡胶由于生物相容性好、结构和性能稳定、透气性好、能耐高低温，应用很广泛。聚乙烯价格低廉，广泛用作人工器件及各种插管等制品。聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、有机玻璃等，也应用于不同的方面。还有血液相容、组织相容、生物降解、高分子药物等方面的生物高分子材料。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第二二节节生生物物材材料料3 3生物金属材料生物金属材料 耐腐蚀金属作为人工器官的修复和代用材料已有一百多年的历史，在整形外科中起着重要作用。目前用于修补骨骼系统的金属材料有不锈钢、钴基合金、钛及其合金。常用的牙科合金还有金合金和镍铬合金。金合金的主要组成是86Au-8Pd-4Pt，Ni-Cr合金的主要组成是80Ni-13Cr及微量Co、Mo等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料1 1纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念凡是至少在一维方向上的线度在1100nm之间的单元和由这种单元组成的材料均称为纳米材料。纳米单元包括纳米膜、纳米线（晶须、大分子链）和纳米颗粒。从尺寸概念分析，纳米材料可包括零维、一维、二维和纳米固体材料，因此纳米材料是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米（碳）管、纳米线、纳米薄膜和纳米固体材料的总称。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料碳团簇（碳团簇（C70）结构示意图）结构示意图 碳纳米管结构示意图碳纳米管结构示意图(a)单臂纳米管单臂纳米管(b)锯齿纳米管锯齿纳米管(c)手性纳米管手性纳米管 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料2 2纳米材料的特性纳米材料的特性 1）纳米材料的物理效应材料的物理效应不仅与材料的种类有关，而且与材料组成粒子的尺度范围有关。当小粒子尺寸进入纳米量级（1100nm）时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料2 2纳米材料的特性纳米材料的特性 2）纳米微粒的物理特性纳米材料具有特殊的光学性质（主要有光谱迁移性、光学吸收性和光学催化性等）、电学性质、磁学性质、热学性质和优异的力学性能。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料3 3纳米材料的制备纳米材料的制备按照物质的原始状态分类，可分为固相法、液相法和气相法；按研究纳米粒子的学科分类，可分为物理方法、化学方法和物理化学方法；按制备技术分类，可分为机械粉碎法、蒸发凝聚法、溶液法、激光合成法、等离子体合成法、离子溅射法、射线辐照合成法、气相化学反应法、溶胶-凝胶法等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料4 4纳米材料应用纳米材料应用纳米材料是纳米科技的核心。在21世纪，纳米材料将在材料、信息、能源等领域发挥举足轻重的作用并有极为广阔的应用前景。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第三三节节纳纳米米材材料料纳米碳管和苯分子构成纳米碳管和苯分子构成的分子齿轮的分子齿轮E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E本章小结本章小结 本章概括介绍了各种功能材料（包括电功能材料，磁功能材料，智能材料，光功能材料，形状记忆材料，梯度功能材料等）、生物材料（生物无机非金属材料，生物高分子材料，生物金属材料，生物复合材料）的特性与发展应用，以及纳米材料的性质、制备和应用。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E7.3航空航天领域关键零件选材简介航空航天领域关键零件选材简介7.2典型零件的选材方法典型零件的选材方法7.1机械零件失效分析与选材方法机械零件失效分析与选材方法 本章内容本章内容第第7章章工程材料的合理选用工程材料的合理选用E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E第第7 7章章 工程材料的合理选用工程材料的合理选用7.1机械零件失效分析与选材方法机械零件失效分析与选材方法 选用材料应考虑的一般原则是：选用材料应考虑的一般原则是：使用性原则使用性原则 是保证零件完成规定功能的必要条件。是保证零件完成规定功能的必要条件。工艺性原则工艺性原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。经济性原则经济性原则 是选材的重要原则之一，一般包括材料的价是选材的重要原则之一，一般包括材料的价 格、零件的成本与国家的资源等。格、零件的成本与国家的资源等。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E 机械零件的失效是指零件在使用机械零件的失效是指零件在使用过程中由于程中由于某种原因而某种原因而丧失原失原设计功能的功能的现象。象。失效失效导致致严重事故重事故 一、一、机械零件的失效及失效分析机械零件的失效及失效分析E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E表表7-1零件失效的模式及其失效机理零件失效的模式及其失效机理1、失效的分、失效的分类 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E1、失效的分、失效的分类 零件零件工工作作条条件件常见失效形式常见失效形式力学性能指标力学性能指标变形方式变形方式载荷性质载荷性质其其他他紧固螺栓紧固螺栓拉、剪拉、剪静静过量变形、断裂过量变形、断裂强度、塑性强度、塑性传动轴传动轴弯、扭弯、扭循环、冲循环、冲击击轴颈处摩擦、轴颈处摩擦、振动振动疲劳破坏、过量疲劳破坏、过量变形、轴颈变形、轴颈处磨损处磨损综合力学性能综合力学性能齿轮齿轮压、弯压、弯循环、冲循环、冲击击强烈摩擦、振强烈摩擦、振动动磨损、疲劳麻点、磨损、疲劳麻点、齿断裂齿断裂表面有高硬度及高的表面有高硬度及高的疲劳极限，心部疲劳极限，心部有较高强度及韧有较高强度及韧性性弹簧弹簧扭扭(螺旋簧螺旋簧)循环、冲循环、冲击击振动振动弹性丧失、疲劳弹性丧失、疲劳破坏破坏弹性极限、屈强比、弹性极限、屈强比、疲劳极限疲劳极限油泵柱塞油泵柱塞副副压压循环、冲循环、冲击击摩擦、油的腐摩擦、油的腐蚀蚀磨损磨损硬度、抗压强度硬度、抗压强度冷作模具冷作模具复杂组合复杂组合变形变形循环、冲循环、冲击击强烈摩擦强烈摩擦磨损、脆断磨损、脆断高硬度、高强度、足高硬度、高强度、足够的韧性够的韧性压铸模压铸模复杂组合复杂组合变形变形循环、冲循环、冲击击高温、摩擦、高温、摩擦、金属液腐金属液腐蚀蚀热疲劳、磨损、热疲劳、磨损、脆断脆断高温强度、抗热疲劳高温强度、抗热疲劳性、足够韧性与性、足够韧性与热硬性热硬性几种常见零件工作条件、失效形式及其要求的力学性能几种常见零件工作条件、失效形式及其要求的力学性能 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E一、设计因素一、设计因素设计有误设计有误二、制造（工艺）因素二、制造（工艺）因素工艺制造条件达不到设计要求工艺制造条件达不到设计要求三、安装调试因素三、安装调试因素安装达不到所要求的质量指标安装达不到所要求的质量指标四、材质因素四、材质因素选材不当选材不当五、运转维修因素五、运转维修因素运转工况参数及润滑条件运转工况参数及润滑条件2、失效的基本因素、失效的基本因素 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E二、零件失效形式二、零件失效形式 1、畸变失效、畸变失效 畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。畸变是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。1）弹性畸变失效）弹性畸变失效 零件由于产生过大的弹性变形而失效，刚度问题。零件由于产生过大的弹性变形而失效，刚度问题。2 2）塑性畸变失效）塑性畸变失效 零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形。零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形。3）翘曲畸变失效）翘曲畸变失效 是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的是一种大小与方向上常产生复杂规律的变形而最终形成了翘曲的外形，由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性外形，由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合所致。的组合所致。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E2、断裂失效、断裂失效 1）韧性断裂）韧性断裂 在断裂时伴有宏观上的塑性变形，在断裂时伴有宏观上的塑性变形，可观察到明显的缩颈现象，断口呈盆可观察到明显的缩颈现象，断口呈盆状或杯状。状或杯状。2）脆性断裂）脆性断裂 有些材料在应力未达到强度极限时就会突有些材料在应力未达到强度极限时就会突然断裂，而且只产生很小的永久变形。断口平然断裂，而且只产生很小的永久变形。断口平整。整。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E3、磨损失效、磨损失效 相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。和尺寸改变的现象称为磨损。活塞活塞环与缸套之与缸套之间的摩擦的摩擦E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E1）粘着磨损）粘着磨损2）磨料磨损）磨料磨损3）表面疲劳磨损）表面疲劳磨损4）冲刷磨损）冲刷磨损5）腐蚀磨损）腐蚀磨损粘着磨粘着磨损示意示意图E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E磨粒磨磨粒磨损示意示意图冲刷磨冲刷磨损示意示意图犁削磨犁削磨损示意示意图E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E 1）摩擦副材质）摩擦副材质材料副的互溶性；材料副的互溶性；材料副的表面强化处理情况；材料副的表面强化处理情况；材料表层组织和结构缺陷。材料表层组织和结构缺陷。2）工况参数）工况参数包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。包括接触应力、滑动距离和滑动速度、温度、介质条件与润滑等。影响磨损失效的基本因素影响磨损失效的基本因素E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E1）均匀腐蚀）均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。2）点腐蚀）点腐蚀腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深度扩成孔穴甚至穿透孔穴甚至穿透(孔蚀孔蚀)。3）晶间腐蚀）晶间腐蚀腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。其主要原因是晶界处化学成分不均匀。界处化学成分不均匀。4、腐蚀失效、腐蚀失效腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电表面损耗，它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果。化学作用的结果。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E 断断口口分分析析是是断断裂裂失失效效分分析析的的核核心心，同同时又又是是断断裂裂失失效效分分析析的的向向导，指指引引断断裂裂失失效效分分析析少走弯路。少走弯路。三、断口的分析方法三、断口的分析方法断口三要素：断口三要素：F F-纤维状区纤维状区R R-放射状区放射状区S S-剪切唇区剪切唇区E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E四、机械零件选材原则四、机械零件选材原则 使用性能主要是指零件在使用状态下材使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。能。大量机器零件大量机器零件和工程构件和工程构件特殊条件下工特殊条件下工作的零件作的零件材料的使用性能应满足使用要求。材料的使用性能应满足使用要求。1、使用性能原则使用性能原则E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E零件使用时的工作条件零件使用时的工作条件 1）受力状况）受力状况主要是载荷的类型主要是载荷的类型(例如动载、静载、循例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的和大小；载荷的形式；载荷的特点等。特点等。2）环境状况）环境状况主要是温度特性、介质情况等。主要是温度特性、介质情况等。3）特殊要求）特殊要求如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。等的要求。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E 工工 作作 条条 件件 零件零件 应力种力种类 载荷性荷性质 受受载状状态 常常见的失效形式的失效形式 要求的主要要求的主要机械性能机械性能 紧固固 螺栓螺栓 拉，拉，剪剪应力力 静静载 过量量变形，断裂形，断裂 强度，塑性度，塑性 传动轴 弯，弯，扭扭应力力 循循环，冲冲击 轴颈摩摩擦擦，振振动 疲疲劳断断裂裂，过量量变形，形，轴颈摩摩损 综合合机机械械性性能能 传动 齿轮 压，弯弯应力力 循循环，冲冲击 摩摩擦擦，振振动 齿折折断断,磨磨损,疲疲劳断断裂裂,接接触触疲疲劳(麻麻点点)表表面面高高强度度及及疲疲劳极极限限，心心部部强度度、韧性性 弹簧簧 扭，扭，弯弯应力力 交交变，冲冲击 振振动 弹性性失失稳，疲疲劳破破坏坏 弹性性极极限限，屈屈强比比，疲疲劳极限极限 冷作冷作 模具模具 复复杂应力力 交交变，冲冲击 强烈摩擦烈摩擦 磨磨损，脆断，脆断 硬硬度度，足足够的的强度度，韧性性 表表7-2 7-2 常用零件的工作和失效形式常用零件的工作和失效形式E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E2 2、工工艺性能原性能原则材料的工材料的工艺性能性能应满足生足生产工工艺的要求的要求，这是是选材必材必须考考虑的的问题。高分子材料的加工工高分子材料的加工工艺路路线 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E陶瓷材料的加工工陶瓷材料的加工工艺路路线E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E金属材料零件金属材料零件选材的工材的工艺性能原性能原则 金属材料的加工工金属材料的加工工艺路路线E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。零件。性能要求较高的金属零件选材的工艺路线性能要求较高的金属零件选材的工艺路线毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处最终热处理理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工精加工零件。零件。性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线毛坯毛坯预先热处理预先热处理(正火、退火正火、退火)粗加工粗加工最终热处最终热处理理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工半精加工稳定化处理或氮化稳定化处理或氮化精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。零件。金属材料零件金属材料零件选材的工材的工艺性能原性能原则 E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E3 3、经济性原则、经济性原则 1、材料的价格、材料的价格零件材料的价格无疑应该尽量低。占的零件材料的价格无疑应该尽量低。占的30%70%2、国家的资源、国家的资源材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。3、零件的总成本、零件的总成本零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。究费用、维修费用和材料价格有关。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E7.2典型零件的选材方法典型零件的选材方法一、齿轮类零件的选材一、齿轮类零件的选材1.1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮的工作条件、失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度。节速度。（1 1）工作时的受力情况）工作时的受力情况1 1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。2 2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。）齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触力，并发生强烈的摩擦。3 3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。（2 2）主要失效形式）主要失效形式1 1）疲劳断裂。）疲劳断裂。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。2 2）齿面磨损。）齿面磨损。3 3）齿面接触疲劳破坏）齿面接触疲劳破坏 。4 4）过载断裂。）过载断裂。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E（3 3）齿轮用材性能要求）齿轮用材性能要求1 1）高的弯曲疲劳强度）高的弯曲疲劳强度2 2）高的接触疲劳强度和耐磨性）高的接触疲劳强度和耐磨性3 3）齿轮心部要有足够的强度和韧性）齿轮心部要有足够的强度和韧性2.2.齿轮零件的选材齿轮零件的选材3.3.典型齿轮选材举例典型齿轮选材举例（1 1）机床齿轮）机床齿轮（2 2）汽车齿轮）汽车齿轮E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E二、轴类零件的选材二、轴类零件的选材1.1.轴的工作条件、失效形式及性能要求轴的工作条件、失效形式及性能要求（1 1）一般轴的工作条件）一般轴的工作条件1 1）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。）传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷。2 2）轴颈承受较大的摩擦）轴颈承受较大的摩擦3 3）承受一定的冲击载荷）承受一定的冲击载荷（2 2）主要失效形式）主要失效形式1 1）疲劳断裂疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用长期受扭转和弯曲交变载荷作用2 2）断裂失效断裂失效 大载荷或冲击载荷作用大载荷或冲击载荷作用3 3）磨损失效磨损失效 轴颈或花键处过度磨损轴颈或花键处过度磨损（3 3）对轴用材料性能要求）对轴用材料性能要求1 1）良好的综合力学性能）良好的综合力学性能2 2）高的疲劳强度）高的疲劳强度3 3）良好的耐磨性）良好的耐磨性E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E2.2.轴类零件的选材轴类零件的选材(1)(1)不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴(2)(2)主要受弯曲，扭转的轴主要受弯曲，扭转的轴(3)(3)同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴3.3.典型轴选材举例典型轴选材举例（1 1）机床主轴选材）机床主轴选材以以C620C620车床主轴为例进行选材。车床主轴为例进行选材。该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。有较高的硬度和耐磨性。根据以上分析，车床主轴可选用根据以上分析，车床主轴可选用45钢。热处理为调质处理；轴钢。热处理为调质处理；轴颈和椎孔进行表面淬火。颈和椎孔进行表面淬火。工艺路线为：工艺路线为：E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E（2 2）内燃机曲轴选材）内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型、功率大小、转内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条速高低和相应轴承材料等项条件而定，同时也需考虑加工条件、生产批量和热处理工艺及制造成本。件、生产批量和热处理工艺及制造成本。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性。通常可选用通常可选用QT7002，其工艺路线如下：，其工艺路线如下：铸造铸造-高温正火高温正火-高温回火高温回火-切削加工切削加工-轮颈气体渗氮轮颈气体渗氮锻造锻造-正火正火-粗加工粗加工-调质调质-精加工精加工-表面淬火及低表面淬火及低温回火温回火-磨削加工磨削加工E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E三、弹簧类零件的选材三、弹簧类零件的选材1.1.弹簧的工作条件、失效形式及性能要求弹簧的工作条件、失效形式及性能要求（1 1）工作条件）工作条件1 1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力 或扭转应力。或扭转应力。2 2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用3 3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用（2 2）主要失效形式）主要失效形式1 1）塑性变形）塑性变形2 2）疲劳断裂）疲劳断裂3 3）快速脆性断裂）快速脆性断裂4 4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使 用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E（3 3）对弹簧用材性能要求）对弹簧用材性能要求1 1）高的弹性极限和屈强比（）高的弹性极限和屈强比（s/b）2 2）高的疲劳强度）高的疲劳强度3 3）好的材质和表面质量）好的材质和表面质量4 4）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性2.2.弹簧零件的选材弹簧零件的选材弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。3.3.典型弹簧选材举例典型弹簧选材举例（1 1）汽车板簧）汽车板簧（2 2）火车螺旋弹簧）火车螺旋弹簧E E材 料 工 程EgineeringMaterials第第6 6章章 新型材料及应用新型材料及应用 第第6 6章章 E E（1 1）汽车板簧）汽车板簧汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷，