零部件的失效与选材.pptx

1986年1月28日助推器两个部件之间的接头因为低温，变脆，破损，喷出的燃气烧穿了助推器的外壳，继而引燃外挂燃料箱。燃料箱裂开后，液氢在空气中剧烈燃烧爆炸。第十三章 材料的选用及失效分析使用性能使用性能-使用过程中安全可靠；使用过程中安全可靠；工艺性能工艺性能-零件便于加工制造；零件便于加工制造；经济性经济性-零件的总成本最低零件的总成本最低;环境与资源环境与资源-环境友好。环境友好。第一节第一节 零件的失效分析零件的失效分析n每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运每种机器零件都具有一定的功能，或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的动，或传递力、力矩或能量。当零部件丧失预定的功能时，即零件已功能时，即零件已失效失效失效失效。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：l 零件完全破坏，不能继续工作；零件完全破坏，不能继续工作；l 零件严重损伤，不能保证工作安全；零件严重损伤，不能保证工作安全；l 零件虽能安全工作，但工作低效。零件虽能安全工作，但工作低效。一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式一、零件失效的基本形式零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类三大类型。型。表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效表面损伤失效断裂失效断裂失效断裂失效断裂失效变形失效变形失效变形失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效零件失效零件失效零件失效二、零件失效的主要原因二、零件失效的主要原因 引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为引起失效的具体原因多种多样，但大体可分为设计、材料、设计、材料、设计、材料、设计、材料、加工和安装使用加工和安装使用加工和安装使用加工和安装使用四个方面。四个方面。四个方面。四个方面。n n设计设计设计设计 工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。工况条件估计不确切；结构外形不合理；计算错误。n n材料材料材料材料 选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。选材不当；材质低劣。n n加工加工加工加工 毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。毛坯有缺陷；冷加工缺陷；热加工缺陷。n n安装使用安装使用安装使用安装使用 安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。安装不良；维护不善；过载使用；操作失误。三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法三、失效分析的主要方法服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因。影响失效的因素很多，要利用宏观和微观宏观和微观的研究手段进行系统的分析。的研究手段进行系统的分析。以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图n该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广该思路是材料工作者常用的、比较综合的方法。是工程材料开发、研究和推广使用的有效方法之一。使用的有效方法之一。失效树分析失效树分析n失效分析失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程。结果果和原和原因因具有双重性，失具有双重性，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手。“顺藤摸瓜顺藤摸瓜”以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。结果。“顺藤找根顺藤找根”以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因。的直接原因。“顺瓜摸藤顺瓜摸藤”从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因。“顺根摸藤顺根摸藤”从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。还有还有“顺瓜摸藤顺瓜摸藤+顺藤找根顺藤找根”、“顺根摸藤顺根摸藤+顺藤摸瓜顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜顺藤摸瓜+顺藤找根顺藤找根”等。等。n无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。n断口分析断口分析断口分析断口分析断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最发源地、扩展区和最终断裂区终断裂区，判断出断裂的性质和机理。，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口疲劳断口n金相分析金相分析金相分析金相分析通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。n化学分析化学分析化学分析化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。n力学分析力学分析力学分析力学分析检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。断口分析断口分析分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破坏的顺序分析破坏的顺序T型法则型法则 分叉法则分叉法则 B裂纹产生在后裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹产生在前裂纹扩展方向裂纹扩展方向根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区裂纹区。源区源区源区源区 失效源分析失效源分析宏观宏观宏观宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。结晶状，平齐而光亮，有闪亮小晶面。无明显变形。微观微观微观微观：平坦的解理台阶与河流花样。平坦的解理台阶与河流花样。脆性断口脆性断口 宏观形貌宏观形貌 微观解理花样微观解理花样 回火脆性断口回火脆性断口 应力腐蚀断口应力腐蚀断口脆性断裂沿晶断口脆性断裂沿晶断口韧性断口韧性断口宏观宏观宏观宏观：纤维状，色质灰暗纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形。有明显的塑性变形。微观微观微观微观：大小不等的大小不等的韧窝韧窝。纤维状韧性宏观断口纤维状韧性宏观断口 微观典型韧窝形貌微观典型韧窝形貌 疲劳断口疲劳断口疲劳源疲劳源 疲劳裂纹扩展区疲劳裂纹扩展区“贝纹贝纹”状花样状花样 瞬时断裂区瞬时断裂区 疲劳断口宏观形貌疲劳断口宏观形貌 疲劳断口示意图疲劳断口示意图 疲劳条纹的微观图象疲劳条纹的微观图象n齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮的失效齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿轮是机械设备中运用极广的传动零件。齿表面受到接触力和摩擦力齿表面受到接触力和摩擦力的作的作用；用；齿根部受到交变弯曲应力齿根部受到交变弯曲应力的作用；此外由于过载和换档时的的作用；此外由于过载和换档时的冲击冲击还会还会产生附加应力。产生附加应力。四、零件失效分析实例四、零件失效分析实例齿轮的疲劳断裂齿轮的疲劳断裂（宏观）（宏观）失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因齿面接触齿面接触疲劳破坏疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）。疲劳断裂疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式。所致，是齿轮最严重的失效形式。齿面磨损齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，轮齿变薄。由于齿面接触区摩擦，轮齿变薄。过载断裂过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。主要是冲击载荷过大造成的断齿。齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为齿轮的失效行为n机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效机车车轴的失效车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，车轴在运行时承受着弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的塑韧性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂）。）。疲劳源在轴疲劳源在轴内部内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生；疲劳源在轴疲劳源在轴表面表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。致使裂纹萌生。疲劳源疲劳源车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析车轴疲劳断裂的失效分析断口面基断口面基本与轴向本与轴向垂直垂直设计不当、严重缺设计不当、严重缺陷或过载陷或过载断口特征异常断口特征异常轴表面异轴表面异常常撞伤撞伤意外损伤意外损伤疲劳裂纹源发生在车轴内部疲劳裂纹源发生在车轴内部冶金缺陷（残余缩孔、冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴车轴疲劳疲劳断裂断裂分析分析机加工缺陷机加工缺陷机加工不当机加工不当腐蚀产物腐蚀产物环境腐蚀环境腐蚀磨损产物磨损产物微动摩擦微动摩擦化学成份化学成份冶炼工艺不当冶炼工艺不当力学性力学性能不合能不合格格金相组织金相组织冶炼、锻造冶炼、锻造或热处理或热处理工艺不当工艺不当疲劳裂纹疲劳裂纹源发生在源发生在车轴表面车轴表面断口面与轴向成断口面与轴向成45 角角扭转载荷过大扭转载荷过大失效形式失效形式失失 效效 的的 原原 因因磨耗磨耗钢轨与车轮接触面表层发生磨损。钢轨与车轮接触面表层发生磨损。压溃压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形。剥离剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层次表层)形成扩展至剥落。形成扩展至剥落。疲劳裂纹或折断疲劳裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步并可能进一步扩展至断裂。扩展至断裂。擦伤擦伤轮轨接触面发生热机械作用轮轨接触面发生热机械作用,导致组织产生导致组织产生相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。相变，由珠光体组织转变成马氏体组织。锈蚀锈蚀腐蚀环境作用。腐蚀环境作用。n铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效铁路钢轨的失效钢轨的失效行为钢轨的失效行为轨头侧面磨耗轨头侧面磨耗 轨头踏面被压溃及出现飞边轨头踏面被压溃及出现飞边 鱼鳞状裂纹和剥离坑鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂磨耗、腐蚀、疲劳断裂是其主要是其主要失效形式。失效形式。钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞等）、钢轨结构引起的局部高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。高应力可能导致疲劳裂纹甚至折断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。夹杂物引起的核伤断口（白核）夹杂物引起的核伤断口（白核）表面剥离引起的核伤断口表面剥离引起的核伤断口第二节第二节 材料的选用材料的选用n选材的动机选材的动机选材的动机选材的动机 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；现有产品的改进和更新换代；现有产品的改进和更新换代；零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需重新选材。零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需重新选材。n选材的基本过程选材的基本过程n传统设计传统设计把选材归入设计过程的后期；把选材归入设计过程的后期；根据前人的经验进行设计和选材；根据前人的经验进行设计和选材；采用过大的安全系数；采用过大的安全系数；倾向于选用所谓倾向于选用所谓“万能材料万能材料”。n现代设计现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。的范围内使用，选材的安全系数越来越小，难度越来越大。n n机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤机械设计两大基本步骤结构设计结构设计结构设计结构设计材料设计材料设计材料设计材料设计 前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料科学知识水平和经验的不同有很大差异。料科学知识水平和经验的不同有很大差异。料科学知识水平和经验的不同有很大差异。料科学知识水平和经验的不同有很大差异。n n选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的选择材料和工艺实质是一种极重要的“零件内部组织结构设零件内部组织结构设零件内部组织结构设零件内部组织结构设计计计计”（材料设计）。（材料设计）。（材料设计）。（材料设计）。n n本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利于：改善产品质量，提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；改善产品质量，提高寿命提供改进措施；判定事故责任；判定事故责任；判定事故责任；判定事故责任；杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。杜绝类似事故发生提供依据。n材料选用原则材料选用原则 使用性原则使用性原则 工艺性原则工艺性原则 经济性原则经济性原则 环境与资源原则环境与资源原则 根本原则根本原则首要原则首要原则n使用性能原则使用性能原则使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则分析零件的工作条件；分析零件的工作条件；进行失效分析；进行失效分析；确定零件对使用性能的要求；确定零件对使用性能的要求；具体转化为力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；具体转化为力学性能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）；根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值。根据工作应力、使用寿命或安全性，确定性能指标的具体数值。n n利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：利用具体性能指标时，必须注意几个问题：材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。材料的性能指标各有其物理意义。l l有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等；l l有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标。指标。指标。指标。在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊性能指标作选材依据。依据。依据。依据。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值。n工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则工艺性能原则 设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上此选材在某种程度上“决定决定”了制造方法。了制造方法。一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选一旦发现不能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。定的材料将变得毫无意义。机械制造机械制造采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能热处理及表面改性处理进行性能的重塑。的重塑。制造过程的基本目的制造过程的基本目的制造过程的基本目的制造过程的基本目的l一定的形状和尺寸一定的形状和尺寸l一定的性能一定的性能l一定的精度一定的精度n金属材料的工艺路线金属材料的工艺路线粉粉末末冶冶金金焊焊接接塑塑性性成成形形铸铸造造毛毛 坯坯预先热处理预先热处理零零 件件切削加工切削加工最终热处理最终热处理n高分子材料的工艺路线高分子材料的工艺路线有机物原料或型材有机物原料或型材成形加工成形加工切削加工切削加工零零 件件焊接等焊接等热压、注塑、挤压、喷热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等射、真空成形等n陶瓷材料的工艺路线陶瓷材料的工艺路线粉末粉末成成 形形 加加 工工配料配料压制压制烧结烧结磨削加工磨削加工零件零件热处理热处理n经济性原则经济性原则经济性原则经济性原则 根本原则根本原则产品消费的总成本产品消费的总成本购置价格购置价格使用成本使用成本固定成本固定成本制造厂利润制造厂利润维护费维护费维修费维修费保险费保险费折旧费折旧费日常开支日常开支行政费行政费批发与零售费批发与零售费研究与开发费研究与开发费可变成本可变成本（生产成本）（生产成本）基本材料成本基本材料成本制造成本制造成本n基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本基本材料的成本在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的3070%。提炼和制取的成本；提炼和制取的成本；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等；材料的提纯、合金化（合成）成本材料的提纯、合金化（合成）成本；加工增值成本加工增值成本；供求关系所造成的价格波动。供求关系所造成的价格波动。我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格材材材材 料料料料相对价格相对价格相对价格相对价格材材材材 料料料料相对价格相对价格相对价格相对价格普通碳素结构钢普通碳素结构钢1铬不锈钢铬不锈钢5普通低合金结构钢普通低合金结构钢1.25铬镍不锈钢铬镍不锈钢15优质碳素结构钢优质碳素结构钢1.31.5灰口铸铁灰口铸铁1.4合金结构钢（合金结构钢（Cr-Ni钢钢除外）除外）1.72.5球墨铸铁球墨铸铁1.8铬镍合金结构钢（中铬镍合金结构钢（中合金钢）合金钢）5可锻铸铁可锻铸铁22.2滚珠轴承钢滚珠轴承钢3铸造铝合金、铜合金铸造铝合金、铜合金810碳素工具钢碳素工具钢1.6普通黄铜普通黄铜1317低合金工具钢低合金工具钢34锡青铜、铝青铜锡青铜、铝青铜19高速钢高速钢1620钛合金钛合金5080硬质合金硬质合金150200工程塑料工程塑料515n目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为目前在机械制造业中，我国钢材平均利用率为65%，而美国达到，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。n环境与资源原则环境与资源原则环境与资源原则环境与资源原则 能源和资源消耗少能源和资源消耗少重要金属的世界储量（重要金属的世界储量（2004年）年）储量（储量（储量（储量（10106 6t t）可用年数可用年数可用年数可用年数再生率再生率再生率再生率(%)(%)FeFe1101106 610910931.731.7AlAl11701170353516.916.9CuCu308308242440.940.9ZnZn123123181821.221.2MoMo5.45.43636AgAg0.20.2141441.041.0CrCr775775112112TiTi1471475151世界能源储藏量（2004年）种种种种 类类类类 项项项项 目目目目石油石油石油石油天然气天然气天然气天然气煤煤煤煤铀铀铀铀可开采储量可开采储量可开采储量可开采储量9970997099709970亿桶亿桶亿桶亿桶138138138138万亿万亿万亿万亿mmmm3 3 3 31 1 1 1，039039039039，272272272272吨吨吨吨200200200200万万万万吨吨吨吨可开采年限可开采年限可开采年限可开采年限45.545.545.545.5年年年年64646464年年年年219219219219年年年年74747474年年年年主要产地主要产地主要产地主要产地及储量比例及储量比例及储量比例及储量比例中东中东中东中东66.4%66.4%66.4%66.4%独联体、中东独联体、中东独联体、中东独联体、中东70%70%70%70%美、苏、中、澳美、苏、中、澳美、苏、中、澳美、苏、中、澳 70%70%70%70%环境污染小环境污染小材料材料矿物燃料能耗矿物燃料能耗排碳量排碳量MJ/kgMJ/m3kg/tkg/m3木材木材1.52.8750139030561528混凝土混凝土2.0480050120钢材钢材35266,0007005320一次铝一次铝4351,100,000870022,000再生铝再生铝1333,000生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量n可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择可持续发展战略下的材料选择 选择绿色材料选择绿色材料选择绿色材料选择绿色材料 绿色材料绿色材料绿色材料绿色材料：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或材料制品。其循环利用率高的材料或材料制品。其循环利用率高的材料或材料制品。其循环利用率高的材料或材料制品。其主要特点：主要特点：主要特点：主要特点：n n材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；材料本身性能的先进性；n n材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；材料使用的舒适性；n n材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与材料的绿色特性，或称环境协调性。包括生产过程中的资源与能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循环利用率高。环利用率高。环利用率高。环利用率高。太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于具有绿色特性的新型材料。具有绿色特性的新型材料。具有绿色特性的新型材料。具有绿色特性的新型材料。减少所用材料种类减少所用材料种类减少所用材料种类减少所用材料种类 尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。如设计一，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。如设计一，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。如设计一，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。如设计一个金属工具箱时，在结构上既要避免采用不同的金属焊接，个金属工具箱时，在结构上既要避免采用不同的金属焊接，个金属工具箱时，在结构上既要避免采用不同的金属焊接，个金属工具箱时，在结构上既要避免采用不同的金属焊接，又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组成，且每个独立分箱只宜用一种材料。成，且每个独立分箱只宜用一种材料。成，且每个独立分箱只宜用一种材料。成，且每个独立分箱只宜用一种材料。尽量选用不加涂、镀层的原材料尽量选用不加涂、镀层的原材料尽量选用不加涂、镀层的原材料尽量选用不加涂、镀层的原材料 现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且大部分涂料本身就有毒，且涂、镀工艺过程也给环境带来了大部分涂料本身就有毒，且涂、镀工艺过程也给环境带来了大部分涂料本身就有毒，且涂、镀工艺过程也给环境带来了大部分涂料本身就有毒，且涂、镀工艺过程也给环境带来了极大的污染。如涂料挥发毒性溶剂气体，电镀时产生的含铬极大的污染。如涂料挥发毒性溶剂气体，电镀时产生的含铬极大的污染。如涂料挥发毒性溶剂气体，电镀时产生的含铬极大的污染。如涂料挥发毒性溶剂气体，电镀时产生的含铬等重金属的废液、废渣污染等。等重金属的废液、废渣污染等。等重金属的废液、废渣污染等。等重金属的废液、废渣污染等。产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料 报废产品若不易分解且难于为自然界吸收，将对环境产生极报废产品若不易分解且难于为自然界吸收，将对环境产生极报废产品若不易分解且难于为自然界吸收，将对环境产生极报废产品若不易分解且难于为自然界吸收，将对环境产生极大的污染。高分子材料的加工和使用后的废弃物就属此例，大的污染。高分子材料的加工和使用后的废弃物就属此例，大的污染。高分子材料的加工和使用后的废弃物就属此例，大的污染。高分子材料的加工和使用后的废弃物就属此例，尤其是塑料包装材料造成的污染极为严重。现在国内外均在尤其是塑料包装材料造成的污染极为严重。现在国内外均在尤其是塑料包装材料造成的污染极为严重。现在国内外均在尤其是塑料包装材料造成的污染极为严重。现在国内外均在研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包研究在光合作用或生物作用下能自然分解的塑料用以制作包装材料和农用薄膜，这种新型塑料在废弃后，能在一定的时装材料和农用薄膜，这种新型塑料在废弃后，能在一定的时装材料和农用薄膜，这种新型塑料在废弃后，能在一定的时装材料和农用薄膜，这种新型塑料在废弃后，能在一定的时间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经自然界的侵蚀进间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经自然界的侵蚀进间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经自然界的侵蚀进间内经光合作用而脆化、降解成碎片，再经自然界的侵蚀进入土壤而被微生物消化入土壤而被微生物消化入土壤而被微生物消化入土壤而被微生物消化(即生化作用即生化作用即生化作用即生化作用)，不再给环境造成污染。，不再给环境造成污染。，不再给环境造成污染。，不再给环境造成污染。选用易回收再生的材料选用易回收再生的材料选用易回收再生的材料选用易回收再生的材料 废弃材料若易回收再生，既可减轻环境污染，又利于资源的废弃材料若易回收再生，既可减轻环境污染，又利于资源的废弃材料若易回收再生，既可减轻环境污染，又利于资源的废弃材料若易回收再生，既可减轻环境污染，又利于资源的再利用，节约能源，减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济再利用，节约能源，减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济再利用，节约能源，减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济再利用，节约能源，减少废弃垃圾占放地，社会效益和经济效益好。效益好。效益好。效益好。第三节第三节 典型零件的选材典型零件的选材齿轮工作时的受力情况齿轮工作时的受力情况l由于传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；由于传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；l齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并产生强烈的摩擦；齿面相互滚动和滑动，承受较大的接触应力并产生强烈的摩擦；l在换挡、启动或啮合不良时，齿部承受一定的冲击载荷；在换挡、启动或啮合不良时，齿部承受一定的冲击载荷；l因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等因加工、安装不当或齿、轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑等硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷使工作条件恶化。硬质微粒的侵入，都会成为附加载荷使工作条件恶化。齿轮的主要失效形式齿轮的主要失效形式根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是根据齿轮的工作条件，其主要失效形式是断齿断齿，齿面剥落齿面剥落、磨损及过量塑性变形磨损及过量塑性变形等。等。n齿轮类零件的选材齿轮类零件的选材齿轮对材料性能的要求齿轮对材料性能的要求根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备：根据齿轮的受力情况和失效形式，要求齿轮应具备：l具有高的接触疲劳强度；具有高的接触疲劳强度；l高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度；l高的齿面硬度和耐磨性；高的齿面硬度和耐磨性；l足够的心部强度和韧性；足够的心部强度和韧性；l淬火变形及组织内部缺陷控制在允许的范围内等。淬火变形及组织内部缺陷控制在允许的范围内等。齿轮常用材料及选用齿轮常用材料及选用齿轮常用材料及选用齿轮常用材料及选用齿轮的选材主要依据其工作条件（如圆周速度、载荷性质与齿轮的选材主要依据其工作条件（如圆周速度、载荷性质与齿轮的选材主要依据其工作条件（如圆周速度、载荷性质与齿轮的选材主要依据其工作条件（如圆周速度、载荷性质与大小以及精度要求等）来确定。大小以及精度要求等）来确定。大小以及精度要求等）来确定。大小以及精度要求等）来确定。n n根据齿轮的性能要求，一般选用根据齿轮的性能要求，一般选用根据齿轮的性能要求，一般选用根据齿轮的性能要求，一般选用低、中碳钢或低、中碳合金低、中碳钢或低、中碳合金低、中碳钢或低、中碳合金低、中碳钢或低、中碳合金钢钢钢钢，并对轮齿表面进行，并对轮齿表面进行，并对轮齿表面进行，并对轮齿表面进行强化处理强化处理强化处理强化处理，使轮齿表面有较高强度和，使轮齿表面有较高强度和，使轮齿表面有较高强度和，使轮齿表面有较高强度和硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较硬度，心部有较好的韧性。此类钢材的工艺性良好，价格较便宜。便宜。便宜。便宜。n n速度较小的齿轮，常选用速度较小的齿轮，常选用速度较小的齿轮，常选用速度较小的齿轮，常选用非铁金属材料非铁金属材料非铁金属材料非铁金属材料，如仪器仪表齿轮常，如仪器仪表齿轮常，如仪器仪表齿轮常，如仪器仪表齿轮常选用黄铜、铝青铜等，随着高分子材料性能的不断完善，工选用黄铜、铝青铜等，随着高分子材料性能的不断完善，工选用黄铜、铝青铜等，随着高分子材料性能的不断完善，工选用黄铜、铝青铜等，随着高分子材料性能的不断完善，工程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。程塑料制的齿轮也在越来越多的场合得到应用。n n对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要的齿轮，常选用的不重要的齿轮，常选用的不重要的齿轮，常选用的不重要的齿轮，常选用铸铁铸铁铸铁铸铁并适当热处理。近年来球墨铸并适当热处理。近年来球墨铸并适当热处理。近年来球墨铸并适当热处理。近年来球墨铸铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及铁应用范围越来越广，对于润滑条件差而要求耐磨的齿轮及要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体要求耐冲击、高强度、高韧性和耐疲劳的齿轮，可用贝氏体球墨铸铁代替渗碳钢。球墨铸铁代替渗碳钢。球墨铸铁代替渗碳钢。球墨铸铁代替渗碳钢。机床齿轮的选材机床齿轮的选材机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无机床齿轮主要用于传递动力，改变运动速度和方向，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。一般选用强烈冲击，转速也不很高，工作条件较好。一般选用调质钢调质钢制造，如制造，如4040钢，钢，4545钢，钢，40Cr40Cr，42SiMn42SiMn等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火等，经调质（或正火）、高频感应加热淬火、低温回火即可达到使用要求。即可达到使用要求。随