學(xué)習(xí)成果達(dá)成要求能夠通過掌握材料選擇的主要原則和性能指標(biāo)，并運(yùn)用于典型機(jī)械零件設(shè)計(jì)中。能夠通過合理選材，實(shí)現(xiàn)工程材料在刀具、汽車及航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。能夠了解新材料的發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)工程材料的發(fā)展和應(yīng)用。工程材料在機(jī)械零部件上的應(yīng)用工程材料在刀具上的應(yīng)用工程材料在汽車上的應(yīng)用工程材料的選擇與應(yīng)用工程材料在航空航天上的應(yīng)用PART1工程材料在機(jī)械零部件上的應(yīng)用零件的失效形式材料選擇的基本原則和方法典型零件的材料選擇11.1.1零件的失效形式失效是指機(jī)械零件失去正常條件下所應(yīng)具有的工作能力的現(xiàn)象。失效分析指對(duì)失效產(chǎn)品為尋找失效原因和預(yù)防措施所進(jìn)行的一切技術(shù)活動(dòng)，即判斷失效的模式，查找失效原因和機(jī)理，提出預(yù)防再失效的對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。1.基本概念11.1.1零件的失效形式11.1.1零件的失效形式斷裂失效是指機(jī)械零件在工作過程中由于應(yīng)力的作用發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象。2.斷裂失效11.1.1零件的失效形式2.斷裂失效塑性斷裂：塑性斷裂是零件承載截面上所受到的應(yīng)力已超過零件的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生塑性變形，直至發(fā)生斷裂的現(xiàn)象?！獢嗔逊绞焦こ躺狭慵乃苄詳嗔呀?jīng)常是以韌性斷裂的形式出現(xiàn)，其危險(xiǎn)性較小，因?yàn)轫g性斷裂在斷裂前已發(fā)生明顯的塑性變形，起到預(yù)先提示作用。11.1.1零件的失效形式2.斷裂失效低應(yīng)力脆性斷裂：低應(yīng)力脆性斷裂是指零件在所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。

——斷裂方式常出現(xiàn)在有尖角、缺口或有裂紋的零件中，特別是當(dāng)?shù)蜏鼗蚴軟_擊載荷時(shí)。脆性斷裂沒有可見的預(yù)兆，往往會(huì)帶來災(zāi)難性的后果，是最危險(xiǎn)的零件失效形式。11.1.1零件的失效形式2.斷裂失效疲勞斷裂：疲勞斷裂是指零件在交變循環(huán)應(yīng)力多次作用時(shí)，在比靜載屈服應(yīng)力低得多的應(yīng)力下發(fā)生突然斷裂，斷裂前往往沒有明顯征兆?！獢嗔逊绞教攸c(diǎn)：低應(yīng)力突然性斷口能清楚顯示裂紋萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)階段11.1.1零件的失效形式2.斷裂失效蠕變斷裂：蠕變斷裂是材料在高溫下強(qiáng)度隨溫度升高而降低或高溫下材料的強(qiáng)度隨加載時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，最終斷裂的現(xiàn)象?！獢嗔逊绞饺渥儯翰牧显陂L(zhǎng)時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。常與溫度有關(guān)。11.1.1零件的失效形式過量變形失效

：是指零件在工作中收到外力作用，發(fā)生過量的彈性變形或塑性變形而失效的現(xiàn)象。3.過量變形失效過量彈性變形失效過量塑性變形失效11.1.1零件的失效形式表面損傷失效：是指零件在工作過程中,由于機(jī)械的和化學(xué)的作用,使工作表面受到嚴(yán)重?fù)p傷,不能繼續(xù)正常工作，這種失效稱為表面損傷失效。4.表面損傷失效11.1.1零件的失效形式磨損失效：指在機(jī)械力的作用下，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面之間發(fā)生摩擦，材料以細(xì)屑的形式逐漸磨耗，使零件的表面材料不斷損失從而導(dǎo)致零件最終失效的一種形式。4.表面損傷失效——作用機(jī)理磨粒磨損黏著磨損降低摩擦系數(shù)增加潤(rùn)滑提高硬度11.1.1零件的失效形式表面疲勞失效：指相對(duì)滾動(dòng)接觸的零件，在工作過程中由于交變接觸應(yīng)力的長(zhǎng)期作用，使表層材料發(fā)生疲勞破壞而剝落的現(xiàn)象，又稱疲勞點(diǎn)蝕。4.表面損傷失效——作用機(jī)理提高硬度及強(qiáng)度提高潤(rùn)滑劑黏度限制夾雜物數(shù)量11.1.1零件的失效形式腐蝕失效：指零件表面由于與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)引起表面損傷的現(xiàn)象。4.表面損傷失效——作用機(jī)理材料的組織及結(jié)構(gòu)工作介質(zhì)11.1.2材料選擇的基本原則和方法1.使用性能原則工況條件使用性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能受力狀況環(huán)境狀況特殊要求11.1.2材料選擇的基本原則和方法2.工藝性能原則工藝性能原則金屬材料的工藝性能高分子材料的工藝性能陶瓷材料的工藝性能11.1.2材料選擇的基本原則和方法零件的經(jīng)濟(jì)性：指材料成本低、供應(yīng)充分、加工工藝過程簡(jiǎn)單、廢品率低等。3.經(jīng)濟(jì)性原則材料的價(jià)格零件的總成本資源消耗狀況11.1.3典型零件的材料選擇軸

是機(jī)械中非常重要和關(guān)鍵的零件，軸質(zhì)量的好壞直接影響機(jī)器的精度和使用壽命。1.軸類零件——選材分析選材要求：良好的綜合力學(xué)性能高的疲勞強(qiáng)度良好的耐磨性11.1.3典型零件的材料選擇1.軸類零件——選材分析選材原則：受力較小，不重要的軸一般選用普通碳素鋼受彎扭交變載荷的一般軸廣泛使用中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理同時(shí)承受軸向和彎扭交變載荷，又承受一定沖擊的較重要的軸，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼承受較重交變載荷、沖擊載荷和強(qiáng)烈摩擦的軸，可選用低合金滲碳鋼承受較重交變載荷和強(qiáng)烈摩擦、轉(zhuǎn)速高、精度要求高的重要軸，可選用滲氮鋼對(duì)主要經(jīng)受交變扭轉(zhuǎn)載荷、沖擊較小、要求耐磨而又結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軸，可選用球墨鑄鐵11.1.3典型零件的材料選擇1.軸類零件——選材與加工路線實(shí)例

機(jī)床主軸受力形式：彎曲扭轉(zhuǎn)失效形式：磨損

疲勞斷裂下料-鍛造-正火或退火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-軸頸高頻淬火及低溫回火-磨削調(diào)質(zhì)鋼主軸滲碳鋼主軸下料-鍛造-正火-粗、精加工-滲碳-淬火及低溫回火-磨削工藝路線：11.1.3典型零件的材料選擇1.軸類零件——選材與加工路線實(shí)例

內(nèi)燃機(jī)曲軸受力形式：彎曲、扭轉(zhuǎn)

剪切、拉壓

沖擊失效形式：軸頸磨損

疲勞斷裂下料-鍛造-退火-粗車-調(diào)質(zhì)-細(xì)車-低溫退火-精車-探傷-表面淬火-低溫回火-校直-低溫去應(yīng)力-探傷-鏜孔-粗磨-精磨-探傷合金鋼主軸球墨鑄鐵曲軸熔鑄-正火-切削加工-表面處理-成品工藝路線：11.1.3典型零件的材料選擇1.軸類零件——選材與加工路線實(shí)例

汽車半軸受力形式：扭轉(zhuǎn)力矩反復(fù)彎曲沖擊載荷失效形式：花鍵磨損

疲勞斷裂工藝路線：下料-鍛造-正火-機(jī)械加工-調(diào)質(zhì)-盤部鉆孔-磨削花鍵11.1.3典型零件的材料選擇1.軸類零件——選材與加工路線實(shí)例

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸工作條件：高溫

高速重載工藝路線：備料-模鍛-正火+高溫回火-機(jī)械粗加工-調(diào)質(zhì)-機(jī)械精加工-磁力探傷-檢驗(yàn)-發(fā)藍(lán)

齒輪是應(yīng)用最廣的機(jī)械零件，其工作條件主要是用來傳遞扭矩和動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材分析低速齒輪1-6m/s低速輕載齒輪低速大型從動(dòng)齒輪中速齒輪6-10m/s難以淬透，在鑄態(tài)或正貨狀態(tài)下使用下料-鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-齒形加工下料-鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-表面淬火-低溫回火-磨削齒輪是應(yīng)用最廣的機(jī)械零件，其工作條件主要是用來傳遞扭矩和動(dòng)力，改變運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度。11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材分析高速齒輪特殊用途齒輪齒輪高速中載受沖擊齒輪高速重載大沖擊動(dòng)力傳動(dòng)齒輪下料-鍛造-正火-機(jī)械加工-滲碳-淬火-低溫-回火-磨削下料-鍛造-正火-機(jī)械加工-滲碳-淬火-低溫回火-磨削精密齒輪儀表齒輪或輕載齒輪輕載無潤(rùn)滑齒輪下料-鍛造-正火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-去應(yīng)力退火-粗磨-滲氮-精磨11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材與加工路線實(shí)例

機(jī)床齒輪底載荷，平穩(wěn)運(yùn)行：調(diào)質(zhì)鋼（45鋼、40Cr）大沖擊、高精度：滲碳鋼（20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo）下料-鍛造-正火或退火-粗加工-調(diào)質(zhì)-精加工-高頻率淬火及低溫回火-精磨下料-鍛造-正火-粗、精加工-滲碳-淬火及低溫回火-精磨11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材與加工路線實(shí)例

汽車齒輪工作條件：高轉(zhuǎn)速

頻繁沖擊常用材料：20Cr、20CrMnTi、20MnVB

工藝路線：

下料-鍛造-正火-粗、精加工-滲碳-淬火

及低溫回火-噴丸-磨削11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材與加工路線實(shí)例

內(nèi)燃機(jī)車齒輪常用材料：20Cr變速箱齒輪和從動(dòng)牽引齒輪主動(dòng)牽引齒輪常用材料：20CrMnTi、20CrMnMo

下料-鍛造-880℃正火-粗車-860～870℃淬火-620℃高溫回火+油冷-精加工-高頻淬火-180～200℃低溫回火-磨齒-檢驗(yàn)下料-鍛造-880℃退火-粗、精加工-930℃氣體滲碳-空冷至800℃在硝酸鹽中保溫30min并在油中分級(jí)淬火-180℃低溫回火-空冷-磨齒-檢驗(yàn)11.1.3典型零件的材料選擇2.齒輪類零件——選材與加工路線實(shí)例

塑料齒輪11.1.3典型零件的材料選擇箱體支撐件是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件，軸和齒輪等零件安裝在箱體中，以保持相互的位置并協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器上各個(gè)部件的重量都由箱體和支承件承擔(dān)，主要受壓應(yīng)力，部分受拉應(yīng)力。3.箱體支撐類零件——選材分析失效形式：變形過大振動(dòng)過大選材要求：大彈性模量減震性好強(qiáng)度、剛度高11.1.3典型零件的材料選擇3.箱體支撐類零件——選材實(shí)例鑄鐵的彈性模量高，價(jià)格便宜，鑄造工藝性能又很好，還有較好的吸振、耐磨、自潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于制造箱體類零件，機(jī)器中的箱體零件80%以上都是鑄鐵材料。

11.1.3典型零件的材料選擇汽輪機(jī)葉片是汽輪機(jī)中極為主要的零件，葉片一般都處在高溫，高壓和腐蝕的介質(zhì)下工作，動(dòng)葉片還以很高的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。4.汽輪機(jī)葉片性能要求：足夠的室溫和高溫力學(xué)性能良好的減振性高的組織穩(wěn)定性良好的耐蝕性及抗沖蝕穩(wěn)定性良好的冷、熱加工工藝性——性能要求11.1.3典型零件的材料選擇4.汽輪機(jī)葉片——材料選擇鉻不銹鋼強(qiáng)化型鉻不銹鋼低合金珠光體耐熱鋼鋁合金和鈦合金11.1.3典型零件的材料選擇軸承是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦部件。5.軸承——套圈和滾動(dòng)體選材11.1.3典型零件的材料選擇5.軸承——套圈和滾動(dòng)體選材高碳鉻軸承鋼滲碳軸承鋼高溫軸承鋼耐腐蝕軸承鋼防磁材料11.1.3典型零件的材料選擇5.軸承——保持架和其他軸承零件選材選材要求：良好的工藝性能低的制造成本PART2工程材料在刀具上的應(yīng)用刀具材料應(yīng)滿足的性能要求常用刀具材料的類型、特點(diǎn)及選用高速工具鋼

硬質(zhì)合金刀具材料超硬刀具材料11.2.1刀具材料應(yīng)滿足的性能要求性能要求：高的硬度和耐磨性足夠的強(qiáng)度和韌性高的耐熱性良好的化學(xué)穩(wěn)定性良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，便于加工制造刀具材料通常是指刀具切削部分的材料，其性能的好壞將直接影響加工精度、切削效率、刀具壽命和加工成本。11.2.2常用刀具材料的類型、特點(diǎn)及選用刀具材料：碳素工具鋼高速工具鋼硬質(zhì)合金陶瓷立方氮化硼金剛石11.2.2常用刀具材料的類型、特點(diǎn)及選用11.2.3高速工具鋼特點(diǎn)：很高的熱硬性較高的耐磨性高的強(qiáng)度和韌性良好的綜合力學(xué)性能適合制造小型刀具及形狀復(fù)雜的刀具高速工具鋼是在工具鋼中加入較多的鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、釩(V)等合金的高合金工具鋼，俗稱為白鋼或鋒鋼。11.2.3高速工具鋼鎢系高速工具鋼鎢鉬系高速工具鋼普通高速工具鋼高性能高速工具鋼鈷高速工具鋼鋁高速工具鋼粉末冶金高速工具鋼11.2.4硬質(zhì)合金刀具材料性能：硬度、耐磨性和

熱硬性高于高速工具鋼抗彎強(qiáng)度較低脆性較大加工工藝性較差硬質(zhì)合金是由高硬度、高镕點(diǎn)的金屬碳化物(WC，TiC，TaC和NbC等)微粉，用Co或Mo，Ni等金屬成分作為黏結(jié)劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的粉末冶金制品。11.2.4硬質(zhì)合金刀具材料11.2.5超硬刀具材料1.涂層硬質(zhì)合金

在韌性較好的硬質(zhì)合金刀具上涂覆一層或多層耐磨性好的TiN、TiCN、TiAlN和Al2O3等。一方面涂層通常具有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)，減弱了刀具基體的熱作用；另一方面能有效地改善切削過程的摩擦和黏附作用，降低切削熱的生成。涂層硬質(zhì)合金刀具與硬質(zhì)合金刀具相比，無論在強(qiáng)度、硬度還是耐磨性方面均有了很大提高。11.2.5超硬刀具材料2.陶瓷氧化鋁基陶瓷氮化硅基陶瓷復(fù)合氮化硅-氧化鋁基陶瓷特性：高硬度（HRA91-95）高強(qiáng)度（抗彎強(qiáng)度750-1000MPa）耐磨性好化學(xué)穩(wěn)定性好抗黏結(jié)性能好摩擦系數(shù)低耐高溫11.2.5超硬刀具材料3.立方氮化硼（CBN）立方氮化硼(CBN)晶體結(jié)構(gòu)類似金剛石，硬度略低于金剛石，HV7200～9800，常用作磨料和刀具材料。硬度高化