第十二章 工程材料的合理选用

1、第十二章 工程材料的合理选用选用工程材料的基本原则：首先要考虑材料的使用性能能够适应机械零件的工作条件要求、使机器经久耐用，同时还要兼顾材料的加工工艺性能、经济性与可持续发展性，以提高零件的生产率、降低成本、减少能耗、减少乃至避免环境污染等。第一节 零件的失效一、失效及其形式 零件的失效是指零件严重损伤，完全破坏，丧失使用价值，或继续工作不安全，或虽能安全的工作，但不能保证工作精度或达不到预期工效。例如，齿轮在工作过程中磨损而不能正常啮合及传递动力；主轴在工作过程中变形而失去精度；弹簧因疲劳或受力过大而失去弹性等，均属失效。 零件的失效，尤其是无明显预兆的失效，往往会带来巨大的危害，甚至造成严

2、重事故。因此，对零件失效进行分析，查出失效原因，提出防止措施是十分重要的。通过失效分析，为改进零件结构设什、修正加工工艺、更换村料等提出可靠依据。第一节 零件的失效 （1）断裂失效 指零件完全断裂而无法工作的失效。断裂方式有塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力脆性断裂等。 （2）过量变形 指零件变形量超过允许范围而造成的失效。过量变形失效主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。 （3）表面损伤失效 指零件在工作中，因机械和化学作用，使其表面损伤而造成的失效。表面损伤失效生要有表面磨损失效、表面腐蚀失效、表面疲劳失效。失效的形式：第一节 零件的失效二、失效原因1、设计不合理2、选材不合理3、加

3、工工艺不当4、安装使用不正确第二节 选材的原则、方法与步骤选材的一般原则选材的一般原则( (一一) )满足使用性能满足使用性能1 1、分析零件的工作条件、分析零件的工作条件工作条件是指工作条件是指受力形式受力形式( (拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复合等合等) )、载荷性质载荷性质( (静载、动载、冲击、载荷分布等静载、动载、冲击、载荷分布等) )、受摩擦磨受摩擦磨损损情况；情况；工作环境条件工作环境条件( (如环境介质、工作温度等如环境介质、工作温度等) )；以及；以及导电、导电、导热导热等特殊要求。等特殊要求。2 2、判断主要失效形式、判断主要失效形式零件的失效

4、形式与其特定的工作条件是分不开的。要深入零件的失效形式与其特定的工作条件是分不开的。要深入现场，收集整理有关资料，进行相关的实验分析，判断失效的现场，收集整理有关资料，进行相关的实验分析，判断失效的主要形式及原因，找出原设计的缺陷，提出改进措施，确定所主要形式及原因，找出原设计的缺陷，提出改进措施，确定所选材料应满足的主要力学性能指标，为正确选材提供具有实用选材料应满足的主要力学性能指标，为正确选材提供具有实用意义的信息，确保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。意义的信息，确保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。 第二节 选材的原则、方法与步骤3 3、合理选用材料的力学性能指标、合理选

5、用材料的力学性能指标(1)(1)正确运用材料的强度、塑性、韧性等指标正确运用材料的强度、塑性、韧性等指标一般情况下，材料的强度越高，其塑性、韧性越低。通常一般情况下，材料的强度越高，其塑性、韧性越低。通常状况下以强度计算为主，塑性和韧性指标一般不直接用于设计状况下以强度计算为主，塑性和韧性指标一般不直接用于设计计算。计算。 (2)(2)巧用硬度与强度等力学指标间的关系巧用硬度与强度等力学指标间的关系4 4、综合考虑多种因素、综合考虑多种因素若零件在特殊的条件下工作，则选材的主要依据也应视若零件在特殊的条件下工作，则选材的主要依据也应视具体条件而定，如选用高分子材料（如用尼龙绳作吊具等），具体条

6、件而定，如选用高分子材料（如用尼龙绳作吊具等），还要考虑在使用时，温度、光、水、氧、油等周围环境对其还要考虑在使用时，温度、光、水、氧、油等周围环境对其性能的影响，所以防老化则必须作为其重要的选材依据。性能的影响，所以防老化则必须作为其重要的选材依据。第二节 选材的原则、方法与步骤5 5、根据使用性能选材时应注意的问题、根据使用性能选材时应注意的问题(1)(1)特别注意性能数据的可靠性和使用范围特别注意性能数据的可靠性和使用范围(2)(2)充分考虑材料的尺寸效应充分考虑材料的尺寸效应 随着截面尺寸的增随着截面尺寸的增大，金属材料的力学性能将下降的现象，称为尺寸效大，金属材料的力学性能将下降的现

7、象，称为尺寸效应。应。 (3)(3)零件的力学性能指标受预期寿命的影响零件的力学性能指标受预期寿命的影响 寿命寿命越长，要求的指标越高，零件的生产和使用成本也会越长，要求的指标越高，零件的生产和使用成本也会越高，所以要辩证处理制造成本与寿命的关系。越高，所以要辩证处理制造成本与寿命的关系。(4)(4)工作环境对不同材料组织和性能的影响工作环境对不同材料组织和性能的影响 如工如工程塑料、橡胶等，不仅其力学性能受环境条件的影响程塑料、橡胶等，不仅其力学性能受环境条件的影响很大，而且其物理、化学性能也会随环境条件的变化很大，而且其物理、化学性能也会随环境条件的变化而变化；而变化；第二节 选材的原则、

8、方法与步骤( (二二) )兼顾材料的工艺性能兼顾材料的工艺性能所谓工艺性能，一般是指材料适应某种加工的能所谓工艺性能，一般是指材料适应某种加工的能力，或加工成零部件的难易程度。力，或加工成零部件的难易程度。 金属材料的工艺性能包括铸造性、压力加工性能、金属材料的工艺性能包括铸造性、压力加工性能、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等；焊接性、切削加工性、热处理工艺性等； 陶瓷零件的形状、尺寸精度和性能要求不同，陶瓷陶瓷零件的形状、尺寸精度和性能要求不同，陶瓷材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能材料采用的成形方法也不同，陶瓷材料切削加工性能差；差； 同一种塑料因加工方法不同，其制品的使用性

9、能会同一种塑料因加工方法不同，其制品的使用性能会产生很大的差异。产生很大的差异。第二节 选材的原则、方法与步骤(三三)充分考虑经济性充分考虑经济性 1、尽量降低材料及其加工成本、尽量降低材料及其加工成本 在满足零件对使在满足零件对使用性能与工艺性能要求的前提下，能用铁不用钢，用性能与工艺性能要求的前提下，能用铁不用钢，能用非合金钢不用合金钢，能用硅锰钢不用铬镍钢，能用非合金钢不用合金钢，能用硅锰钢不用铬镍钢，能用型材不用锻件。能用型材不用锻件。 2、用非金属材料代替金属材料、用非金属材料代替金属材料 非金属材料的资非金属材料的资源丰富，性能也在不断提高，应用范围不断扩大，源丰富，性能也在不断提

10、高，应用范围不断扩大，尤其是发展较快的聚合物具有很多优异的性能，在尤其是发展较快的聚合物具有很多优异的性能，在某些场合可代替金属材料，既改善了使用性能，又某些场合可代替金属材料，既改善了使用性能，又可降低制造成本和使用维护费用。可降低制造成本和使用维护费用。 3、零件的总成本、零件的总成本 第二节 选材的原则、方法与步骤选材的方法与步骤选材的方法与步骤1 1、选材的方法、选材的方法 (1)(1)以综合力学性能为主时的选材以综合力学性能为主时的选材 当零件工当零件工作中承受冲击载荷或循环载荷时，其失效形式作中承受冲击载荷或循环载荷时，其失效形式主要是过量变形与疲劳断裂，因此，要求材料主要是过量变

11、形与疲劳断裂，因此，要求材料具有较高的强度、疲劳强度、塑性与韧性，即具有较高的强度、疲劳强度、塑性与韧性，即要求有较好的综合力学性能。要求有较好的综合力学性能。 (2)(2)以疲劳强度为主时的选材以疲劳强度为主时的选材 (3)(3)以耐磨性为主时的选材以耐磨性为主时的选材 (4)(4)摩擦较大摩擦较大 (5)(5)同时受磨损与交变应力、冲击应力的零件同时受磨损与交变应力、冲击应力的零件 第二节 选材的原则、方法与步骤2 2、选材的步骤、选材的步骤(1)(1)分析零件的工作条件及可能的失效形式，确定控制分析零件的工作条件及可能的失效形式，确定控制失效的关键性能指标（使用性能和工艺性能），以此作失

12、效的关键性能指标（使用性能和工艺性能），以此作为选材的依据。为选材的依据。(2)(2)对同类或相近零件的用材情况进行调查研究，可从对同类或相近零件的用材情况进行调查研究，可从其使用性能、材料供应、材料价格、加工工艺性能等方其使用性能、材料供应、材料价格、加工工艺性能等方面进行综合分析以供参考，拟定较为合理的选材方案。面进行综合分析以供参考，拟定较为合理的选材方案。 (3)(3)针对所确定的零件性能要求，找出关键性能要求。针对所确定的零件性能要求，找出关键性能要求。通过力学计算或辅以试验等方法确定零件应具有的力学通过力学计算或辅以试验等方法确定零件应具有的力学性能判据或理化性能判据。性能判据或理化性能判据。第二节 选材的原则、方法与步骤(4)(4)针对具体情况，合理选材。针对具体