材料选择概述.docx
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材料选择概述
(一)使用性能原则----首要原则
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。
i载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。
ii计算应力是确定材料使用性能的数量依据。
∙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。
受力状况
载荷的类型(如静载、动载、循环载荷或单调载荷等),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)。
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)。
特殊功能
导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。
2.进行失效分析
失效抗力取决于材料的性能,对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。
几种常用零件的工作条件和失效形式
零件
工作条件
常用失效形式
性能要求
应力种类
载荷性质
受载状态
螺栓
拉、剪
静载
──
过量变形,断裂
强度,塑性
传动轴
弯、扭
循环,冲击
轴颈摩擦
疲劳断裂,过量变形,轴颈磨损
综合力学性能
传动齿轮
压、弯
循环,冲击
摩擦,振动
断齿,磨损,疲劳断裂,接触疲劳
表面高强度及疲劳极限,心部强度及韧性
弹簧
扭、弯
交变,冲击
振动
弹性失稳,疲劳破坏
弹性极限,屈强比,疲劳极限
3.零件性能要求的指标化
将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标(如强度、韧性、塑性、硬度等);
再根据工作应力、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。
(1)受力状况不同,设计依据的性能指标、计算公式不同。
例如:
σ≤[σ]=σs∕k屈服强度
纯剪纯拉载荷---弯曲和扭转载荷
(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标,并加以合理的配合。
∙塑性、韧性过剩而降低零件寿命。
例如用35CrMo制造的10t模锻锤锤杆
调质处理(高塑性、韧性----承受较大的冲击载荷)----疲劳断裂
淬火+中温回火(表面硬度提高)----寿命提高3~20倍以上。
∙追求强度越高越好,贸然将零件置于低应力脆断的危险中。
例如高周疲劳断裂
材料的强度在σb<1400MPa范围内----强度越高,疲劳强度亦高
若材料的强度在σb>1400Mpa范围----疲劳寿命随强度的增加反而降低
在利用具体性能指标进行选材时,必须注意实验室指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。
中碳钢(0.4%C)不同尺寸毛坯的力学性能
热处理条件
毛坯尺寸/mm
σb/MPa
δ/%
Ak/J
850淬火
5
30
800
750
16
15
120
80
500回火
50
100
700
600
15
13
56
40
(二)工艺性能原则:
1.金属材料的工艺性能
图11-1金属零件的加工工艺路线
性能、质量要求不高的零件
毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。
如铸铁或碳钢,只要注意采用适宜的毛坯制造方法,其工艺性能均能满足要求。
性能要求较高的零件(如轴、齿轮等)
毛坯─→预先热处理(正火、退火)─→粗加工─→最终热处理(淬火十回火,固溶时效,渗碳处理等)─→精加工─→零件。
金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等,其中有些材料的加工性能存在问题,因此选材时应注意对其工艺性能的分析。
性能和质量要求极高的零件(如精密丝杠)
毛坯─→预先热处理(正火、退火)─→粗加工─→最终热处理(淬火+低温回火,固溶时效或渗碳)─→半精加工─→稳定化处理(或氮化)─→精加工─→稳定化处理─→零件。
加工路线复杂,加工精度和质量要求高,在选材时应务必保证材料的工艺性能。
2.高分子材料的工艺性能
图11-2高分子材料的加工工艺路线
表11-7高分子材料主要成形工艺特点
工艺
适用材料
形状
表面光洁度
尺寸精度
模具费用
生产率
热压成形
范围较广
复杂形状
很好
好
高
中等
喷射成形
热塑性塑料
复杂形状
很好
非常好
很高
高
热挤成形
热塑性塑料
棒类
好
一般
低
高
真空成形
热塑性塑料
棒类
一般
一般
低
低
3.陶瓷材料的工艺性能
成形后,受陶瓷加工性能的局限,除了可以用碳化硅或金刚石砂轮磨削加工外,几乎不能进行任何其它加工。
因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其加工性能的限制。
图11-3陶瓷材料的加工工艺路线
表11-8陶瓷材料成形工艺的比较
工艺
优点
缺点
粉浆成形
可做形状复杂件、薄壁件,成本低
收缩大,尺寸精度低,生产率低
压制成形
可做形状复杂件,有高密度和高强度,精度较高
设备较复杂,成本高
挤压成形
成本低,生产率高
不能做薄壁件,形状要对称
可塑成形
尺寸精度高,可做形状复杂件
成本高
(三)经济性原则棗根本原则
产品成本与性能的关系:
图11-4产品成本分析
1.基本材料的成本
材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额(30~70%)。
∙选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一;
∙提高材料的利用程度,降低制造过程中的材料消耗量(我国钢材利用率平均为65%,而美国达到80%)。
常见工程材料价格
材料
价格(美元/t)
材料
价格(美元/t)
铂
26,000,000
工业金刚石
900,000,000
金
19,100,000
硼―环氧树脂复合材料
330,000
钨
26,000
碳纤维复材料(CFRP)
200,000
钛合金
10,190~12,720
玻璃纤维复合材料(GFRP)
2400~3300
黄铜(型材)
1650~2336
尼龙66
3289
铝合金(型材)
2000~2440
环氧树脂
1650
低碳钢(型材)
440~480
天然橡胶
1430
铸铁
260
Al2O3
1100-1760
硬质合金
66,000
玻璃
1500
我国常用金属材料的相对价格
材料
相对价格
材料
相对价格
普通碳素结构钢
1
铬不锈钢
5
优质碳素结构钢
1.3~1.5
铬镍不锈钢
15
合金结构钢(Cr-Ni钢除外)
1.7~2.5
灰口铸铁
~1.4
铬镍合金结构钢(中合金钢)
5
铸造铝合金、铜合金
8~10
滚珠轴承钢
3
普通黄铜
13~17
低合金工具钢
3~4
锡青铜、铝青铜
19
高速钢
16~20
钛合金
50~80
硬质合金
150~200
(工程塑料)
5~15
基本材料的价格的影响因素:
∙提炼和制取的成本
∙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
∙加工增值成本
∙供求关系所造成的价格波动
常见金属矿物资源的品位
矿石品种
品位
矿石品种
品位
典型铁矿石
60~65%Fe
典型铀矿石
0.2%U
典型铜矿石
1~1.5%Cu
典型金矿石
0.0001~0.001%Au
2.制造成本。
加工成本约占零件成本的30%左右,生产批量越少,这一比例越高。
总成本P=T+xN,T为工具与设备费用,x代表每件产品的成本,N为生产批量(件/批)。
图11-5产量对制造成本的影响
(四)环境与资源原则
随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化,材料的环境和资源准则在今后会变得日益重要。
这一准则要求材料在生产──使用──废弃的全过程中,对能源和资源的消耗少,对生态环境影响小,可以完全再生利用或废弃时完全降解。
1.能源和资源消耗少
世界能源储藏量
石油
天然气
煤
铀
可开采储量
9970亿桶
138万亿m3
1,039,272吨
200万吨
可开采年限
45.5年
64年
219年
74年
主要产地及储量比例
中东66.4%
独联体、中东70%
美、苏、中、澳>70%
重要金属的世界储量
储量(106t)
可用年数
再生率(%)
Fe
1×106
109
31.7
Al
1170
35
16.9
Cu
308
24
40.9
Zn
123
18
21.2
Mo
5.4
36
Ag
0.2
14
41.0
Cr
775
112
Ti
147
51
∙ 通过产品的小型化,材料轻量化,减少材料的绝对使用量;
∙通过零件的长寿命化和再利用,减少材料的相对使用量;
∙通过易分选及可再生循环材料的利用,降低对天然资源的依赖;
∙选用能耗低的材料及加工工艺。
2.环境污染小
环境准则必将成为选材的重要依据之一,即要求材料在生产─使用─废弃的全过程中具有与环境的协调性,充分降低对环境造成的负荷。
∙采用能耗少、污染小的材料,节能无害化的生产、制造工艺,
∙选择可再生循环性好的材料(材质单纯,化学组成简单,便于提纯,通用性强),降低废弃物环境负荷,
∙选择以再生资源为原料的材料。
生产各种材料消耗的能量及碳的排放量
材料
矿物燃料能耗
排碳量
MJ/Kg
MJ/m3
Kg/t
Kg/m3
木材
1.5~2.8
750~1390
30~56
15~28
混凝土
2.0
4800
50
120
钢材
35
266,000
700
5320
一次铝
435
1,100,000
8700
22,000
再生铝
13
33,000
一定性能水平下的材料能耗
木材
混凝土
钢
塑料
铝、镁及钛合金
Eρ/b
24
145
100~500
475-1002
710-1029
E──生产每公斤材料的能耗ρ──材料密度b──抗拉强度
材料的可再生循环性:
∙混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解;
∙木材不但能耗低,还能充分回收,并可以降解;
∙多数塑料回收率很低;
金属材料能耗高但可较容易地回收,其中铝的回收价值尤其高,扩大对再生铝的利用,具有相当大的环境意义。
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