汽车零件的选材 课件.ppt

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1、汽车零件的选材,第七章 汽车零件的选材,第一节 零件的失效分析,一、失效的概念,失效 主要指某零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能的变化而丧失原设计所规定的功能。,完全破坏严重损坏未达功能要求（安全工作）,包括,失效会导致严重事故,曲轴断裂,零件已完全破坏，不能继续工作,失效会导致严重事故,曲轴轴径出现裂纹,零件已受到严重损伤，已不能安全工作,失效会导致严重事故,零件虽然仍能能安全工作，但对正常燃烧产生了影响,头部烧伤痕迹,二、常见的失效形式与原因,导致零件失效的主要原因,零件失效形式,1 过量变形失效,过量变形失效是指在某种程度上减弱了零件规定功能的变形。从变形的形貌上看，

2、变形有两种基本类型：尺寸或体积变化（长大或缩小）和形状变化（如弯曲或翘曲）。例如，受轴向载荷的连杆可产生轴向拉、压变形，轴的弯曲、壳体的翘曲变形等。,变形后：不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰。,零件失效形式过量变形失效,弹性变形失效材料刚度不足，受力过程中产生过量弹性变形或弹性失稳。影响弹性畸变的主要因素有：零件形状、尺寸、材料的弹性模量、零件工作的温度、载荷的大小。,零件失效形式过量变形失效,塑性畸变失效是外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。引起零件塑性畸变的因素，除在弹性畸变中所讨论的有关影响因素外，常见的还有材质缺陷、使用不当、

3、设计有误等，特别是热处理不良。实际上往往是多种因素的综合结果。,零件失效形式过量变形失效,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外形，从而导致严重的翘曲畸变失效。 翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等所引起的不均匀性的组合，其中以温度变化，特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。,零件失效形式,2 断裂失效 机械零件因断裂（特别是突然断裂）而产生的失效称为断裂失效。,断裂失效的形式有多种，常见的主要有韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂及蠕变失效断裂等,从断口可分析断裂失效的种类，是分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。,韧性断裂的

4、特征,宏观特征：宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45角。,塑性材料拉伸后的实物,脆性断裂的特征,脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹（如肉眼可见的0.1mm1mm）作为源开始的。这种宏观裂纹可以是在生产工艺过程中产生，还可能是由于疲劳或应力腐蚀而产生。,脆性断裂实物,零件失效形式,3 磨损失效 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，使金属表面状态和尺寸改变的现象称为磨损。,磨损失效形式粘着磨损,两个金属表面的微凸

5、部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。,磨损失效形式磨料磨损,配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。,磨损失效形式表面疲劳磨损,两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。,如汽车的齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与座圈等都容易产生表面疲劳磨损。,磨损失效形式冲刷磨损、腐蚀磨损,冲刷磨损是由于含固态粒子的流体（常为液体）冲刷造成表面材料损失的磨损。腐蚀磨损是金属

6、在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。,影响磨损失效的基本因素,摩擦副材质摩擦副的互溶性。相同金属、晶格类型、原子间距、电子密度、电化学性能相近的材料副互溶性大，易于粘着而导致粘着磨损失效。金属与非金属（如塑料、石墨等），互溶性小，粘着倾向小。摩擦副的表面强化处理情况。材料表层组织和结构缺陷。夹杂疏松、空洞、锻造夹层以及各种微裂纹，过高的装配应力等都将使各种磨损加剧。,影响磨损失效的基本因素,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。合理的表面强化处理可以减少磨损 合理的表面强化处理，一是改变组织结构，二是适度提高硬度。表面强

7、化处理有利于降低磨料磨损、表面疲劳磨损、粘着磨损等的磨损率。,零件失效形式,4 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。（1）均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属的表面均匀地发生。,腐蚀均匀性的前提是：被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织腐蚀环境包围的金属表面是均匀而且不受限制与障碍的,腐蚀失效,（2）点腐蚀 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(孔蚀)。金属表面受破坏处和未受破坏处形成“局部电池”，其中受破坏处是阳极，未受破坏处是阴极，腐蚀电流由阳极流向周围的阴极，阳极处很快被腐蚀成小孔。,腐蚀失效,（

8、3）晶间腐蚀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。,第二节 零件选材的原则及方法,选材通常遵循三大原则：（1）使用性能原则：（2）工艺性能原则：（3）经济性原则：,用所选材料制造的零件在使用过程中具有良好的工作性能。,所选材料能够确保零件便于加工。,所选材料能使产品具有较低的总成本。,一、使用性能原则,使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是力学性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。,一、使用性能原则,1.零件使用时的工作条件 （1）

9、受力状况，主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。 （2）环境状况，主要是温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、比重、外观等的要求。,一、使用性能原则,2.零件根据使用性能选材的步骤通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求；利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用手册根据使用性能选材。,几种常用工作

10、零件、失效形式及所要求的主要力学性能,注意事项,由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况：材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。,二、工艺性能原则,材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。,工艺性能,金属材料的加工工艺路线,金属材料的工艺性能,（1）性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。（2）性能要求较高的金属零件选材的工

11、艺路线 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理（淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等）精加工零件（3）性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 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。 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。,工艺性能,高分子材料的工艺路线,高分子材料的切削加工性能较好，与金属基本相同。不过它的导热性差，在切削过程中不易散热，易使工件温度急剧升高，使其变焦（热固性塑料）或变软（热塑性塑料）,工艺性能,陶瓷材料的加工工艺路线,陶瓷材料成形后，除了可以用碳化硅或金

12、刚石砂磨加工外，几乎不能进行任何其它加工。,三、 经济性原则,1.材料的价格零件材料的价格无疑应该尽量低。材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。,三、 经济性原则,2.零件的总成本 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。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。,三、 经济性原则,3.国家的资源等因素随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,4、环境与资源原则,)减少材料使用量、延长零件寿命、材料再利用。,)环境污染小废气排放少材料回收及降解, 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程,重要金属的世界储量,小 结,正确选材是机械设计的一项重要任务，它必须使:（1）选用的材料保证零件在使用过程中具有良好的工作能力，（2）保证零件便于加工制造，（3）同时保证零件的总成本尽可能低,