第十七章 工程材料的选用与发展,第一节 零件失效分析 第二节 材料选择的原则 第三节 典型零件选材与工艺分析 第四节 计算机在材料科学中的应用 第五节 材料与环境及可持续发展 第六节 新材料研究的发展趋势,第一节 零件失效分析,一、基本概念 二、失效形式 三、失效原因 四、失效分析的基本步骤与方法,一、基本概念,二、失效形式,表- 零件失效形式,三、失效原因,.设计 设计与失效之间关系密切，如结构形状不合理导致的应力集中、安全系数选择过大或过小均是常见的设计错误。 2.材料 材料是零件安全工作的基础，因材料而导致失效主要表现在两方面：其一是选材不当，这是最重要的原因；其二是材质欠佳，如各种冶金缺陷(气孔、疏松、夹杂物、杂质含量等)的存在且超过规定的标准。 3.加工 产品在加工制造过程中若不注意工艺质量，则会留下各种冷热加工缺陷而导致零件早期失效。 4.使用 零件安装时配合不当、对中不良、维修不及时或不当、操作违反规程等均可导致工件在使用中失效。,三、失效原因,表- 零件失效的主要原因,四、失效分析的基本步骤与方法,1.调查取证 调查取证是失效分析最关键、最费力、也是必不可少的程序，主要包括两方面内容：其一是调查并记录失效现场的相关信息，收集失效残骸或样品；其二是查询有关背景资料，如设计图样、加工工艺等文件、使用维修情况等。 2.整理分析 对所收集的资料、证据进行整理，并从零件的设计、加工及使用等多方面进行分析，为后续试验明确方向。 3.试验分析 如对失效试样进行宏观与微观断口分析，确定失效的发源地与失效形式；初步判定可能的失效原因；对材料进行成分组织性能的分析与测试，包括成分及均匀性分析、组织及均匀性观察、与失效方式有关的各种性能指标的测试等，并与设计要求进行比较。,四、失效分析的基本步骤与方法,4.综合分析得出结论 综合各方面的证据资料及分析测试结果，判断并确定失效的具体原因，提出防止与改进措施，写出报告。,第二节 材料选择的原则,一、使用性能选材原则 二、工艺性能选材原则 三、经济性能选材原则 四、价值工程选材原则 五、材料的技术经济评价指标,一、使用性能选材原则,(一)使用性能简要分类 (二)按使用性能选材的具体方法与步骤 (三)按力学性能指标选材需注意的问题,(一)使用性能简要分类,表- 使用性能的简单分类,(二)按使用性能选材的具体方法与步骤,表17-4 几种典型零件的工作条件、失效形式和主要力学性能,(三)按力学性能指标选材需注意的问题,表17-5 不同加载方式下零件的比刚度和比强度,二、工艺性能选材原则,(一)金属材料的工艺性能 (二)高分子材料的工艺性能 (三)陶瓷材料的工艺性能,(一)金属材料的工艺性能,(二)高分子材料的工艺性能,(三)陶瓷材料的工艺性能,三、经济性能选材原则,表17-6 部分材料的相对价格,四、价值工程选材原则,(一)价值工程的基本原理 (二)价值选材的基本要素,(一)价值工程的基本原理,(二)价值选材的基本要素,五、材料的技术经济评价指标,表17-7 材料技术经济评价体系指标,五、材料的技术经济评价指标,表17-7 材料技术经济评价体系指标,第三节 典型零件选材与工艺分析,一、工程材料的应用概况与评价 二、齿轮类零件选材 三、轴类零件选材 四、刀具选材 五、冷作模具选材 六、热作模具选材,一、工程材料的应用概况与评价, 以相对单位质量价格表示，取低合金钢1，其他材料与之相比。 CFRP碳纤维增强环氧树脂复合材料。 GFRP玻璃纤维增强聚酯复合材料。,一、工程材料的应用概况与评价,表17-8 某些用塑料代替金属的应用实例,一、工程材料的应用概况与评价,表17-9 梁的候选材料的有关数据,二、齿轮类零件选材,(一) 齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求 (二) 常用齿轮材料 (三)典型齿轮选材实例,(一) 齿轮的工作条件、主要失效形式及性能要求,(二) 常用齿轮材料,表17-10 常用的一般齿轮材料、热处理及性能,(三)典型齿轮选材实例,三、轴类零件选材,(一) 轴的工作条件、主要失效形式与性能要求 (二) 常用轴类零件的材料 (三) 典型轴选材实例,(一) 轴的工作条件、主要失效形式与性能要求,(二) 常用轴类零件的材料,(三) 典型轴选材实例,表17-11 常用机床主轴材料、热处理、性能与用途,四、刀具选材,(一) 机械切削刀具 (二) 日用刀具,(一) 机械切削刀具,表17-12 车刀的工作条件与推荐材料,(二) 日用刀具,表17-13 常见日用刀具与推荐材料,五、冷作模具选材,表17-14 冷挤压模的推荐材料与硬度要求,六、热作模具选材,表17-15 热作模具推荐材料与硬度要求,第四节 计算机在材料科学中的应用,一、计算机材料设计 二、计算机模拟的应用 三、计算机材料数据库 四、人工智能的应用 五、计算机在材料组成和结构研究及数据处理和图像处理中的应用 六、计算机在材料性能表征和性能研究中的应用 七、材料工艺过程的优化及自动控制 八、计算机网络在材料研究中的应用,一、计算机材料设计,二、计算机模拟的应用,三、计算机材料数据库,四、人工智能的应用,五、计算机在材料组成和结构研究及数据处理和图像处理中的应用,六、计算机在材料性能表征和性能研究中的应用,七、材料工艺过程的优化及自动控制,八、计算机网络在材料研究中的应用,第五节 材料与环境及可持续发展,一、可持续发展的概念 二、材料与环境及其教育 三、环境材料及其研究 四、可持续发展战略下的材料选择,一、可持续发展的概念,二、材料与环境及其教育,三、环境材料及其研究,四、可持续发展战略下的材料选择,(一) 选择环境材料 (二)减少所用材料种类 (三)尽量选用不加涂、镀层的原材料 (四) 选用产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料 (五) 选用易回收再生的材料,(一) 选择环境材料,(二)减少所用材料种类,(三)尽量选用不加涂、镀层的原材料,(四) 选用产品报废后能自然分解并为自然界吸收的材料,(五) 选用易回收再生的材料,第六节 新材料研究的发展趋势,一、新材料的特点 二、 新材料和现代高新技术的关系 三、新材料研究的发展趋势,一、新材料的特点,1)具有一些优异性能或特定功能，如超高强度、超高硬度、超塑性等力学性能，高温超导、磁致伸缩、光电转换、形状记忆等特殊物理性能。 2)它的发展与材料科学理论的关系比传统材料更为密切，如形状记忆合金材料与热弹性马氏体相变理论、太阳能电池材料与光电子学理论、减振吸声材料与内耗理论等。 3)它的制备和生产往往与新技术、新工艺紧密相关，如用机械合金化技术制备纳米晶材料、非晶态合金材料，用自蔓延高温合成技术制备多孔陶瓷材料等。 4)更新换代快、式样多变，如手机电池所采用的能源材料，在较短的时间内便经历了Ni-Cd、Ni-H、锂离子材料的变化。,一、新材料的特点,5)新材料大多是知识密集、技术密集、附加值高的高技术材料，而传统材料通常为资源性或劳动集约型材料。,二、 新材料和现代高新技术的关系,三、新材料研究的发展趋势,1.高性能新型结构材料 所谓高性能结构材料，主要是指高比强度、高比刚度、高韧性及耐磨损、耐高温、耐腐蚀的材料。 2.电子信息功能材料 信息功能材料是指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料，种类繁多，涉及面广。 3.能源功能材料 化石能源日益枯竭，且环境污染难以解决，故作为新能源基础的能源材料无疑将成为材料学科的重点研究领域。 4.生物功能材料 21世纪是生命科学大发展时代，生物功能材料也将随之会有很大发展。,三、新材料研究的发展趋势,5.环境材料 环境材料是在人类认识到环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的，是国内外材料科学与工程研究发展的必然趋势。 6.智能材料 智能材料是将信息科学融合于材料性能和功能的一种材料新构思，它的出现将使人类文明进入一个新的高度。 7.纳米材料 纳米材料是利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。,三、新材料研究的发展趋势,8.材料设计 21世纪将逐步实现按需设计材料，通过对材料的组成、结构、生产工艺与材料基本性能关系的深入研究，以及对材料在使用条件下性能变化规律的了解，材料可以实现按需要设计，进而摆脱长期以来以经验为主研发材料的局面。 9.材料制备与表征 材料的制备技术是新材料发展的重要基础与关键，从发展趋势来看，材料表面改性和薄层材料制备技术、材料在不同尺度上的复合新技术、材料成分与组织的精密控制新技术、高纯材料制备技术以及材料的智能合成与制备新技术等都是亟待发展的共性关键技术，其中包括关键新装备的研制。,