《工程材料概论》PPT课件

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1、第一篇第一篇 工程材料概论工程材料概论 绪绪 论论 u材料与人类文明材料与人类文明u材料科学与机械工程材料科学与机械工程u材料分类与性能材料分类与性能u零件失效与选材原则零件失效与选材原则 引言n人和动物的本质区别?人在制造工具时，需要物质但不是所有的物质都能用于工具，从这个角度发：n材料能为人类制造有用器件的物质。材料科学与人类文明的关系密切，可以说，材料科学与人类文明的关系密切，可以说，人类的衣、食、住、行均离不开它。人类的衣、食、住、行均离不开它。一、材料与人类文明发展（历史贡献）一、材料与人类文明发展（历史贡献）n人类的文明进程是依据什么而划分的？人类的文明进程是依据什么而划分的？可以

2、使用的占主导地位的材料。可以使用的占主导地位的材料。石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代。发展得越来越快。绪绪 论论 1.1 材料与人类文明材料应用的发展是人类发展的里程碑！400,000 BC4,500 BC石器时代（石器时代（Stone Age）n燧石：神奇的石头 绪绪 论论 陶器（陶器（Pottery）n陶器的出現是人類跨入新石器時代的重要標誌新石器時代的重要標誌之一，n據目前已知的考古資料，中國的陶器製作至少已有8000年年以上的歷史。西安半坡人面网纹陶盆西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管战国陶制四通水管 绪绪 论论 4,500 BC1,000 BC青铜

3、时代青铜时代（Bronze Age）n 从矿石中提炼铜冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一 绪绪 论论 n青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。n史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。n到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記考工記一書中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。青铜：第一种合金青铜：第一种合金夏钺戈 绪绪 论论 三星堆三星堆n立人像铸于商

4、代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。n突目面具铸于商代晚期，原件高厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达厘米，其造型在世界上亦属首见。绪绪 论论 司母戊鼎司母戊鼎n司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。為已知的中國古代體量最大的青銅器。n銅禁，中國已知最早應用失蠟法鑄造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土的，年代為公元前6世紀。绪绪 论论 1450BC铁制车轮1500AD廉价的冶铁业 1000BC铁器时代（铁器时代（Iron Age）绪绪 论论 What？华夏文明的独特贡献华夏文明的独特贡献n瓷器

5、瓷器則是中國先民的偉大發明，要比國外出現早1500 年以上，它是中華民族的寶貴歷史遺產之一.q世界四大文明古國對於掌握製陶技術與生產陶器都是獨立發明的，發展時間上也相差不遠。q從原始瓷器到成熟瓷器的提高幾乎經歷了1500 年之久，至遲在東漢晚期東漢晚期，中國已能燒製出成熟的青瓷，完成了由原始瓷器向標準瓷器的過渡。這件江蘇南京出土的吳國青這件江蘇南京出土的吳國青瓷羊是成熟青瓷的代表作。瓷羊是成熟青瓷的代表作。绪绪 论论 二、二、材料与人类现代文明材料与人类现代文明n支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术：材料材料科学与技术生物生物科学与技术能源能源科学与技术信息信息科学与技术 绪绪 论论 材料是发展

6、高科技的先导和基石材料是发展高科技的先导和基石其中材料是基础！材料技术大厦的砖石n材料是所有科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天；没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船；没有固体微电子电路，就没有计算机。建筑交通福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。汽车用高强钢，比原先的轻24%，而强度高34%。汽车汽车 绪绪 论论 实实 例例材料材料强度范围强度范围MPa比强度比强度MPa压气机叶片

7、压气机叶片铝合金150-45055160压气机机匣压气机机匣钛合金350-110080245飞机尾翼飞机尾翼碳纤维复合材料10001200（顺纤维方向）625750轻质材料轻质材料 绪绪 论论 在美国卡拉维纳尔角航天基地待升空的（穿梭机）。它是人类高技术的结晶。它应用了成千上万种材料，特别是一些高技术的新型材料（本照片选自美国Kennedy Space Center 的Tourbook）。航天飞机航天飞机 绪绪 论论 超导磁悬浮列车超导磁悬浮列车 西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它

8、没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。1980s：高温超导体能源能源p 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。n 主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料n 嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料n Si半导体材料为代表的太阳能电池材料n 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。绪绪 论论 核能材料核能材料Nuclear power station at Leibstadt,Switzerland uranium oxide beads 钨钒钢（W-V steel）铬钒钢（Cr-V steel）镍基高温合金（Hastelloy mat

9、erial）核反应堆材料：耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结后烧结前烧结前 绪绪 论论 信息信息人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路电子管电子管16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集集成电路成电路16 K内存器 绪绪 论论 n第一台电子管电子管组成的计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。钨、钼钨、钼电极。锗、硅半导体。锗、硅半导体。单晶硅片，高纯钛、单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜和铬等薄膜生物、生活生物、生活材料技术的发展改变我们的生材料技术的发展改变我们的生活活仿真手臂仿真手臂人工关节“自行车发烧友自行车发烧友”的首选

10、的首选钛结构自行车架微机械微机械 绪绪 论论 1.2 材料与机械工程机械工程材料以强度、韧性、塑性等机械性能为主要要求，用于制作工程结构和零件、工具及模具的材料。一、机械设计与材料机械设计两大基本步骤：（）结构设计；和（）材料设计。前者直观，易评定和核验；后者却要复杂得多，随设计者材料科学知识水平和经验的不同有很大差异。选择材料和工艺实质是一种极重要的“零件内部组织结构设计”（材料设计）。二、机械制造过程与材料机械制造工艺包括：n保证零件几何形状与尺寸：切削、铸、锻、焊等；n保证材料内部组织及应力状态：热处理、表面处理。三、机械产品的失效与材料本质上说，机械产品的失效就是材料的失效。其分析有利

11、于：改善产品质量，提高寿命提供改进措施；判定事故责任；1.杜绝类似事故发生提供依据。“材料贯穿于机械材料贯穿于机械工程的始终。工程的始终。”核心关系核心关系 绪绪 论论 而其核心是围绕而其核心是围绕:“结构与性能结构与性能”的相互辩证关系。的相互辩证关系。绪绪 论论 What?“组织结构组织结构”材料科学与工程（材料科学与工程（MSE）四要素）四要素n材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志n成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础；n材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据；n服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它

12、往往成为 MSE 的最终目标。合成与制备合成与制备材料特性材料特性成分与组成分与组织结构织结构服役行为与寿命服役行为与寿命 绪绪 论论 怎样学习好本课程？怎样学习好本课程？课程的主要目的课程的主要目的p获得有关材料与材料科学方面的基本理论知识；p掌握控制工程材料性能的途径、基本原理与方法；p熟悉常用机械工程材料的性能特点：p使学生具有合理选用机械工程材料并妥善安排其加工工艺路线的初步能力。绪绪 论论 贯穿全课程的贯穿全课程的“纲纲”绪绪 论论 第一章第一章 绪论绪论1.3 1.3 材料的分类与性能材料的分类与性能 一、材料的分类一、材料的分类 二、工程材料的性能二、工程材料的性能一、材料的分类

13、一、材料的分类金属高分子陶瓷材料有机材料无机材料 复合材料复合材料Way?第一章第一章 绪绪 论论 工程材料分类工程材料分类What?各类材料的性能特点各类材料的性能特点p金属材料金属材料主要为金属键金属键。q热和电的良导体q具有良好的强度与延展性以及金属光泽p陶瓷材料陶瓷材料通常为离子键离子键或共价键共价键。q绝缘体而且比较耐热。p高分子材料高分子材料通常为共价键、分子键和氢键，以共价键共价键为主。q分子结构都非常巨大q通常密度较低，在高温下不稳定。p复合材料复合材料性能的复合.第一章第一章 绪绪 论论 铸造性铸造性 可锻性可锻性可焊性可焊性切削加工性切削加工性热处理性热处理性 工程材料的性

14、能工程材料的性能 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能 工艺性能工艺性能 二、工程材料的性能二、工程材料的性能表征材料在给定外界条件下的行为第一章第一章 绪论绪论材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。力学性能力学性能指标指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。第一章第一章 绪论绪论工程

15、材料的机械性能工程材料的机械性能 材料在受力时的性质材料在受力时的性质一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 拉伸机上，低拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线静拉伸曲线 拉伸试验机拉伸试验机第一章第一章 绪论绪论曲线分为四阶段：曲线分为四阶段：1阶段I（oab）弹性变形阶段pa:Pp pb:Pe（不产生永久变形的最大抗力）poa段：L P 直线阶段pab段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)2阶段II（bcd）段屈服变形pc:屈服点 Ps 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线静拉伸曲线 屈服现象：屈服现象：金属材料开

16、始产生明显塑性变形的标志。第一章第一章 绪论绪论3阶段III（dB）段均匀塑性变形阶段pB:Pb 材料所能承受的最大载荷4阶段IV(BK)段局部集中塑性变形 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线静拉伸曲线 低钢、正火、退火调质中钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。铸铁、陶瓷：只有第I阶段 中、高碳钢：没有第II阶段颈缩第一章第一章 绪论绪论二、材料的强度二、材料的强度(strength)材料所能承受的极限应力材料所能承受的极限应力.单位：MPa(MN/mm2)公式：=P/Fo 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、抗

17、拉强度、抗压强度、抗弯强度抗压强度、抗弯强度 、抗剪强度抗剪强度 、抗扭强度等。抗扭强度等。第一章第一章 绪论绪论1 1屈服强度屈服强度s s(yield strength)(yield strength)和条件屈服强和条件屈服强度度a:s=Ps/Fo （s s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）Ps s=(M pa)F0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)b:条件屈服强度 （中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。）脆性材料：b=s 灰口铸铁 P0.2 0.2=(M pa)S0试样产生试样产生0.2%残余塑性变残余

18、塑性变形时的载荷形时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)2抗拉强度抗拉强度(tensilestrength)b=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。Pb b=(M pa)S0试样断裂前的最大载荷试样断裂前的最大载荷(N)试样原始横截面积(mm2)第一章第一章 绪论绪论3疲劳强度疲劳强度-1(fatiguestrength)n 疲劳现象：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）的断裂由疲劳造成）n 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、

19、表面状态、残余应力等。1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂n 疲劳极限-1-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。n条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取钢材的循环次数一般取 N=10N=107 7有色金属的循环次数一般取有色金属的循环次数一般取 N=10N=108 8陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低；金属材料疲劳强度较高；纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1 0.55)b过载持久值过载持久值第一章第一章 绪论绪论三、塑性三、塑性(plasticity):材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏

20、材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。的能力。Lk:试样拉断后最终标距长度延伸率与试样尺寸有关，d5,d10(Lo=5do,10do)1 1延伸率（延伸率（specific elongationspecific elongation）10%属塑性材料属塑性材料 是指试样拉断后的标距伸长量是指试样拉断后的标距伸长量L L k k与原始标距与原始标距L L 0 0之比。之比。u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。uKIKIC时，裂纹处于临界状态uKI铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）2.锻造性能（塑性、变形抗力）低碳钢中碳

21、钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向）淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等作业1.什么是机械工程材料?试举几种常见工程材料并简述其作用。2.围绕材料与工程的核心关系是什么？3.机械零件用工程材料的常见失效形式有哪些?并简述其特点.4.简述材料选择的原则.5.名词解释：弹性模量、屈服极限、条件屈服用强度、疲劳极限6.什么是屈服现象？它的物理意义是什么？为什么有的材料还要规定条件屈服强

22、度？7.何为断裂韧性？请简述如何根据材料的断裂韧性、零件工作应力以及零件中裂纹的长度来判断零构件发生低应力脆断的可能性。8.疲劳断裂和低应力脆断有何异同？重点掌握重点掌握 u各种机械性能指标（强度,塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。一般要求一般要求 材料的工艺性能及物理化学性能 第一章第一章 绪论绪论1.4 机械零件失效与选材机械零件失效与选材 u机械零件的失效与分析机械零件的失效与分析u机械材料的选材原则机械材料的选材原则 绪绪 论论 一、机械零件失效与分析一、机械零件失效与分析 每种机器零件都具有一定的功能或完成规定的运动，或传递力、力矩或能量

23、。当零部件丧失预定的功能时，即发生了零件的失效失效。下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：下列任何一种情况的发生，都可以认为零件已经失效：p零件完全破坏，不能继续工作p零件严重损伤，不能保证工作安全p零件虽能安全工作，但工作低效 绪绪 论论（一）、零件失效的基本形式（一）、零件失效的基本形式 零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷零件的失效形式比较复杂，根据零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。失效和表面损伤失效三大类型。表面损伤失效表面损伤失效

24、断裂失效断裂失效变形失效变形失效应力腐蚀断裂失效蠕变断裂失效疲劳断裂失效低应力脆断失效塑性断裂失效塑性变形失效弹性变形失效磨损失效表面疲劳失效腐蚀失效零件失效零件失效 绪绪 论论（二）、失效分析的主要方法（二）、失效分析的主要方法 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因，影响失效的因素很多，要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析。服役条件失效零件失效分析失效类型失效原因工业试验实验室试验提高零件失效抗力加强管理改进工艺提高主要抗力指标改进设计工 艺使 用材 料设 计 第一章第一章 绪论绪论失效分析的主要方法失效分析的主要方法1、无损检测、无损检测 无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产

25、生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2、断口分析、断口分析 断口分析是对断口进行全面的宏观（肉眼、低倍显微镜）及微观（高倍显微镜、电子显微镜）观察分析，确定裂纹的发源地、扩展区和最终断裂区，判断出断裂的性质和机理。脆性断口脆性断口韧性断口韧性断口疲劳断口疲劳断口 第一章第一章 绪论绪论3、金相分析、金相分析 通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。4、化学分析、化学分析 检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求。5、力学分析、力学分析 检查分析

26、失效零件 的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。第一章第一章 绪论绪论B裂纹产生在后A裂纹产生在前裂纹扩展方向（a）（b）图图8-3分析破坏的顺序分析破坏的顺序（a）T型法则 （b）分叉法则断口分析断口分析T型法则型法则 分叉法则分叉法则 第一章第一章 绪论绪论脆性断口脆性断口宏观：宏观：根据人字纹路的走向和放射棱线汇聚方向确定裂纹区。源区源区（a）（b）图图8-4失效源分析失效源分析 第一章第一章 绪论绪论宏观：宏观：结晶状，平齐而光亮，有闪亮小刻面。无明显变形微观：微观：平坦的解理台阶与河流花样。（a）（b）图图8-5 脆性结晶状断口的宏观及微观形貌脆性结晶状断口的宏观及微观形貌（a）宏观形

27、貌 （b）微观解理花样脆性断口脆性断口 第一章第一章 绪论绪论脆性断裂也可能沿晶界发生。脆性断裂也可能沿晶界发生。（a）（b）图图8-6 脆性沿晶断裂断口脆性沿晶断裂断口（a）回火脆性断口 （b）应力腐蚀断口 第一章第一章 绪论绪论韧性断口韧性断口宏观：宏观：纤维状，色质灰暗,有明显的塑性变形微观：微观：大小不等的韧窝（a）（b）图图8-7 韧性断口的宏观及微观形貌韧性断口的宏观及微观形貌（a）纤维状韧性宏观断口 （b）微观典型韧窝形貌 第一章第一章 绪论绪论疲劳断口疲劳断口（a）（b）（c）图图8-8 疲劳断口疲劳断口（a）疲劳断口宏观形貌（b）疲劳断口示意图（c）疲劳条纹的微观图象疲劳源

28、疲劳裂纹扩展区“贝纹”状花样 瞬时断裂区 第一章第一章 绪论绪论（三）、零件失效分析实例（三）、零件失效分析实例1、齿轮的失效、齿轮的失效 齿轮是机械设备中运用极广的传动零件，齿轮表面受到接触力和摩擦力的作用，齿根部则受到交变弯曲应力的作用，此外由于过载和换档时的冲击还会产生附加应力。（a）（b）图图8-9 齿轮的轮齿的疲劳断裂齿轮的轮齿的疲劳断裂（宏观）（宏观）第一章第一章 绪论绪论齿轮的失效行为齿轮的失效行为失效形式失 效 的 原 因齿面接触疲劳破坏在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，裂纹发展引起点状剥落（或称麻点）疲劳断裂从齿根部发生，由过大的交变弯曲应力所致，是齿轮最严重的失效形式齿

29、面磨损由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小过载断裂主要是冲击载荷过大造成的断齿 第一章第一章 绪论绪论2、机车车辆车轴的失效、机车车辆车轴的失效车轴在运行时承受着旋转弯曲和扭转载荷，车轴材料通常具有较好的韧塑性，其形状又有很好的对称性，所以车轴具有疲劳断裂的完整过程（疲劳裂纹形成、裂纹扩展、最终瞬时断裂），断口断口见图：见图：（a）（b）图图8-10 车轴疲劳断口车轴疲劳断口（a）疲劳源在轴内部，由严重冶金缺陷引起裂纹萌生。（b）疲劳源在轴表面，由表面加工缺陷引起缺口效应，致使裂纹萌生。疲劳源 第一章第一章 绪论绪论车轴的疲劳断裂失效分析如下图：车轴的疲劳断裂失效分析如下图：疲劳裂纹源发生在车轴内部

30、冶金缺陷（残余缩孔、夹渣、空洞、成份偏析、夹杂物超标等）车轴疲劳车轴疲劳断裂分析断裂分析断口面基本与轴向垂直设计不当、严重缺陷或过载断口特征异常机加工缺陷机加工不当撞伤意外损伤腐蚀产物环境腐蚀磨损产物微动摩擦轴表面异常化学成份冶炼工艺不当力学性能不合格金相组织冶炼、锻造 或热处理工艺不当疲劳裂纹源发生在车轴表面断口面与轴向成45角扭转载荷过大 第一章第一章 绪论绪论3、铁路钢轨的失效、铁路钢轨的失效钢轨伤损的主要形式钢轨伤损的主要形式失效形式失 效 的 原 因磨耗钢轨与车轮接触面表层发生磨损压溃轮轨接触压应力使钢轨表面发生塑性变形剥离交变接触应力使疲劳裂纹在钢轨表层(次表层)形成扩展至剥落疲劳

31、裂纹或折断交变应力引起疲劳裂纹的萌生,并可能进一步扩展至断裂擦伤轮轨接触面发生热机械作用,导致组织产生相变由珠光体组织转变成马氏体组织锈蚀腐蚀环境作用 第一章第一章 绪论绪论（a）（b）（c）图图8-12 钢轨轨头磨耗、压溃和剥离钢轨轨头磨耗、压溃和剥离（a）轨头侧面磨耗（b）轨头踏面被压溃及出现飞边（c）鱼鳞状裂纹和剥离坑铁路全天候运行，行程长、工作条件较恶劣，磨耗、腐蚀、疲劳断裂时其主要形式。第一章第一章 绪论绪论p 钢轨使用初期出现的纵向劈裂等主要与钢轨的内部和表面质量有关，如非金属夹杂物、白点、偏析、残余缩孔、翻皮、折叠等引起的核伤。（图a）p 表面损伤（表面剥离、压溃、擦伤、机械碰撞

32、等）、钢轨结构引起的局部高应力则可能导致疲劳裂纹甚至折断。轨头严重磨耗、压溃等则主要与钢轨的强度与负荷有关。（图b）（a）（b）图图8-13 钢轨在交变接触应力作用下产生的核伤钢轨在交变接触应力作用下产生的核伤(接触疲劳伤损接触疲劳伤损)（a）夹杂物引起的核伤断口（白核）（b）表面剥离引起的核伤断口 第一章第一章 绪论绪论二、工程材料的选择二、工程材料的选择1、选材的动机、选材的动机 p 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；p 现有产品的改进和更新换代；p 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。第一章第一章 绪论绪论传统的设计观念把选材归入设计过程的后期：1.以前的大多数设计中创新

33、部分很少；2.设计的理论基础很不完善，设计中存在着许多未知因素。前人的经验进行设计和选材。采用过大的安全系数，过分依赖手册，把材料看成一种抽象的性能倾向于选用所谓“万能材料”现代设计随着设计理论的完善和设计过程的计算机化，材料在更加接近失效极限的范围内使用，选材的难度也越来越大。安全系数越来越小，第一章第一章 绪论绪论2、材料选用原则材料选用原则(一)使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则（二）工艺性能原则（二）工艺性能原则（三）经济性原则（三）经济性原则（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则 根本原则根本原则 第一章第一章 绪论绪论(一)使用性能原则使用性能原则首要原则首要原则分析零件的

34、工作条件进行失效分析确定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）；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，但是在利用具体性能指标时，必须注意几个问题：材料的性能指标各有其物理意义有的可直接用于设计计算，例如屈服强度等有些则不能直接应用于设计计算，如冲击韧性及塑性指标在复杂条件下工作的零件，必须采用特殊实验室性能指标作选材依据材料的性能不能简单等同于手册上的某一个确定的数值 第一章第一章 绪论绪论（二）工艺性能原则（二）工艺性能原则 设计中所作出的选材决定必然会影响到整个生产过程的技术要求，因此选材在某种程度上“决定”了制造方法。一旦发现不

35、能很经济地将选用的材料加工成所要求的形状，那么已选定的材料将变得毫无意义。机械制造采用适当的工艺方法，改变材料的形状和性质，获得合格的零件并加以合理组装的过程。流动成形、切削成形、连接成形在各阶段会有变化，并可借助于热处理及表面改性处理进行性能的重塑。制造过程的基本目的：一定的形状和尺寸一定的性能一定的精度 第一章第一章 绪论绪论金属材料的工艺性能粉末冶金焊接塑性成形铸造毛 坯预先热处理零 件切削加工最终热处理金属零件的加工工艺路线金属零件的加工工艺路线 第一章第一章 绪论绪论 高分子材料的工艺性能高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线有机物原料或型材成形加工切削加工零 件热处理、焊

36、接等热压、注塑、挤压、喷射、真空成形等 第一章第一章 绪论绪论 陶瓷材料的工艺性能粉末成 形 加 工配料压制烧结磨削加工零件热处理陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线 第一章第一章 绪论绪论（三）经济性原则（三）经济性原则根本原则根本原则产品消费的总成本购置价格使用成本固定成本制造厂利润维护费维修费保险费折旧费日常开支行政费批发与零售费研究与开发费可变成本（生产成本）基本材料成本制造成本产品成本分析产品成本分析 第一章第一章 绪论绪论基本材料的成本：基本材料的成本：在许多工业产品中，材料的价格约占产品价格的3070%（1）提炼和制取的成本（2）矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等（3）

37、材料的提纯、合金化（合成）成本 （4）加工增值成本 （5）供求关系所造成的价格波动 第一章第一章 绪论绪论我国常用金属材料的相对价格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普通低合金结构钢1.25 铬镍不锈钢15优质碳素结构钢1.31.5 灰口铸铁1.4合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.72.5 球墨铸铁1.8铬镍合金结构钢（中合金钢）5 可锻铸铁22.2滚珠轴承钢3 铸造铝合金、铜合金810碳素工具钢1.6 普通黄铜1317低合金工具钢34 锡青铜、铝青铜19高速钢1620 钛合金5080硬质合金150200（工程塑料）515 第一章第一章 绪论绪论

38、 选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一，但是这一作法常常会与产品的性能优化相冲突。提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量，无疑是一种更实际的选择。目前在机械制造业中，我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%。我国材料费用在机械产品成本中占的比例，普遍高于国外同类产品的比例。因此通过采用少、无切屑工艺，大幅度降低材料消耗的成本，对于我国制造业而言具有尤为重要的意义。第一章第一章 绪论绪论（四）环境与资源原则（四）环境与资源原则 1.能源和资源消耗少 世界能源储藏量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m31，039，272吨200万吨可开采年限45.5

39、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重要金属的世界储量储量（106t）可用年数再生率(%)Fe110610931.7Al11703516.9Cu3082440.9Zn1231821.2Mo5.436Ag0.21441.0Cr775112Ti14751 第一章第一章 绪论绪论2.环境污染小材料矿物燃料能耗排碳量MJ/KgMJ/m3Kg/tKg/m3木材1.52.8750139030561528混凝土2.0480050120钢材35266,0007005320一次铝4351,100,000870022,000再生铝1333,000一定性能水平下的材料能耗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E/b24145100500475-1002710-1029E生产每公斤材料的能耗材料密度 b抗拉强度生产各种材料消耗的能量及碳的排放量生产各种材料消耗的能量及碳的排放量