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§11-1 选用材料的一般原则 选材的动机 —— 开发新产品、产品的改进和更新换代。 合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作，它不仅要考虑材料的性能应能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高机械零件的生产率，降低成本等。 一、材料的使用性能 —— 首要原则 1. 零件的工作条件和失效形式 零件失效的原因一般从以下几个方面进行分析： ⑴. 设计不合理：机械零件的结构形状和尺寸设计不合理引起的。如尖角、尖棱等。 ⑵．选材不合理：或选材不能满足工作条件的要求；或错误选泽了材料。 ⑶ 加工工艺不当：由于采用的工艺方法、工艺参数不正确，可能造成各种缺陷。粗糙度过大、刀痕较深，磨削裂纹等。热成形的过热、过烧、带状组织等，热处理工序中容易产生氧化、脱碳、淬火变形与开裂。 ⑷ 安装使用不正确：安装过紧、过松、和或对中不准、固定不紧。重心不稳、密封不好等 2. 工作环境 —— 温度（如高、低温，变温）及介质情况（如腐蚀，摩擦）。 3. 特殊功能要求 —— 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 4. 性能要求的指标化 —— 如强度、韧性、塑性、硬度等的具体数值。 通常机械零件是在弹性范围工作的，所以零件的强度设计总是以屈服强度为原始数据（脆性材料按抗拉强度），再加上安全系数，以保证零件的安全使用。另外，在考虑强度的同时，还应注意其钢材的塑性指标，否则容易发生脆性断裂。 ⑴ 充分考虑钢材的尺寸效应（截面大小不同时，钢材的力学性能不一样） ⑵ 手册性能数据、经验关系式的局限性 —— 力学性能与零件尺寸有关 二、工艺性能 ㈠ 金属材料的工艺性能应满足加工要求 1. 铸造性：包括流动性、收缩性、热裂倾向性、偏析等。 2. 锻造性：包括可锻性、冷墩性、冲压性、锻后冷却要求等 碳钢的可锻性：低碳钢 ＞中碳钢 ＞高碳钢 低合金钢的可锻性近似于中碳钢； 高合金钢的可锻性比碳钢差。 3. 焊接性：是指它在一定生产条件下接受焊接的能力，一般以焊接不出现裂缝、 气孔或其它缺陷来衡量。 4. 切削加工：一般以切削抗力大小、加工零件表面粗糙度、加工时切屑排除难易 及刃机具磨损大小来衡量、。 5. 热处理：淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。 ㈡ 金属零件的加工工艺路线 1. 一般零件（用材：铸铁或碳钢） —— 毛坯 → 正火或退火 →切削加工→零件 2. 轴、齿轮等重要零件（用材：碳钢、合金钢、高强铝合金等。） ——毛坯 → 预先热处理（正火、退火）→ 粗加工 → 最终热处理 （淬火十回火，时效，渗碳等）→ 精加工 → 零件 3. 精密丝杠等高性能和质量零件 —— 毛坯 → 预先热处理 → 粗加工 → 最终热处理 → 半精加工→ 稳定化处理（或氮化）→ 精加工 → 稳定化处理 → 零件 三、经济性 —— 根本原则 材料的经济性主要从以下几个方面考虑： （ 1 ）材料本身价格应低 通常情况下材料的直接成本为产品价格的 30% ～ 70% 。 2. 材料加工费用应低 非金属材料（如塑料）加工性能好于金属材料，有色金 属的加工性能好于钢，钢的加工性能好于合金钢。材料的加工费用应从以下几个方面考虑： 1) 成型方法 在满足零件性能要求的前提下，能铸代锻，能焊代代锻。例汽车发动机曲轴，一直选用强韧性良好的钢制锻件，弯曲了的曲轴照样不能使用，改成铸造曲轴（球墨铸铁）使成本降低很多。从零件的生产的每一道工序都应尽量减少。 2) 加工工艺路线 选用最佳工艺路线。 3) 现有生产条件 应充分利用现有生产设备或进行技术改造。能自己生产的不要外协。 (2)高材料利用率和再生利用率 在加工中尽量采用少切屑（如精铸、冷拉、模锻等）和无切屑新工艺，有效利用材料。 （ 3 ）提高材料利用率和再生利用率 在加工中尽量采用少切屑（如精铸、冷拉、模锻等）和无切屑新工艺，有效利用材料。 （ 4 ）使用过程的经济效益 在选材时，不能片面强调材料费用及制造成本，还需对材料的使用寿命予以重视，我们生产使为了使用，生产出来的产品不能式或不能安全使用，或达不到大型零件，如锅轮，大型齿轮的轮幅，轮毂用铸铁，齿圈用优质碳钢等。 1. 产品成本分析 2. 基本材料的成本（价格、利用率）—— 占总成本的30～70% 3. 制造（加工）成本 —— 约占零件成本的30% 加工成本 = 工具与设备费用 + 每件产品成本 × 生产批量 从选材的经济性考虑，应尽可能选用价格低廉、货源充足、加工方便、总成本低的材料，而且尽量减少材料的品种、规格，以简化供应、保管等工作。即在满足零件使用性能的前提下，尽量选用价廉的材料，能用低碳钢的不用合金钢；能用硅锰钢的不用铬镍钢。 四、环境与资源原则 —— 贯穿材料生产、使用、废弃的全过程。 能源和资源消耗少 —— 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。 §11-2选材的方法与步骤 1. 选材的方法：应以零件最主要的性能要求作为选材的主要依据。同时兼顾其它性能要求，这是选材的基本要求。 （ 1 ）以要求较高综合力学性能为主时的选材 在机械制造中有相当多的结构零件，如轴、杆、套类零件等，在工作时均不同程度地承受着静、动载荷的作用，其失效形式可能为变形失效和断裂失效，所以这类零件要求具有较高的强度和较好的塑性与韧性，即良好的综合力学性能。 （ 2 ）以疲劳强度为主时的选材 疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是因疲劳破坏引起的。 （ 3 ）以抗磨损为主时的选材 可分为两种情况：一是磨损较大、受力较小的零件，其主要失效形式是磨损，故要求材料具有高的耐磨性。如钻套、各种量具、刀具、顶尖等，选用高碳钢或高碳合金钢，进行淬火和低温回火处理，获得高硬度的回火马氏体和碳化物组织，即能满足耐磨的要求。二是同时受磨损及交变应力作用的零件，基主要失效形式是磨损，过量的变形与疲劳断裂（如传动齿轮、凸轮等）。 2. 选材的步骤 l ）分析零件的工作条件及其失效形式，根据具体情况或用户要求确定零件的性能要求（包括使用性能和工艺性能）和最关键的性能指标。一般主要考虑力学性能，必要时还应考虑物理、化学性能。 2 ）对同类产品的用材情况进行调研 3 ）查手册 4 ）初步选择 5 ）审核 6 ）找关键性零件 上述选材步骤只是一般过程，并非一成不变。如对于某些重要零件，如果有同类产品可供参考，则可不必试制而直接投产；对于某些不重要的零件或小批量生产的非标准设备及维修中所用的材料，若对材料选择与热处理方法有成熟的经验和资料，则可不进行试验和试制。 机械零件材料，种类繁多，如何合理地选择，成为一项很重要的工作。每个机械零件不仅要符合一定的外形和尺寸要求，更重要的是要根据零件的服役条件（包括工作环境、应力状态和载荷性质等）选用合适的材料和热处理工艺，以保证零件的正常工作。若材料选择不当或热处理工艺不合理，有时会造成零件的成本较高或加工困难；有时使机械不能正常运转或使设备的寿命缩短，甚至引起机械设备损坏和人身事故。因此，选什么材料及什么样的成形工艺对产品开发、加工制造、服役功能等关系甚大。是直接影响企业经济效益的重要环节。 §11-3 典型零件的选材与工艺 一、 轴的选材与工艺 ㈠ 性能要求 —— 较高强度与较好韧、塑性配合，较高疲劳抗力，轴颈耐磨性。 1. 轻载主轴（如普通车床主轴）—— 45钢调质或正火，轴颈高频表面淬火。 2. 中载主轴（如铣床主轴）—— 40Cr等调质处理，轴颈高频表面淬火。 3. 重载主轴（如组合机床主轴）—— 20CrMnTi ，经渗碳、淬火、回火处理。 4. 高精度主轴（如精密镗床主轴）—— 38CrMoAl ，调质 + 氮化 + 时效。 ㈡ C620 车床主轴 1. 性能要求 —— 综合机械性能一般；大端轴颈等部位较高的硬度及耐磨性。 2. 选材 —— 45钢，硬度HB220—250，轴颈HRC52 。 3. 热处理工艺 —— 820～840℃水淬 + 500～550℃高温回火 4. 最终组织 —— 心部 S’；轴颈表面 M’ 。 二、齿轮的选材与工艺 1. 性能要求 —— 高弯曲、接触疲劳强度，高耐磨性，较高强度及冲击韧性。 2. 选材 中碳钢或合金调质钢 —— 调质 + 表面淬火 + 低温回火 合金渗碳钢 —— 渗碳 + 淬火 + 低温回火 3. 实例 —— 解放牌载重汽车变速箱齿轮 性能要求 —— 表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧性（σb>1000MN/m2，ak>60 J/cm2 ）。 选材 —— 20CrMnTi ，σb > 1080 MN/m2 ，ak >70 J/cm2 。 热处理工艺 —— 900～950℃渗碳 + 820～850℃油淬 + 180～200℃低温回火 最终组织 —— 心部 M’+ F ；齿面 M’+ K + A’ 。 |
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