機(jī)械零件的選材

1、機(jī)械零件的選材 在機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，如何合理地選擇材料是一項(xiàng)十分重要的工作。機(jī)械零件的設(shè)計(jì)不單是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還應(yīng)包括材料和工藝的設(shè)計(jì)，故從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的工程技術(shù)人員，必須掌握各種材料的特性，會(huì)正確選擇和使用，并能初步分析機(jī)器及零件使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種材料問(wèn)題。1、工程材料的強(qiáng)化方式： 固溶強(qiáng)化、加工硬化、細(xì)化組織強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化。2、工程材料的韌化途徑： 細(xì)化晶粒、調(diào)整化學(xué)成分、形變熱處理、低碳馬氏體強(qiáng)韌化。一、選材的基本原則 滿(mǎn)足機(jī)件的使用性能要求 較好的加工工藝性 較好的經(jīng)濟(jì)性1、材料的使用性能應(yīng)能滿(mǎn)足使用要求 使用性能與選材材料的使用性能是選材時(shí)考慮的最主

2、要根據(jù)首先要準(zhǔn)確地判斷零件所要求的主要使用性能。（1）從工作條件及失效形式的分析提出使用性能要求 承受載荷的類(lèi)型及大小如承受持久作用的靜載荷，對(duì)彈性或塑性變形的抗力是最主要的使用性能；承受交變載荷，則疲勞抗力是重要的使用性能。 工作環(huán)境溫度、介質(zhì)的性質(zhì)等 特殊要求的性能電、熱、磁、比重、外觀(guān)等 失效分析為正確選材提供了重要依據(jù)，其目的是找出零件損壞的原因。如失效分析證明零件損壞確系選材不當(dāng)所致，則可通過(guò)選擇合適的材料來(lái)防止失效。（2）從使用性能要求提出機(jī)械、物理、化學(xué)等性能要求 使用性能要求 可測(cè)的實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo) 初選 一般根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)的數(shù)據(jù)選材，應(yīng)注意：材料的性能與加工、處理?xiàng)l件有密切的關(guān)系

3、。材料的性能與加工處理時(shí)試樣毛坯的尺寸有很大關(guān)系。 材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)、性能都有一個(gè)允許的波動(dòng)范圍 只要零件的尺寸、處理?xiàng)l件與手冊(cè)所給的相同，按手冊(cè)性能選材是偏安全的 手冊(cè)一般給出：s 、b 、 、 、ak 目前工程上往往用硬度來(lái)作為零件的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（簡(jiǎn)單、非破壞性、硬度與其他性能之間有大致固定的關(guān)系），此時(shí)還須對(duì)處理工藝（主要是熱處理工藝）作出明確規(guī)定。 2、材料的工藝性應(yīng)滿(mǎn)足加工要求 材料的工藝性能，即加工成零件的難易程度，自然是選材時(shí)必須考慮的重要問(wèn)題。在選材中，同使用性能比較，工藝性能處于次要地位，但在某些情況下，如大量生產(chǎn)時(shí)，工藝性能則可能成為選材考慮的主要依據(jù)。實(shí)

4、際選材時(shí)，一般是從零件的工藝路線(xiàn)中提出對(duì)材料的工藝性能要求。金屬零件按其形狀、性能要求，可有很多種不同的加工工藝路線(xiàn)。 鋼鐵零件的工藝路線(xiàn)大體可分為三類(lèi)：性能要求不高的一般零件（一般用鑄鐵、碳鋼制造）毛坯 正火或退火 機(jī)械加工 零件性能要求較高的一般零件（合金鋼、高強(qiáng)度鋁合金）毛坯預(yù)先熱處理（正火或退火） 粗加工最終熱處理（淬火回火、固溶時(shí)效、化學(xué)處理等） 精加工要求較高的精密零件毛坯預(yù)先熱處理（正火或退火） 粗加工熱處理（淬火回火、固溶時(shí)效、化學(xué)處理等） 半精加工穩(wěn)定化處理精加工穩(wěn)定化處理零件高耐磨性者還須進(jìn)行氮化處理金屬材料的加工工藝性能有： 鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱

5、處理性能等。 如果設(shè)計(jì)的是鑄件，最好選擇共晶合金；設(shè)計(jì)鍛件、沖壓件，最好選擇固溶體的合金；設(shè)計(jì)焊接件，則不應(yīng)選用鑄鐵、銅合金、鋁合金，應(yīng)選低碳鋼或低碳合金鋼；絕大部分機(jī)械零件都要經(jīng)過(guò)切削加工，一般將鋼鐵材料的硬度控制在160230HBS 。制造高強(qiáng)度及大截面、形狀復(fù)雜的零件，須選用合金鋼。3、材料的價(jià)格和總成本應(yīng)經(jīng)濟(jì)、低廉 經(jīng)濟(jì)性是選材必須考慮的重要問(wèn)題。選材的經(jīng)濟(jì)性不單指選用的材料本身的價(jià)格應(yīng)便宜，更重要的是應(yīng)使產(chǎn)品的總成本降至最低。同時(shí)，所選材料應(yīng)符合國(guó)家的資源狀況和供應(yīng)情況，其品種、規(guī)格應(yīng)盡量少而集中。 零件的總成本包括：材料的價(jià)格、零件自重、零件壽命、零件加工費(fèi)用、試驗(yàn)研究費(fèi)、維修費(fèi)用

6、等 另外還應(yīng)考慮可持續(xù)性（環(huán)保、資源等） 一般的說(shuō)，在滿(mǎn)足零件機(jī)械性能的前提下，選用碳鋼、鑄鐵可降低成本?，F(xiàn)在用球墨鑄鐵代替鍛鋼制造曲軸、齒輪等重要零件，不僅降低了成本，而且節(jié)約了加工工時(shí)，延長(zhǎng)了使用壽命。由于低合金鋼強(qiáng)度比碳鋼高，工藝性能接近碳鋼，故在有些情況下，選用低合金鋼往往經(jīng)濟(jì)效益比較顯著。二、選材的一般一般步驟及具體方法1、零件材料選擇的步驟 1）在分析零件的工作條件、形狀尺寸與應(yīng)力狀態(tài)后，確定零件的技術(shù)條件。 2）通過(guò)分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類(lèi)零件失效分析結(jié)果，找出零件在實(shí)際使用中的主要和次要失效抗力指標(biāo)，以此作為選材的依據(jù)。 3）根據(jù)力學(xué)計(jì)算，確定零件應(yīng)具有的主要力學(xué)性能指標(biāo)，通過(guò)比較

7、選擇合適材料。 4）審核所選材料的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。 5）試驗(yàn)、投產(chǎn)。2、零件選材的具體方法簡(jiǎn)介 新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零件通常應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)；按力學(xué)性能選材，具體方法有以下三種類(lèi)別： 1）以綜合力學(xué)性能為主進(jìn)行選材；P257-258 2）以疲勞強(qiáng)度為主進(jìn)行選材；P258 3）以磨損為主進(jìn)行選材。P258-260 典型零件的選材實(shí)例分析一、工程材料應(yīng)用概括 金屬、陶瓷和高分子材料是三類(lèi)最重要的工程材料，各有特性，故各有其最合適的用途。 高分子材料強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性均較低，不耐高溫。目前還很少用于制造重要的機(jī)器結(jié)構(gòu)零件。但因其減振性、減摩性、耐蝕性好，比重很小，常制輕載傳動(dòng)齒輪、軸承、密封墊圈等

8、。陶瓷材料性太脆，不能用于制造重要的受力構(gòu)件。但其化學(xué)穩(wěn)定性、熱硬性好，硬度高，常用于制造高溫下工作的零件如燃燒器、噴嘴等，及切削刀具、某些耐磨零件、石油化工容器等耐蝕件。 金屬材料具有最優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，強(qiáng)度高、韌性好、疲勞抗力也高，可用來(lái)制造各種重要的機(jī)器零件和工程結(jié)構(gòu)，鋼鐵目前仍是最重要的結(jié)構(gòu)材料。二、機(jī)床零件用材分析 其工作條件較好、受力較小，故大多數(shù)零件選材時(shí)，剛度是要考慮的主要問(wèn)題。機(jī)床大部分零件不必采用高級(jí)材料制造，而是采用碳鋼和鑄鐵。1、機(jī)床主軸 輕載主軸（如普通車(chē)床主軸）一般用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火，在要求耐磨部位采用高頻表面淬火 中載主軸（如銑床主軸）一般用40Cr、45鋼

9、或球墨鑄鐵，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，耐磨部位表面淬火強(qiáng)化。 重載主軸（如組合機(jī)床主軸）一般用20CrMnTi鋼制造，經(jīng)滲碳、淬火、回火處理高精度主軸（如精密鏜床主軸）一般用38CrMoAl鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行氮化處理及尺寸穩(wěn)定化處理2、機(jī)床齒輪 輕載齒輪45鋼，正火或調(diào)質(zhì) 中載齒輪（主傳動(dòng)系統(tǒng)及進(jìn)給系統(tǒng)中的齒輪）45鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理加高頻表面淬火強(qiáng)化或40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理加高頻表面淬火強(qiáng)化 重載齒輪20Cr或20CrMnTi ，經(jīng)滲碳加淬火、低溫回火3、機(jī)床導(dǎo)軌 常用灰鑄鐵HT200或高磷耐磨鑄鐵等制造，可進(jìn)行表面淬火處理，要進(jìn)行長(zhǎng)期的穩(wěn)定尺寸的人工時(shí)效處理三、汽車(chē)零件用材分析 工作條件比機(jī)床復(fù)雜得

10、多：受力非常復(fù)雜，常受較大的沖擊和過(guò)載；工作環(huán)境惡劣，要在變化很大的溫度、濕度及塵 土飛揚(yáng)的條件下工作。 采用低合金高強(qiáng)鋼，可提高材料的比強(qiáng)度，從而減輕汽車(chē)自重，提高重量利用系數(shù)（載重量 /自重 ），降低油耗和汽車(chē)成本。汽車(chē)的結(jié)構(gòu)大體分為四部分： 發(fā)動(dòng)機(jī)部分（汽缸體、活塞、連桿、曲軸、進(jìn)排氣閥等） 底盤(pán)部分（離合器、變速箱、傳動(dòng)軸、車(chē)架、輪胎、方向盤(pán)、制動(dòng)片、氣泵等） 車(chē)身部分（駕駛室、車(chē)廂等） 電氣部分（起動(dòng)、點(diǎn)火、照明、訊號(hào)等）發(fā)動(dòng)機(jī)零件用材： 缸體、缸蓋、飛輪HT200去應(yīng)力退火；或用ZL104做缸體、缸蓋，須淬火+時(shí)效處理曲軸QT600-02或鍛鋼，經(jīng)表面淬火或氮化 活塞銷(xiāo)20、20Cr、20CrMnT