機械零件用材料及成形工藝的選擇

1、第14章 機械零件用材料及成形工藝的選擇在進行產品設計時，會遇到零件材料選擇的問題；在進行零部件生產過程中，會遇到怎樣使材料成形的問題，材料及其成形工藝的選擇是工程上的重要課題。材料好與壞，它不僅關系到機械零件的使用性能，也關系到零部件的加工制造難度，同時還關系到零件的成本，使用安全性等。在實際工程中，由于選材用材不當而給用戶帶來很多直接或間接的損失，也是常見的。因此，合理的材料選擇，以及采取合適的成形工藝，是保證高質量產品的關鍵。另一方面，材料成本占零件成本的一半以上，合理的的選材，也可降低生產成本，提高經濟效益。本章僅針對機械零件的的選材問題進行討論。在進行材料選擇時，必須考慮現場使用時需

2、要材料有哪些性能，它能夠使用多長時間，它是如何失效的等。因此，選材與零件失效的關系十分密切。14.1材料的失效形式14.1.1 材料的使用條件材料的使用條件總稱為工況。工況研究是對材料進行各種研究的基礎，也是失效研究及選材的基礎。在研究材料時，不能把材料看成一個孤立的系統(tǒng)，在材料的使用和制造過程中，材料與環(huán)境之間始終有能量及物質的交換，因此要十分重視材料的使用環(huán)境，這就是要研究工況的原因；同時也必須重視制造材料的環(huán)境，這就是研究材料工藝性的原因。 下面我們首先來研究材料的使用環(huán)境，即使用工況。工程材料的使用工況由以下幾方面組成：1.負荷情況在使用過程中，工程材料負擔著傳遞動力或承受載荷的任務，

3、必然受到各種各樣載荷的作用。一般地，按照加載速度，材料所受到的載荷可分為靜載荷和動載荷。靜載荷是指加載速率較為緩慢的，大小和方向不隨時間而變化的載荷；動載荷則是指加載速度很大的載荷，或是大小和方向隨時間而變化的載荷。動載荷主要有沖擊載荷和交變載荷兩種類型。材料所受到的各種載荷，按其作用方式又可分為，拉伸、壓縮、彎曲、扭轉、剪切等。材料所受的負荷具體體現為材料受到各種應力的作用，這些應力是拉應力、壓應力、剪應力、切應力，扭矩、彎曲應力等。實際工程材料所受的應力往往是多種應力的復合。所有的工程材料都是在各種應力組成的應力場下工作，沒有不受力的工程材料?？沽δ芰κ菍こ滩牧系幕疽?，力學性能是工程

4、材料的首要性能。如各種工程結構都受到至少是重力的作用，軸和齒輪等傳遞動力的機件都受到壓應力、剪應力、扭矩等力的作用，錘頭受到沖擊力的作用等。2.使用環(huán)境溫度工程材料總是要在環(huán)境所決定的溫度下使用。大多數材料都是在氣溫下工作的，但是氣溫也是隨天氣、地域和季節(jié)的不同而不斷變化的。此外，也有在高溫或低溫下工作的材料。在實際工程中，要求材料具有適應高溫或低溫環(huán)境的能力。各種工業(yè)爐用材，都必須能耐高溫；各種制冷設備用材，都必須能耐低溫；有些時候，材料還應能耐劇烈的溫度變化。3.使用介質材料的使用介質也是材料的使用環(huán)境中必不可少的一部分，材料的使用介質有大氣、淡水、海水、土壤、含泥砂的水、各種酸堿鹽的溶液

5、等。絕大多數材料都是在大氣環(huán)境中工作。大氣是成分復雜的混合物。其中氮氣和氧氣占98%，其它組分是水蒸汽，二氧化碳，惰性氣體、灰塵等。其中氧、水蒸汽、二氧化碳參與材料的腐蝕過程，灰塵對高速運動的部件有一些摩擦作用。在工業(yè)大氣中還含有SO2、SO3、Cl2、HCl、NO、NO2、NH3、H2S等組分。這些組分對材料有較強的腐蝕作用。淡水一般指河水、地下水、湖水等含鹽量低的天然水，其總固溶物含量小于0.1%，PH值在6.58.5%。淡水是主要的工業(yè)用水，它對工程材料有一定的腐蝕作用。若淡水有含有大量的泥砂，就會對運動的材料產生強烈的磨損作用。海水中含有約3.5%的鹽，其中大部分是NaCl。海水對材料

6、有較強的腐蝕作用。海水中的泥砂，生物、溶解的氣體等都對材料的腐蝕作用產生一定的影響。在化工環(huán)境下，材料往往在各種酸堿鹽溶液中使用，主要是水溶液，也有其它溶液。在化工溶液中使用的材料，必須考慮材料的耐腐蝕性。埋設在地下的油氣水管路等都與土壤接觸。土壤主要由土粒、水和空氣組成，是多相組2-織。土粒的成分和尺寸在不同的地方有很大的差異。土壤的水中常溶有H+、Cl-、SO4等物質，對材料有腐蝕作用。在土壤中運動的零件，土壤對其有很大的磨損作用。土壤中常有生物及有機物質，同樣對材料的使用產生影響。4.其它方面材料的使用工況還有來自環(huán)境的如聲、光、電、磁等各種作用，它們對材料使用性能的影響，一般在功能材料

7、中討論，這里就不細講了。14.1.2 .材料的失效及其判據1.材料的失效正如人有生老病死一樣，工程產品也有失效的時候。工業(yè)的發(fā)展，技術的進步，正是人們不斷與產品失效作斗爭的歷史。由于材料本身是不能單獨使用的，它總是要做成機械零件來完成自己的任命。材料與零部件的關系如同布料與衣服的關系，雖然衣服各式各樣，卻都是由布料制作的；另一方面，任何布料都必須通過制作衣服等形式來體現自己的價值。因此在很大程度上，材料的失效都是通過機械零件失效的形式來體現的。機械零件失效了，整個零件一旦報廢，也就意味著材料的失效。因此，分析材料的失效與分析機械零件的失效要結合起來，不能單一地分析材料失效。在材料的使用過程中，

8、發(fā)生了一系列的變化，主要是材料形狀和性能的改變，在它們達不到使用性能要求時，就稱為材料失效。材料的使用性能包括如下一系列性能：力學性能，物理性能、化學性能等。在使用過程中，材料的任何一方面性能達不到使用要求，也就意味著材料的失效。如在高溫工況下，鋼鐵材料的強度不斷降低，在其不能達到所要求的強度指標時，材料就失效了。再如，橡膠材料在使用過程中發(fā)生硬化失去彈力。這些都是材料本身性能發(fā)生變化而失效的。在更多的時候，工程材料的失效并不是材料本身的性能達不到要求，而是由于材料的形狀尺寸在力或其它的作用下改變，使零件達不到所要求的功能，而引起失效。機械零件失效了，也就意味著材料的失效。在使用過程中如果發(fā)生

9、了以下三種情況中的任何一種，即認為該零件已失效：完全破壞不能使用；雖然能工作但不能滿意地起到預定的作用；損傷不嚴重，但繼續(xù)工作不安全。材料的失效實際上是由以下三方面因素所決定的：(1)使用條件因素 同一材料，在不同的使用環(huán)境下，其使用壽命是不同的；不同的使用條件，對材料的性能要求是不一樣的。(2)材料本身的性能 不同材料有不同的性能，材料本身所具有的性能是材料應用的基礎。(3)用戶的期望值 材料能不能用，好用不好用，其標準都是由用戶來定的。當材料的性能或機件的功能達到人的要求時，材料才能用；反之，當材料的性能或機件的功能達不到用戶的要求時，材料就被判為失效而報廢。以上三因素是統(tǒng)一的整體，我們應

10、用材料，其根本目的是應用材料的使用性能，比如耐 2用時間。但是同一材料在不同工況下使用，其使用壽命和質量是不一樣的。比如，碳鋼在空氣中的使用壽命要長于在酸中的使用壽命。另一方面，材料損失或被破壞到什么程度才算失效，也是由人來決定的。這就是材料失效的三個必不可少的條件。2.材料失效的判據從量化分析材料性能的角度來看，如果以表示材料或機件所具有的廣義的性能，如各種力學性能(抗拉強度、抗壓強度、屈服強度、硬度、耐沖擊能力)、耐熱性能、耐腐蝕性能、抗磨性能等；而以表示廣義的許用性能，如各種許用應力、各種許用耐熱性能、許用耐腐蝕性能、許用抗磨性能等。根據失效的基本定義，材料或機件失效的判據為<。即

11、當材料的某一方面性能達不到使用要求時，材料就失效了。從量化分析材料的變形量角度來看，如果以f表示材料或機件所具有的廣義的變形量，如應變量、扭轉量、磨損量、腐蝕量、氧化失重量等；而以f 表示廣義的許用變形量，如各種許用變形量、許用扭轉量、許用磨損量、許用腐蝕量、許用氧化失重量等。那么失效發(fā)生的判據為f>f。相應地零件不失效的判據為f<f。即當零部件某處的變形量超過允許值時，材料就失效了。對于某一零件是否發(fā)生失效，通過實際測量相應性能指標，或是測量實際發(fā)生的各種變形量后，利用以上兩式來判定。14.1.3 .材料的失效形式前面講過，材料的失效與零件的失效是分不開的，下面結合零件的失效一起

12、談一下材料的失效形式。材料的失效形式主要有：材料性能降低、過量變形、斷裂和表面損傷四種。1. 材料性能降低在使用過程中，材料本身的力學性能、物理性能、化學性能等不是一成不變的，隨著不同的使用工況，總是要發(fā)生一定的變化。不同的工況，會對材料的不同方面產生影響。材料的任何一方面性能達不到使用要求時，也就意味著材料的失效。如在高溫工況下，鋼鐵材料的強度不斷降低，在其不能達到所要求的強度指標時，材料就失效了。再如，橡膠材料在使用過程中發(fā)生硬化失去彈力。這些都是材料本身性能發(fā)生變化而失效的。材料在使用過程中，其性能發(fā)生變化是一種自然趨勢，其主要性能降低也是不可避免的。我們進行各種分析的目的不是阻止材料性

13、能降低，而是延緩其降低的速度，延長材料使用壽命，提高其使用性能價格比。這是材料研制工作者的任務。2. 過量變形在使用過程中，材料在各種力的作用下，會發(fā)生各式各樣的變形，當其變形程度超過允許的范圍時，即過量變形時，材料就失效了。材料的過量變形失效包括彈性變形失效、塑性變形失效和蠕變失效等。(1) 彈性變形失效在一定載荷下作用下，零件由于發(fā)生過大的彈性變形而失效，稱為彈性變形失效。如鏜床的鏜桿，彈性變形大就不能保證精度。如電機轉子軸剛度不足時，發(fā)生彈性撓曲，結果造成轉子與定子相撞而破壞。當細長狀或薄壁板狀零件受縱向壓力時，在彈性失穩(wěn)后，發(fā)生較大側向彎曲，進而以塑性彎曲或斷裂而失效。彈性變形失效的零

14、件沒有明顯的外部特征，一般只能從零件的幾何形狀及尺寸、外力的形式及大小等，經過仔細的分析后才能判定。彈性變形失效的最終表現形式往往有塑性變形或斷裂等其它破壞形式。表征材料彈性變形能力的力學指標是剛度，即彈性模量。彈性模量E和密度的比值稱為比模量，是近代工程材料的重要參數。例如鋁的彈性模量E是72000MPa,而鋼為214000MPa,但鋁的比模量大于鋼,因此鋁被大量用作飛機材料。(2)塑性變形失效 是指零件發(fā)生過大的塑性變形而失效。如鍵扭曲、螺栓受載后伸長等，又如齒輪的塑性變形會使嚙合不良，甚至卡死、斷齒。過量的塑性變形是機械零件失效的重要形式，塑性變形是種永久變形，可在零件的形狀和尺寸上表現

15、出來，比較容易判斷和測量。在進行零件設計時，應選擇屈服極限大于其工作應力的材料，允許零件部分區(qū)域發(fā)生一定量的塑性變形，就是針對塑性變形失效而來。表征材料塑性變形能力的力學指標是屈服強度，延伸率、斷面收縮率等。(3) 蠕變失效在恒定載荷和高溫下，蠕變一般是不可避免的，通常是以金屬在一定溫度和應力下，經過一定時間所引起的變形量來衡量。3. 斷裂失效指機械材料在載荷作用下發(fā)生斷裂而失效。斷裂是金屬材料最嚴重的失效形式。金屬斷裂的基本類型，按金屬斷裂處是否發(fā)生宏觀塑變形可分為：韌性斷裂和脆性斷裂。韌性斷裂斷裂前發(fā)生明顯的宏觀塑變，如低碳鋼在拉應力作用下產生顯著塑性變形后斷裂。脆性斷裂斷裂前幾乎不發(fā)生宏

16、觀的塑性變形，如灰鑄鐵在拉應力作用下不產生塑性變形而斷裂。對于塑性斷裂，因它發(fā)生前要出現較大的塑性變形，而這種變形在許多零件上已被判定為塑性變形失效，故這類斷裂在工程上危害不大。工程上比較關心的是低應力脆性斷裂。由于零件上存在尖銳缺口或裂紋，或是零件處于低溫及沖擊載荷條件下，在名義應力低于材料的屈服極限時，也能發(fā)生的斷裂。而這類斷裂發(fā)生前往往沒有明顯征兆，危害性較大。因此下面著重分析低應力脆性斷裂問題。發(fā)生低應力脆性斷裂時，構件沒有明顯的宏觀塑性變形。斷口一般可分為斷裂發(fā)源及裂紋擴展兩個區(qū)域，斷裂發(fā)源區(qū)位于裂紋的尖端或缺口的根部，其精確位置可由裂紋擴展區(qū)的形貌確定；擴展區(qū)上有許多輻射狀花樣，斷

17、口比較粗糙，根據輻射線的走向可確定斷裂源的位置，將斷口放在電鏡下面觀察，很容易確定斷裂的性質。防止零件脆斷的方法，是準確分析零件所受的應力、應力集中的情況，選擇滿足強度要求并具有一定塑性和韌性的材料。低應力脆斷中最重要的有兩種，一種是低中強度鋼由于存在韌脆轉變溫度t,因而其低應脆斷學發(fā)生在韌脆轉變溫度附近以下的低溫區(qū)域內。為了防止脆斷，其最低工作溫度應為：twt +K,K2030°C。另一種是對高強度鋼或大型中、低強度鋼的構件，由于內部常有裂紋，故必須進行防斷安全設計與選材，必須考慮材料的斷裂韌度KIC。材料斷裂的條件為：KI=YKIC。由此，確定構件不發(fā)生斷裂所能承受的工作應力為K

18、IC/Y在交變循環(huán)應力多次作用下發(fā)生的斷裂，稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂失效是機器零件中最常見的失效形式。各種機器中，因疲勞失效的零件達到失效總數的60%70%以上。疲勞斷裂均為表現為脆性斷裂，因而具有突發(fā)性。造成疲勞破壞時，其交變應力的振幅一般遠低于靜載材料 的b,有時甚至低于e,因而靜載荷下安全工作的零件，在交變載荷下可能不安全。在一般情況下，材料對靜載荷的抗力主要取決于材料本身，而在交變載荷下，其疲勞抗力對構件的形狀、尺寸、表面狀態(tài)等敏感，材料內缺陷對疲勞抗力影響較大。為此，為防止產生疲勞斷裂失效，如零件是無限壽命設計，交變工作應力應低于-1；而有限壽命設計，工作應力低于規(guī)定次數下的N，同時以

19、可能使構件獲得高的疲勞極限。表征材料抗斷裂能力的力學指標是抗拉強度。4 零件表面損傷材料的表面損傷有多種形式，其中主要的有磨損、腐蝕、其它外力破壞等。當表面損傷超過許用程度時，就引起材料失效。（1）磨損失效磨損是工程材料又一種普遍的失效形式。據資料介紹，70%的機器是由過量磨損而失效的。磨損不僅消耗材料，損壞機器，而且耗費大量能源。運動產生摩擦，因而帶來磨損。只要材料與其環(huán)境存在相對運動，就會出現材料的磨損問題。工具鋼需要耐磨性，這是因為工具在運動中完成任務；機器及儀器在運轉時，轉軸與軸承間有摩擦；碎石機在工作時，鄂板與巖石之間有摩擦；水管中的流水與管的內壁有摩擦；汽輪機的葉片受著蒸汽或燃氣的

20、沖擊，都要產生磨損。磨損是從表面損壞材料，產生磨損的原因是力學的摩擦作用。磨損是材料的表面薄層斷開而脫離基體的過程，而摩擦是接觸表面相互運動產生熱量，從而使溫度升高的過程。對于材料的耐磨性來說，可將“摩擦副”作為一個系統(tǒng)來考慮，因而耐磨性是這個系統(tǒng)的性能，也可將“摩擦副”的另一組元作為環(huán)境的一個因素來處理。因此，磨損時摩擦副的另一組元是一個重要因素。在工程材料中，磨損可區(qū)分為如下兩方面，機器零件之間相互運動產生“摩擦副”的磨損，二是機件與環(huán)境之間產生的磨損。磨損的基本類型主要有：粘合磨損、磨粒磨損以及表面疲勞磨損。（2）、腐蝕失效材料受環(huán)境介質的化學或電化學作用引起的破壞或變質現象，稱為材料的

21、腐蝕。例如，耐火磚受熔化金屬的腐蝕，水分子在高溫下侵入硅酸鹽材料使之變質，鋼鐵材料的生銹等。按腐蝕環(huán)境的不同。腐蝕分為大氣腐蝕、海洋腐蝕、淡水腐蝕、土壤腐蝕、生物和微生物腐蝕、化工介質腐蝕等。機件在使用過程中，腐蝕是難以避免的，各種產品的零部件常因腐蝕而報廢。實際上，每年全世界都生產大量的金屬材料，隨著機件的失效，其中大部分都通過腐蝕過程返回到大自然中去了。有人估計，十噸鋼鐵中約有三噸因腐蝕而報廢，其中一噸完全變成了鐵銹。腐蝕失效給人類造成了嚴重的損失，在選材時，必須考慮材料的耐蝕性。14.1.4材料失效分析1.失效分析的目的及作用失效分析的目的是找出材料失效的原因，并研究材料的失效規(guī)律、失效

22、速度、失效周期、及失效界定等，從而找出引起材料失效的關鍵因素，并找出提高材料壽命的措施，以便從選材和選工藝的角度來預防零部件的早期失效。材料失效分析是預防不正常失效的基礎，也是材料研究的基礎。2.材料失效的原因材料同其它事物一樣，經過使用后也有失效的時候，材料失效過程本身是一種自然趨勢。材料的正常失效在現實生活中隨處可見。在我們分析實際問題時，材料的失效往往指材料的早期失效，也稱不正常失效。造成零件早期失效的原因有:零件設計因素、零件安裝使用不良因素、選材因素、材料加工工藝因素、材料內部缺陷等因素。2失效分析的思路及步驟（1）失效分析的基本思路在分析失效產生的原因時，必須參照失效的界定來進行。

23、從材料性能的角度進行失效的界定。根據失效的基本定義，材料或機件失效的判據為<。其中表示材料的廣義性能；表示廣義的許用性能。從材料變形的角度進行失效的界定。失效發(fā)生的判據為f>f，相應地零件不失效的判據為f<f。其中f表示材料所具有的廣義變形量，f 表示廣義的許用變形量。對于某一材料是否發(fā)生失效，可由以上二式判定。在進行失效分析時，可檢測失效材料的性能及其變形量，再用各種方法分析造成材料性能的變化和形狀尺寸的改變是由哪些因素引起的，從而找出主要的因素并采取相應的措施。這便是失效分析的基本思路。（2）失效分析的步驟一般來說，失效零件的殘骸上都留下了零件的各種信息，通過分析零件殘骸

24、和使用工況，就能夠找出引起材料失效的原因，提出推遲失效的措施，然后反饋到有關部門，防止早期失效再度發(fā)生，從而提高產品使用壽命。搜集失效零件的殘骸，觀測并記錄損壞部位、尺寸變化和斷口宏觀特征，搜集表面剝落物和腐蝕產物，必要時進行專門的分析和記錄。了解零件的工作環(huán)境。失效經過，觀察相關零件的損壞情況，判斷損壞的順序審查有關零件的設計、材料、加工、安裝、使用維護等方面的資料。試驗研究，取得各種數據。綜合以上各種材料，判斷出引起材料失效的原因，提出改進措施，寫出失效分析報告。失效分析報告除有明確的結論外，還應有足夠的事實與科學試驗結果，以及必要的分析與對策。（3）失效分析中的檢驗方法化學分析。檢驗材料

25、成分與設計是否相符。有時需要采用剝層法，查明化學熱處理零件截面上的化學成分變化情況，必要時，還應采用電子探針等方法，了解局部區(qū)域的化學成分。斷口分析。對斷口做宏觀及微觀觀察，確定裂紋的發(fā)源地、擴展區(qū)和最終斷裂的斷裂性質。宏觀檢查。檢查零件的材料及其在加工過程中產生的缺陷，如與冶金質量有關的疏松、縮孔、氣泡、白點、夾雜物等；與鍛造有關的流線、鍛造裂紋等；與熱處理有關的氧化、脫碳、淬火裂紋等。為此，應對失效部位的表面和縱、橫截面作低倍檢驗，有時還要用無損探傷法檢測內部缺陷及其分布。對于表面強化零件，還應檢查強化層厚度。 顯微分析。判明顯微組織，觀察組織組成物的形狀、大小、數量、分布及均勻性，鑒別各

26、種組織缺陷，判斷組織是否正常，特別注意觀察失效部位與周圍組織的變化，這對查清裂紋的性質，找出失效的原因非常重要。應力分析。采用實驗應力分析方法，檢查失效零件的應力分布，確定損害部位是否為主應力最大的地方，找出產生裂紋的平面與最大主應力之間的關系，以便判定零件幾何形狀與結構受力位置的安排是否合理。力學性能測試。對失效的部位進行力學性能測試，判斷其是否能達到使用要求。并結合金相分析、斷口分析，成分分析等來確定材料力學性能是在使用中發(fā)生改變的，還是在生產時其性能就不符合要求。斷裂力學分析。對于某些零件，要進行斷裂韌性的測定，同時用無損檢測方法探測出失效部位的最大裂紋尺寸，按照最大工作應力，計算出斷裂

27、韌性值，由此判斷材料是否發(fā)生了低應力脆斷。14.2 選材的基本原則和方法14.2.1 選材的基本原則在進行材料及成形工藝的選擇時，首先要考慮到在該工況下材料性能是否達到要求，還要考慮到用該材料制造出零件時其成形加工過程是否容易，同時還要考慮材料或機件的生產 6及使用是否經濟等因素。所以，在選擇材料及成形工藝時，一是要滿足性能要求；二是滿足加工制造的要求；三是要使機件的價廉物美。1.適用性原則適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應工況，并能達到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件，是在進行材料選擇時首先要考慮的問題。材料的使用要求體現在對其化學成分、組織結構、力學性能、物理性能和化學

28、性能等內部質量的要求上。為滿足材料的使用要求，在進行材料選擇時，主要從三個方面給以考慮；零件的負載情況；材料的使用環(huán)境；材料的使用性能要求。零件的負載情況主要指載荷的大小和應力狀態(tài)。材料的使用環(huán)境指材料所處的環(huán)境，如介質、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應力、廣義許用變形等。2.工藝性原則一般地，材料一經選擇，其加工工藝大體上就能確定了。同時加工工藝過程又使材料的性能發(fā)生改變；零件的形狀結構及生產批量、生產條件也對材料加工工藝產生重大的影響。工藝性原則指的是選材時要考慮到材料的加工工藝性，優(yōu)先選擇加工工藝性好的材料，降低材料的制造難度和制造成本。各種成形

29、工藝各有其特點和優(yōu)缺點，同一材料的零件，當使用不同成形工藝制造時，其難度和成本是不一樣的，所要求的材料工藝性能也是不同的。如，當零件形狀比較復雜、尺寸較大時，用鍛造成形往往難以實現，若采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能，在結構上也要適應鑄造或焊接的要求。再如，用冷拔工藝制造鍵、銷時，應考慮材料的伸長率，并考慮形變強化對材料力學性能的影響。3.經濟性原則在滿足材料使用要求和工藝要求的同時，也必須考慮材料的使用經濟性。經濟性原則是指，在選用材料時，應選擇使用性能、成本比較低的材料。材料的使用性能一般可以用使用時間和安全程度來代表。材料的成本包括生產成本和使用成本，一般地，材料

30、成本由下列因素決定：原材料成本，原材料利用率、材料成形成本，加工費、安裝調試費、維修費、管理費等。表14-1是常用材料的價格，供參考。14-1 常用材料價格14.2.2 材料及成形工藝選擇的步驟、方法及依據選擇步驟如下：首先根據使用工況及使用要求進行材料選擇，然后根據所選材料，同時結合材料的成本、材料的成形工藝性、零件的復雜程度、零件的生產批量、現有生產條件和技術條件等，選擇合適的成形工藝。1.選擇材料及其成形工藝的步驟、方法(1) 分析機件的服役條件，找出零件在使用過程中具體的負荷情況、應力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。大多數零件在都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學性能。在其它條件下使用

31、的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學性能。如高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強度和抗氧化性；化工設備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴寒地區(qū)使用的焊接結構，應附加對低溫韌性的要求；在潮濕地區(qū)使用時，應附加對耐大氣腐蝕性的要求等。通過分析或試驗，結合同類材料失效分析的結果，確定允許材料使用的各項廣義許用應力指標，如許用強度、許用應變、許用變形量及使用時間等。找出主要和次要的廣義許用應力指標，以重要指標作為選材的主要依據。根據主要性能指標，選擇符合要求的幾種材料。根據材料的成形工藝性、零件的復雜程度、零件的生產批量、現有生產條件技術條件選擇材料生產的

32、成形工藝。綜合考慮材料成本、成形工藝性、材料性能，使用的可靠性等，利用優(yōu)化方法選出最適用的材料。必要時選材要經過試驗投產，再進行驗證或調整。 上述只是選材步驟的一般規(guī)律，其工作量和耗時都相當大的。對于重要零件和新材料的選材時，才進行大量的基礎性試驗和批量試生產過程，以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經驗來選擇材料，確定材料的牌號和規(guī)格，安排成形工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來的材料及成形工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應找出引起失效的原因，并采取相應的措施。如果是材料或其生產工藝的問題，可以考慮選用新材質或新的成形工藝。2.選材

33、的依據一般依據使用工況及使用要求進行選材，可以從以下四方面考慮：(1)負荷情況工程材料在使用過程中受到各種力的作用，有拉應力、壓應力、剪應力、切應力，扭矩、沖擊力等。沒有不受力的工程材料，工程上主要承力件是傳遞動力或承受載荷的機件，如軸和齒輪。材料在負荷下工作，其力學性能要求和失效形式是和負荷情況緊密相關的。在工程實際中，任何機械和結構，必須保證它們在完成運動要求的同時，而能安全可靠地工作。例如要保證機床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產生過度變形。又如千斤頂頂起重物時，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài)，而不允許突然彎曲。對工程構件來說，只有滿足了強度、剛度、和穩(wěn)定性的要求，

34、才能安全可靠的工作。實際上，在材料力學中對材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況,或根據受力情況進行材料選擇時,除了要查有關材料力學性能手冊時外,還必須應用材料力學的有關知識進行科學地選材。在以力學性能為主的選材時，主要考慮材料的強度，延展性，韌性指標，彈性模量。 首先要弄清所需要的是什么強度，是極限強度還是屈服強度，是拉伸強度還是壓縮強度。室溫下我們考慮屈服強度，高溫下考慮極限強度。如果使用拉伸強度應當考慮韌性較好的材料；如果是壓縮強度，反而考慮脆性材料如鑄鐵陶瓷、石墨等。這些脆性材料都是化學鍵比較強的物質，它們有較高的壓縮強度。如果在動態(tài)應力作用下，屈服強度就失去意義，

35、必須考慮疲勞強度。延展性是與強度同時考慮的，因為一般情況下，強度越高材料的延展性越低。如果二者都很重要，就需要認真選擇。對金屬材料而言，降低晶粒尺寸能夠顯著提高強度而使延展性降低不大；在復合材料中，通過改變纖維的體積分數與排列，可以提高延展性而使強度降低不大。如果材料在使用過程中發(fā)生震動或沖擊，就必須考慮材料的韌性。韌性的指標采用沖擊韌度，但更科學的指標是斷裂韌性KIC。金屬材料具有最高的韌性，高分子材料次之，而陶瓷材料沒有韌性。彈性模量的大小表征物體變形的難易程度。它是反映材料剛性的主要指標。由于多數零件在使用時既不允許折斷，也不允許產生過度變形。因此，根據材料的屈服強度來選材是工程上常用的

36、方法。其方法是：sK其中，s為所選材料的屈服強度為機件在使用工況下的最大應力K為安全系數，對常溫靜載的塑性材料，一般取K=1.41.8，脆性材料，一般取K=2.03.5。這就是說，所選材料的屈服強度應大于材料的最大工作應力，同時必須留有一定的安全余量。根據這種方法進行選材，能滿足多數情況下的強度需要。上面是根據屈服強度進行選材的基本方法。根據材料的實際使用工況，對于還要求其它力學性能指標時，可參照上式的原理來進行選材，即所選材料的該性能指標應大于工作時相 9應的最大工作應力。幾種常見零件受力情況、失效形式及要求的力學性能見表14-2性能手冊。表14-3 部分常用材料的主要力學性能(2)材料的使

37、用溫度大多數材料都在常溫下使用，但是常溫也因地域和季節(jié)的不同而不同，有時能差幾十度。當然還有許多在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。如各種工業(yè)爐用材，都必須能耐高溫；各種制冷設備用材，都必須能耐低溫；有些時候，還要求材料具備承受劇烈的溫度變化的能力。隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當溫度降低到一定程度時，其韌性塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉折溫度。在低于韌脆轉折溫度下使用時，材料容易發(fā)生低應力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時，應選用韌脆轉折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。隨

38、著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會發(fā)生一系列變化，主要是強度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產生的影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不能超過200300C，而合金鋼的使用溫度能超過1150C。一般地，陶瓷材料的耐熱性最高，鋼鐵材料次之，常用有色合金耐熱性較差，有機材料的耐熱性能最差。常用材料的使用溫度范圍如表14-4 所示。表14-4 常用材料的使用溫度范圍(3)受腐蝕情況；在工業(yè)上，一般用腐蝕速度的高低表示材料的耐蝕性的高低。腐蝕速度用單位時間內單位面積上金屬材料的損失量來表示；也可用單位時間內金屬材料的腐蝕深度來表示。工業(yè)上

39、常用6類10級的耐蝕性評級標準從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕。見表14-5表14-5金屬材料耐蝕性的分類評級標準絕大多數工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的，大氣腐蝕是一個普遍性的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為1060m/a,在需要時常涂溥油漆等保護層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。碳鋼在淡水中的腐蝕速度與水中溶解的氧的濃度有關，鋼鐵在含有礦物質的水中腐蝕速度較慢。控制鋼鐵在淡水中腐蝕的常用辦法是添加緩蝕劑。海水中由于有

40、氯離子的存在，鐵鑄鐵、低合金鋼和中合金鋼在海水中不能鈍化腐蝕作用較明顯。鋼鐵在海水中人腐蝕速度為0.13mm/a，鋁、銅、鉛、鋅的腐蝕速度均在0.02mm/a以下。碳鋼、低合金鋼和鑄鐵在各種土壤中的腐蝕速度沒有明顯差別，均為0.20.4mm/。各種材料在20水溶液中的的耐腐蝕性能如表14-6所示，常用陶瓷耐腐蝕性見表14-7。在使用時應根據具體情況從相關手冊中查閱材料的耐蝕性。表14-6 各種金屬材料在20水溶液中的的耐腐蝕級別(4)耐磨損情況影響材料耐磨性的因素如下： （1）、材料本身的性能。 包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導熱性、化學穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。 （2）、磨擦條件 包括相磨物質的

41、特性、磨擦時的壓力、溫度速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。一般來說，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性也較高；如同時具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。并且硬度在使用過程中，也是可變的。易于加工硬化的金屬在磨擦過程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會在磨擦中軟化。鋼鐵的耐磨性及其與硬度的關系如表14-8所示。表中高碳高錳的奧氏體鋼，雖然硬度低，但在磨損過程中產生加工硬化，因而具有較低的磨損系數。圖14-1 示出了各類材料耐磨性與硬度之間的關系。由于剝離材料表面的磨損的基本過程是斷裂，因而韌性較高的金屬材

42、料，在硬度相同時，具有較高的耐磨性。陶瓷材料雖然較硬，但較脆，故耐磨性較低。高分子材料的硬度低，而導熱率約為金屬的10-3，表面能也只有金屬的1/50，因而耐磨性很低。表14-8 鋼鐵的磨損系數3.材料成形工藝的選擇依據一般而言，當產品的材料確定后，其成形工藝的類型就大體確定了。例如，產品為鑄鐵件，則應選鑄造成形；產品為薄板成形件，則應選塑性成形中的成形；產品為ABS塑料件，則應選注塑成形；產品為陶瓷件，則應選相應的陶瓷成形工藝等。然而，成形工藝對材料的性能也產生一定的影響，因此在選擇成形工藝中，還必須考慮材料的各種性能，如力學性能使用性能及某些特殊性能等。(1) 產品材料的性能材料的力學性能

43、例如，材料為鋼的齒輪零件，當其力學性能要求不高時，可采用鑄造成形工藝；而力學性能要求高時，則應選用壓力加工成形工藝。材料的使用性能例如，若選用鋼材模鍛成形工藝制造小轎車、汽車發(fā)動機中的飛輪零件，由于轎車轉速高，要求行駛平穩(wěn)，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成形工藝，而應采用閉式模鍛成形工藝。這是因為，開式模鍛成形工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會被切斷而外露；而閉式模鍛工藝鍛造的鍛件沒有飛邊，可克服此缺點。材料的工藝性能材料的工藝性能包括：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等等

44、。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝。又如，聚四氟已烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動性差，故不宜采用注塑成形工藝，而只宜采用壓制燒結的成形工藝。材料的特殊性能材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕耐熱、導電或絕緣等。如耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成形；如選用塑料制造，則可用注塑成形；如要求既耐熱又耐蝕，那么就應選用陶瓷制造，并相應地選用注漿成形工藝。（2）零件的生產批量對于成批大量生產的產品，可選用精度和生產率都比較高的成形工藝。雖然這些成形工藝裝備的制造費用較高，但這部分投資可由每個產品材料消

45、耗的降低來補償。如大量生產鍛件，應選用模鍛、冷軋、冷撥和冷擠壓等成形工藝；大量生產非鐵合金鑄件，應選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成形工藝；大量生產MC尼龍制件，宜選用注塑成形工藝。而單件小批生產這些產品時，可選用精度和生產率均較低的成形工藝，如手工造型、自由鍛造及澆注與切削加工相聯合的成形工藝。（3）零件的形狀復雜程度形狀復雜的金屬制件，特別是內腔形狀復雜件，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等可選用鑄造成形工藝；形狀復雜的工程塑料制件，多選用注塑成形工藝；形狀復雜的陶瓷制件，多選用注漿成形工藝或陶瓷注塑成形工藝；而形狀簡單的金屬制件，可選用壓力加工、焊接成形工藝；形狀簡單的工程塑料

46、制件，可選用吹塑、擠出成形或模壓成形工藝；形狀簡單的陶瓷制件，多選用模壓成形工藝。若產品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成形工藝。若產品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成形；而精度要求高的，則選用模鍛成形、 14擠壓成形等工藝。若產品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑工藝；而精度要求高的，則選用注塑成形工藝。（4）現有生產條件現有生產條件是指生產產品和設備能力、人員技術水平及外協(xié)可能性等。例如，生產重型機械產品時，在現場沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運輸設備條件下，常常選用

47、鑄造和焊接聯合成形的工藝，即首先將大件分成幾小塊來鑄造后，再用焊接拼成大件。又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機下沖壓成形，但如果現場條件不具備，則應采用其它工藝方法。如：現場沒有薄板，也沒有大型壓力機，就不得不采用鑄造成形工藝生產（此時其壁厚比沖壓件厚）。當現場有薄板，但沒有大型壓力機時，就需要選用經濟可行的旋壓成形工藝來代替沖壓成形。（5）充分考慮利用新工藝、新技術、新材料的可能性隨著工業(yè)市場需求日益增大，用戶對產品品種和品質更新的要求越來越強烈，使生產性質由成批大量變成多品種、小批量，因而擴大了新工藝、新技術、新材料的應用范圍。因此，為了縮短生產周期，更新產品類型及品質，在可能

48、的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成形、注塑成形、粉末冶金、陶瓷等靜壓成形、復合材料成形、快速成形等新工藝、新技術、新材料，采用無余量成形，使零件近凈形化，從而顯著提高產品品質和經濟效益。除此之外，為了合理選用成形工藝，還必須對各類成形工藝的特點、適用范圍以及成形工藝對材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛壞成形工藝的特點見表14-9。表14-9 各種毛壞成形工藝的特點14.3典型零件的材料及成形工藝選擇金屬材料、高分子材料、陶瓷材料及復合材料是目前的主要工程材料，它們各有自己的特性，所以各有其合適的用途。當前這種情況也在隨著科技進步發(fā)生著變化。高

49、分子材料的強度、剛度（彈性模量）低，尺寸穩(wěn)定性較差，易老化，因此在工程上，目前還不能用來制造承受載荷較大的結構零件。在機械工程中，常制造輕載傳動齒輪、軸承、緊固件及各種密封件等。陶瓷材料在高溫下幾乎沒有塑性，在外力作用下不產生塑性變形，易發(fā)生脆性斷裂。因此，一般不能用來制造重要的受力零件。但其化學穩(wěn)定性很好，具有高的硬度和紅硬性，故用于制造在高溫下工件的零件、切削刀具和某些耐磨零件。由于其制造工藝較復雜、成本高，一般機械工程應用還不普遍。復合材料綜合了多種不同材料的優(yōu)良性能，如強度、彈性模量高；抗疲勞、減磨、減振性能好；且化學穩(wěn)定性優(yōu)異；是一種很有發(fā)展前途的工程材料。金屬材料具有優(yōu)良的綜合力學

50、性能和某些物理、化學性能，因此它被廣泛地用于制造各種重要的機械零件和工程結構，是最重要的工程材料。從應用情況來看，機械零件的用材主要是鋼鐵材料。下面介紹幾種典型鋼制零件的選材實例。1.軸桿類零件軸桿零件的結構特點是其軸向尺寸遠比徑向尺寸大。這類零件包括各種傳動軸、機床主軸、絲杠光杠曲軸偏心軸凸輪軸連桿拔叉等。(1)軸的工作條件軸是機械工業(yè)中重要的基礎零件之一。大多數軸都在常溫大氣中使用，其受力情況如下：1） 傳遞扭矩，同時還承受一定的交變彎曲應力。2） 軸頸承受較大的摩擦。3） 大多承受一定的過載或沖擊載荷。 (2)選材顯然，作為軸的材料，如選用高分子材料，彈性模量小，剛度不足，極易變形，所以

51、不合適；如用陶瓷材料，則太脆，韌性差，亦不合適。因此，作為重要的軸，幾乎都選用金屬材料。多數情況下，軸桿類零件是各種機械中重要的受力和傳動零件，要求材料具有較高的強度、疲勞極限、塑性與韌性，即要求具有良好的綜合力學性能。因此，這類零件幾乎都采用鍛造成形方法，常用中碳鋼和合金鋼材料。中碳鋼中45鋼使用最多，合金鋼中40Cr、40CrNi、20CrMnTi、18Cr2Ni4W等也常用。這些材料一般須經調質處理，以使零件具有較好的綜合力學性能。其制造工藝流程如下：棒料鍛造正火或退火粗加工調質處理精加工在滿足使用要求的前提下，某些具有異截面的軸，如凸輪軸曲軸等，也常采用QT450-10，QT500-5

52、，QT600-2等球墨鑄鐵毛坯，以降低制造成本。與鍛造成形的鋼軸相比，球墨鑄鐵有良好的減振性、切削加工性及低的缺口敏感性；此外，它還有較高的力學性能，疲勞強度與中碳鋼相近，耐磨性優(yōu)于表面淬火鋼，經過熱處理后，還可使其強度硬度韌性有所提高。因此，對于主要考慮剛度的軸以及主要承受靜載荷的軸，采用鑄造成形的球墨鑄鐵是安全可靠的。目前部分負載較重但沖擊不大的鍛造成形軸已被鑄造成形軸所代替，既滿足了使用性能的要求，又降低了零件的生產成本，取得了良好的經濟效益。對于在高溫或介質中使用的軸，可考慮使用具有相應耐熱、耐磨、耐腐蝕的材料。2.齒輪類零件齒輪主要是用來傳遞扭矩，有時也用來換檔或改變傳動方向，有的齒

53、輪僅起分度定位作用。齒輪的轉速可以相差很大，齒輪的直徑可以從幾毫米到幾米，工作環(huán)境也有很大的差別，因此齒輪的工作條件是復雜的。大多數重要齒輪的受力共同特點是：由于傳遞扭矩，齒輪根部承受較大的交變彎曲應力；齒的表面承受較大的接觸應力，在工作過程中相互滾動和滑動，表面受到強烈的摩擦和磨損；由于換檔啟動或嚙合不良，輪齒會受到沖擊。因此，作為齒輪的材料應具有以下主要性能：高的彎曲疲勞強度和高的接觸疲勞強度；齒面有高的硬度和耐磨性；輪齒心部要有足夠的強度和韌性。顯然，作為齒輪用材料，陶瓷是不合適的，因為其脆性大，不能承受沖擊。絕大多數情況下有機高分子類材料也是不合適的，其強度硬度太低。對于傳遞功率大、接

54、觸應力大、運轉速度高而又受較大沖擊載荷的齒輪，通常選擇低碳鋼或低碳合金鋼，如20Cr、20CrMnTi等制造，并經滲碳及滲碳后熱處理，最終表面硬度要求為5662HRC。屬于這類齒輪的一般有精密機床的主軸傳動齒輪走刀齒輪和變速箱的高速齒輪。其制造工藝流程如下：棒料鐓粗正火或退火機械加工成形滲碳或碳氮共滲淬火加低溫回火。對于小功率齒輪，通常選擇中碳鋼，并經表面淬火和低溫回火，最終表面硬度要求為4550HRC或5258HRC。屬于這類齒輪的，通常是機床的變速齒輪。其中硬度較低的，用于運轉速度較低的齒輪；硬度較高的，用于運轉速度較高的齒輪。在一些受力不大或無潤滑條件下工作的齒輪，可選用塑料（如尼龍、聚碳酸脂等）來