工程材料及熱處理-第十章

工程材料及熱處理第十章工程材料的選用掌握各種工程材料的特性，正確地選擇和使用材料，并能初步分析機器及零件使用過程中出現(xiàn)的各種材料問題，是對從事機械設(shè)計與制造的工程技術(shù)人員的基本要求，因為機器零件的設(shè)計不單是結(jié)構(gòu)設(shè)計，還應(yīng)該包括材料與工藝的設(shè)計。許多機械工程師把選材看成一種簡單而不太重要的任務(wù)。當(dāng)碰到零件的選材問題時，他們一般都是參考相同零件或類似零件的用材方案，選擇一種傳統(tǒng)上使用的材料（這種方法稱為經(jīng)驗選材法）。當(dāng)無先例可循，同時對材料的性能（如耐腐蝕性能等）又無特殊要求時，他們僅僅根據(jù)簡單的計算和手冊提供的數(shù)據(jù)，信手選定一種較萬能的材料，如45鋼。但這種簡單化的處理方法已日益暴露出種種缺點，并證明是許多重大質(zhì)量事故的根源。所以，選材正在逐漸變成一種嚴格地建立在試驗與分析基礎(chǔ)上的科學(xué)方法。掌握這種選材方法的要領(lǐng)，了解正確選材的過程，顯然具有很大的實際價值。在機械制造業(yè)中，新設(shè)計的機械產(chǎn)品中的每一個機械零件或工程構(gòu)件、工藝裝備和非標準設(shè)備，機械產(chǎn)品的改型，機械產(chǎn)品中某些零件需要更換材料，進口設(shè)備中某些零配件需用國產(chǎn)零配件代用等，都會遇到材料的選用。一般機械零件，在設(shè)計和選材時，大多以使用性能指標作為主要依據(jù)。而對機械零件起主導(dǎo)作用的機械性能指標，則是根據(jù)零件的工作條件和失效形式提出的。零件在工作過程中最終都要發(fā)生失效。所謂失效是指：（1）零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；（2）嚴重損傷，繼續(xù)工作很不安全；（3）雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用。只要發(fā)生上述三種情況中的任何一種，都認為零件已經(jīng)失效。失效分析的目的就是要找出零件損傷的原因，并提出相應(yīng)的改進措施?，F(xiàn)代工業(yè)中零件的工作條件日益苛刻，零件的損壞往往會帶來嚴重的后果，因此對零件的可靠性提出了越來越高的要求。此外，從經(jīng)濟性考慮，也要求不斷提高零件的壽命。這些都使得失效分析變得越來越重要。失效分析的結(jié)果對于零件的設(shè)計、選材、加工以至使用，都有很大的指導(dǎo)意義。零件的失效形式與提高材料性能的途徑10.110.1.1零件的失效與失效分析1）設(shè)計與失效設(shè)計上導(dǎo)致零件失效的最常見原因是結(jié)構(gòu)或形狀不合理，即在零件的高應(yīng)力處存在明顯的應(yīng)力集中源，如各種尖角、缺口和過小的過渡圓角等。另一種原因是對零件的工作條件估計錯誤，如對工作中可能的過載估計不足，導(dǎo)致設(shè)計零件的承載能力不夠。發(fā)生這類失效的原因在于設(shè)計，但可通過選材來避免，尤其是當(dāng)零件的結(jié)構(gòu)與幾何尺寸基本固定而難以做較大的改動時。現(xiàn)在很少發(fā)生由于計算錯誤造成的設(shè)計事故。1零件失效的原因零件的失效可以由多種原因引起，大體上可分為設(shè)計、材料、加工和安裝使用四個方面，如圖10-1所示。圖10-1導(dǎo)致零件失效的主要原因2）材料與失效選材不當(dāng)是材料方面導(dǎo)致失效的主要原因。雖然問題出在材料上，但責(zé)任在設(shè)計者身上。最常見的情況是，設(shè)計者僅根據(jù)材料的常規(guī)性能指標作出決定，而這些指標根本不能反映材料對所發(fā)生的那種類型失效的抗力。另一種情況是，盡管預(yù)先對零件的失效形式有較準確的估計，并提出了相應(yīng)的性能指標作為選材的依據(jù)，但由于考慮到其他因素（如經(jīng)濟性、加工性能等），使得所選材料的性能數(shù)據(jù)不合要求，因此導(dǎo)致了失效。材料本身的缺陷也是導(dǎo)致零件失效的一個重要原因，常見的缺陷是夾雜物過多、過大，雜質(zhì)元素太多，或者有夾層、折疊等宏觀缺陷。因此，對原材料加強檢驗是非常重要的步驟。3）加工與失效零件加工成形過程中，由于加工工藝不良，也會造成各種缺陷。例如，鍛造不良可造成帶狀組織、過熱或過燒現(xiàn)象等；冷加工不良時光潔度太低，產(chǎn)生過深的刀痕、磨削裂紋等；熱處理不良可造成過熱、脫碳、淬火裂紋和回火不足等，這些都可導(dǎo)致零件的失效。加工不良造成的缺陷，尤其是熱處理時產(chǎn)生的缺陷，與零件的設(shè)計有很大的關(guān)系。零件的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會大大增加熱處理缺陷發(fā)生的可能性。若零件熱處理后殘留有較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至有難以檢查出來的裂紋，使用中必定會造成嚴重的損壞。4）安裝使用與失效零件安裝時配合過緊、過松、對中不準、固定不緊等均可造成失效或事故。在制造廠管理比較嚴格的情況下，使用不當(dāng)?？沙蔀榱慵p壞的主要原因。對機器的維護保養(yǎng)不好，沒有遵守操作規(guī)程及工作時有較大幅度的過載等也可以造成零件的失效。2零件失效的形式零件在工作時的受力情況一般比較復(fù)雜，往往承受多種應(yīng)力的復(fù)合作用，因此造成零件的不同失效形式。零件的失效形式有超量變形、斷裂和表面損傷三大類型，如圖10-2所示。圖10-2零件失效形式的分類必須指出，實際零件在工作中往往不只是一種失效方式起作用。例如，一個齒輪，齒面之間的摩擦導(dǎo)致表面磨損失效，而齒根可能產(chǎn)生疲勞斷裂失效，兩種方式同時起作用。但一般來講，造成一個零件失效時總是一種方式起主導(dǎo)作用，很少有兩種方式同時都使零件失效。失效分析的目的實際上就是要找出主要的失效形式。此外，各類基本失效方式可以互相組合，形成更復(fù)雜的復(fù)合失效方式，如腐蝕疲勞、蠕變疲勞和腐蝕磨損等。但它們在特點上都各自接近于其中某一種方式，而另一種方式是輔助的，因此在分析時往往被歸入主導(dǎo)方式一類中，如腐蝕疲勞，疲勞特征是主導(dǎo)因素，腐蝕是起輔助作用的，因此被歸入疲勞一類進行分析。3失效分析的一般方法正確的失效分析，是找出零件失效原因，解決零件失效問題的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。機械零件的失效分析是一項綜合性的技術(shù)工作，大致有如下程序。（1）盡量仔細地收集失效零件的殘骸，并拍照記錄實況，確定重點分析的對象，樣品應(yīng)取自失效的發(fā)源部位，或能反映失效的性質(zhì)或特點的地方。（2）詳細記錄并整理失效零件的有關(guān)資料，如設(shè)計情況（圖紙）、實際加工情況及尺寸、使用情況等。根據(jù)這些資料全面地從設(shè)計、加工和使用各方面進行具體的分析。（3）對所選試樣進行宏觀（用肉眼或立體顯微鏡）及微觀（用高倍的光學(xué)或電子顯微鏡）斷口分析，以及必要的金相剖面分析，確定失效的發(fā)源點及失效的方式。（4）對失效樣品進行性能測試、組織分析、化學(xué)分析和無損探傷，檢驗材料的性能指標是否合格，組織是否正常，成分是否符合要求，有無內(nèi)部或表面缺陷等，全面收集各種必要的數(shù)據(jù)。（5）在某些情況下需要進行斷裂力學(xué)分析計算，以便于確定失效的原因及提出改進措施。（6）綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效的具體原因，提出改進措施，寫出報告。提示在失效分析中，有兩項最重要的工作。一是收集失效零件的有關(guān)資料，這是判斷失效原因的重要依據(jù)，必要時作斷裂力學(xué)分析；二是根據(jù)宏觀及微觀的斷口分析，確定失效發(fā)源地的性質(zhì)及失效方式。第二項工作尤為重要，因為它除了告訴我們失效的精確地點和應(yīng)該在該處測定哪些數(shù)據(jù)外，同時還對可能的失效原因能作出重要指示。例如，沿晶斷裂應(yīng)該是材料本身、加工或介質(zhì)作用的問題，與設(shè)計關(guān)系不大。4失效分析與選材通過失效分析，可以了解材料的破壞方式，這就可以作為選材的重要依據(jù)。從零件失效的角度看，選材時應(yīng)考慮以下幾個方面的問題。1）彈性變形失效與選材從材料角度分析，控制彈性變形失效難易程度的指標是彈性模量。在容易發(fā)生彈性變形失效時，應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。而各類材料的彈性模量差別相當(dāng)大，金剛石與各種碳化物、硼化物陶瓷的彈性模量最高；其次為氧化物陶瓷與難熔金屬，鋼鐵也具有較高的彈性模量，有色金屬則要低一些；高分子材料的彈性模量最低。因此在要求零件有較高剛度，而不能發(fā)生過大彈性變形時，不能用高分子材料。但是有些纖維復(fù)合材料具有相當(dāng)大的彈性模量值，由于其比重低，在許多特殊的場合（如飛行器結(jié)構(gòu)）有很大用途。2）塑性變形失效與選材決定塑性變形失效難易程度的指標是材料的屈服強度。在經(jīng)典設(shè)計中，屈服強度是衡量材料承載能力最重要的指標。在很長一段時間內(nèi)，獲得高強度材料是材料學(xué)家和工程師的主要努力目標。從屈服強度的角度看，金剛石和各種碳化物、氧化物、氮化物陶瓷材料的屈服強度最高，但因為它們極脆，做拉伸試驗時，在遠未達到屈服應(yīng)力下即已脆斷，因此根本不能通過拉伸試驗來測定其屈服強度。由于這種材料太脆，強度高的特點發(fā)揮不出來，因此不能作為高強結(jié)構(gòu)材料。高強合金鋼的強度僅次于陶瓷，廣泛地應(yīng)用于各種高強結(jié)構(gòu)之中。一般來講，塑料的強度很低，目前最高強度的塑料也超不過鋁合金，因此在要求零件有高強度時，不能使用塑料。3）脆性斷裂失效與選材描述材料脆性斷裂難易程度的指標是沖擊韌性、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性。從韌性的角度考慮，韌性最高的是各種奧氏體鋼，其次是合金低碳鋼，鋁合金韌性通常并不好，而鑄鐵的韌性通常很低，高碳工具鋼和軸承鋼韌性也不好，不能用來制造要求韌性較高的結(jié)構(gòu)零件。4）疲勞斷裂失效與選材疲勞壽命分為低周疲勞與高周疲勞壽命兩種。一般對于具有高頻率交變載荷的構(gòu)件，應(yīng)選用高周疲勞壽命比較高的材料，如彈簧等。對于具有低頻率交變載荷的構(gòu)件，應(yīng)選用低周疲勞壽命比較高的材料，如抗地震建筑材料。5）蠕變失效與選材蠕變失效通常發(fā)生在高溫下，所以抗蠕變失效的材料應(yīng)是耐高溫材料。選材時主要考慮材料的工作溫度和工作應(yīng)力，在較高應(yīng)力和較低溫度下，可選用各種耐熱鋼及高溫合金。在較低應(yīng)力和較高溫度下，應(yīng)選用高熔點材料，如難熔金屬和陶瓷材料。對金屬材料還應(yīng)使其晶粒盡可能大，甚至采用單晶材料，晶界也應(yīng)平行于受力方向排列。6）表面損傷失效與選材對于在有摩擦應(yīng)力存在的場合，應(yīng)考慮表面損傷的影響。對于粘著磨損，所選材料應(yīng)與和它配合工作的材料不屬同類，而且摩擦系數(shù)盡可能小，同時，材料的硬度要高，材料最好有自潤滑能力，或有利于保存潤滑劑（如有孔隙等）。對于磨粒磨損，選用材料的硬度要高，材料組織中應(yīng)含有較多的耐磨硬相，如白口鑄鐵耐磨粒磨損性能就較好。10.1.2工程材料的強度與強韌化1工程材料的強度一般來講，工程材料的強度是材料失效抗力的綜合表征，它與所有的機械性能指標，包括彈性、延伸率、硬度、沖擊韌性等有關(guān)，也與材料在靜、動載荷下對應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)、溫度、接觸介質(zhì)的敏感性有關(guān)。在進行機械產(chǎn)品設(shè)計，選取工程材料強度指標時，應(yīng)注意以下幾個方面的問題。1）材料強度與零件強度的關(guān)系機械零件的強度，一般表現(xiàn)為它的短時承載能力以及長期使用壽命，它是由許多因素確定的。其中，結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素和材料因素三方面起主要作用，使用因素對壽命也往往起很大作用。結(jié)構(gòu)因素是指零件在整機中的作用，零件的形狀和尺寸，以及與其他連接件的配合關(guān)系等。加工工藝因素是指全部加工工藝過程中對零件強度所產(chǎn)生的影響。材料因素是指材料的成分、組織與性能。這三個因素各自有獨立的作用，又相互影響，在解決零件強度有關(guān)問題時必須綜合考慮上述三方面因素。2）材料強度指標數(shù)據(jù)的條件性在手冊中給出的材料強度指標都是在一定的條件下所測得的數(shù)據(jù)。在實際選用時，應(yīng)注意其尺寸效應(yīng)和條件性。例如，對于45鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)標準拉伸試樣，所測得的屈服強度為450MPa，但對于同一材料，尺寸為φ80mm的試件來講，其調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的屈服強度遠遠低于450MPa。3）材料強度與零件失效方式的關(guān)系材料強度問題就是研究抵抗零件失效的規(guī)律。零件失效的主要方式不同，所要求的失效抗力的正確判據(jù)（強度指標類別）也就不同。因此，必須從零件的具體工作條件出發(fā)，通過典型失效分析，找出造成零件失效的主導(dǎo)因素，正確選擇強度判據(jù)指標。在設(shè)計機械產(chǎn)品時，主要是根據(jù)正確選擇的強度判據(jù)指標進行定量計算，以確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和零件的尺寸。但是，也應(yīng)考慮和兼顧到其他非主導(dǎo)或不能直接應(yīng)用于設(shè)計計算的強度指標（如A，Z，KU等）。否則，不能實現(xiàn)最經(jīng)濟合理的設(shè)計。2工程材料的強化方式作為機械產(chǎn)品的設(shè)計者，對工程材料的強化方式和強化手段也應(yīng)當(dāng)有所了解，以便最經(jīng)濟、最合理地選擇材料和確定強化方式。對于晶體材料而言，由于其塑性變形的實質(zhì)是位錯運動，所以晶體強化的本質(zhì)就是阻礙晶體中位錯的運動。常見的工程材料的強化方式主要有以下六種。1）固溶強化當(dāng)兩種或兩種以上的元素形成合金時，溶質(zhì)原子溶入基體的晶格中，由于溶質(zhì)原子與溶劑原子的大小差異，造成晶格畸變，阻礙了位錯的運動，從而使強度升高。這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是工程材料中應(yīng)用得最廣泛的強化方式之一，普通低合金鋼、鋁鋅合金、單相黃銅等都是主要依靠固溶強化來提高強度的。2）加工硬化材料在變形時，隨著變形量的增加，其強度和硬度提高，而塑性和韌性下降的現(xiàn)象稱為加工硬化。這種強化方式實際上是一種位錯強化，強化的主要原因是由于位錯密度的增加導(dǎo)致位錯運動困難，從而提高了材料的強度。冷拔彈簧鋼絲是典型的加工硬化的例子，經(jīng)過加工硬化的鋼絲強度可達到2800MPa以上。3）細晶強化細晶強化又稱晶界強化。晶界的作用主要有兩點，一方面它是位錯運動的障礙；另一方面它又是位錯聚集的地點。所以晶粒越細小，則晶界面積越大，位錯密度也增大，從而強度提高。細晶強化的特點是，在提高強度的同時，其塑性和韌性也隨之提高，這是其他強化方式所不能比擬的。因此，細晶強化是提高材料性能最好的手段之一。在孕育鑄鐵、鋁硅基鑄造鋁合金都是通過孕育處理細化組織來提高強度的。4）第二相強化第二相強化包括沉淀強化、彌散強化和雙相合金中的第二相強化。當(dāng)合金中存在兩相時，第二相粒子在基體中會阻礙位錯運動，這導(dǎo)致強度提高。鋁銅合金、鋁銅鎂合金、鋁鎂硅合金、鈹青銅是典型的沉淀強化；燒結(jié)鋁、TD-鎳、經(jīng)淬火和時效處理的TC類鈦合金則是彌散強化的代表；而兩相黃銅中的α相和β相、共析鋼中的珠光體組織等則是第二相強化的典型例子。5）相變強化在鋼鐵材料中，常采用相變強化方式來強化合金。例如，通過貝氏體相變、馬氏體相變來進行強化。這種相變強化實際上是多種強化效果的綜合，所以其強化效果十分顯著。6）復(fù)合強化在復(fù)合材料中，由于其中的增強相對基體變形有約束作用，所以提高了變形抗力，導(dǎo)致強度提高。例如，用水泥和骨料（沙子或石子）組成的混凝土，用碳黑作填料的橡膠，由玻璃纖維制造的玻璃鋼等，都是典型的復(fù)合材料。復(fù)合材料中的硬質(zhì)相對強度性能的提高起主要作用。3工程材料的韌化途徑在選材時，不能片面地追求強度指標。由于材料的強度和韌性往往是相互矛盾的，一般情況下，增加強度往往要犧牲韌性，而韌性的降低又意味著材料發(fā)生脆化。因此，在選材時，要尋求高強度同時兼有高韌性的材料，才能保證使用的可靠性。下面從材料的角度介紹工程材料的主要韌化途徑。1）細化晶粒晶粒細小均勻，不僅強度高，而且韌性好，同時還可以降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。所以晶粒細化是鋼材、鋁合金重要的強韌化途徑之一。2）調(diào)整化學(xué)成分降低合金材料中的雜質(zhì)元素含量，或者加入某些抑制有害元素作用的合金元素，都可以使合金的韌性提高。例如，降低鋼材中碳含量和有害雜質(zhì)元素的含量，加入鎳、錳進行合金化可以大大提高鋼材的韌性。3）形變熱處理形變熱處理是將形變強化（鍛、軋等）與熱處理強化結(jié)合起來，使金屬材料同時經(jīng)受形變和相變，從而使晶粒細化、位錯密度升高、晶界發(fā)生畸變，達到提高綜合機械性能的目的。4）低碳馬氏體強韌化低碳馬氏體是一種既有高強度又具有韌性的相。選用低碳或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，通過高溫加熱淬火和低溫回火，以獲得位錯型板條馬氏體組織，是鋼材強韌化的重要途徑。機械零件的選材是一項十分重要的工作。選材是否恰當(dāng)，特別是一臺機器中關(guān)鍵零件的選材是否恰當(dāng)，將直接影響到產(chǎn)品的使用性能、使用壽命及制造成本。選材不當(dāng)，嚴重的可能導(dǎo)致零件的完全失效。零件選材的一般原則和方法10.210.2.1選材的一般原則判斷零件選材是否合理的基本標志是：能否滿足必需的使用性能；能否具有良好的工藝性能；能否實現(xiàn)最低成本。選材的任務(wù)就是求得上述三者之間的統(tǒng)一。1零件選材應(yīng)滿足零件工作條件對材料使用性能的要求材料在使用過程中的表現(xiàn)，即使用性能，是選材時考慮的最主要根據(jù)。不同零件所要求的使用性能是很不一樣的，有的零件主要要求高強度，有的則要求高的耐磨性，而另外一些甚至無嚴格的性能要求，僅僅要求有美麗的外觀。因此，在選材時，首要的任務(wù)就是準確地判斷零件所要求的主要使用性能。對所選材料使用性能的要求是在對零件的工作條件及零件的失效分析的基礎(chǔ)上提出的。零件的工作條件是復(fù)雜的，要從受力狀態(tài)、載荷性質(zhì)、工作溫度、環(huán)境介質(zhì)等幾個方面全面分析。受力狀態(tài)有拉、壓、彎、扭等；載荷性質(zhì)有靜載、沖擊載荷、交變載荷等；工作溫度可分為低溫、室溫、高溫、交變溫度；環(huán)境介質(zhì)為與零件接觸的介質(zhì)，如潤滑劑、海水、酸、堿、鹽等。為了更準確地了解零件的使用性能，還必須分析零件的失效方式，從而找出對零件失效起主要作用的性能指標。如表10-1所示列舉了一些常用零件的工作條件、主要失效方式及所要求的主要機械性能指標。零件名稱工作條件主要失效方式主要機械性能指標重要螺栓交變拉應(yīng)力過量塑性變形或由疲勞而造成破斷屈服強度，疲勞強度，硬度重要傳動齒輪交變彎曲應(yīng)力，交變接觸壓應(yīng)力，齒表面受帶滑動的滾動摩擦和沖擊載荷齒的折斷，過度磨損或出現(xiàn)疲勞麻點抗彎強度，疲勞強度，接觸疲勞強度，硬度曲軸、軸類交變彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，沖擊負荷，磨損疲勞破斷，過度磨損屈服強度，疲勞強度，硬度彈簧交變應(yīng)力，振動彈力喪失或疲勞破斷彈性極限，屈強比，疲勞強度滾動軸承點或線接觸下的交變壓應(yīng)力，滾動摩擦過度磨損破壞，疲勞破斷抗壓強度，疲勞強度，硬度表10-1一些常用零件的工作條件、主要失效方式及所要求的主要機械性能指標提示有時，通過改進強化方式或方法，可以將廉價材料制成性能更好的零件。所以選材時，要把材料成分和強化手段緊密結(jié)合起來綜合考慮。此外，當(dāng)材料進行預(yù)選后，還應(yīng)當(dāng)進行試驗室試驗、臺架試驗、裝機試驗、小批生產(chǎn)等，進一步驗證材料機械性能選擇的可靠性。2零件選材應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝對材料工藝性能的要求任何零件都是由不同的工程材料通過一定的加工工藝制造出來的。因此材料的工藝性能，即加工成零件的難易程度，自然應(yīng)是選材時必須考慮的重要問題。所以，熟悉材料的加工工藝過程及材料的工藝性能，對于正確選材是相當(dāng)重要的。材料的工藝性能包括以下內(nèi)容。鑄造性能：包含流動性、收縮性、疏松及偏析傾向、吸氣性、熔點高低等。壓力加工性能：指材料的塑性和變形抗力等。焊接性能：包括焊接應(yīng)力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其他缺陷傾向等。切削加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。熱處理性能：指材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開裂傾向等。與使用性能的要求相比，工藝性能處于次要地位，但在某些情況下，工藝性能也可成為主要考慮的因素。當(dāng)工藝性能和機械性能相矛盾時，有時正是工藝性能的考慮使得某些機械性能顯然合格的材料不得不加以舍棄，此點對于大批量生產(chǎn)的零件特別重要。因為在大量生產(chǎn)時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。注意為了提高生產(chǎn)效率，而采用自動機床實行大量生產(chǎn)時，零件的切削性能可成為選材時考慮的主要問題。此時，應(yīng)選用易切削鋼之類的材料，盡管它的某些性能并不是最好的。除了使用性能與工藝性能外，經(jīng)濟性也是選材必須考慮的重要問題。選材的經(jīng)濟性不單是指選用的材料本身價格便宜，更重要的是采用所選材料來制造零件時，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時所選材料應(yīng)符合國家的資源情況和供應(yīng)情況等，具體如下。（1）材料的價格。不同材料的價格差異很大，而且在不斷變動，因此設(shè)計人員應(yīng)對材料的市場價格有所了解，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。（2）國家的資源狀況。隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日益突出，選用材料時必須對此有所考慮，特別是對于大批量生產(chǎn)的零件，所用的材料應(yīng)該是來源豐富并符合我國的資源狀況的。例如，我國缺鉬但鎢卻十分豐富，所以在選用高速鋼時就要盡量多用鎢高速鋼，而少用鉬高速鋼。此外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。3零件的選材應(yīng)力求使零件生產(chǎn)的總成本最低（3）零件的總成本。由于生產(chǎn)經(jīng)濟性的要求，選用材料時零件的總成本應(yīng)降至最低。選材從幾個方面影響零件的總成本T，包括材料的價格m、零件的自重w、零件的壽命l、零件的加工費用p、試驗研究費（為采用新材料所必須進行的研究與試驗費）r及維修費a等。其經(jīng)濟性分析方程為等式的左端代表選材對零件總成本的影響，等式的右端代表由于選材帶來的零件壽命、自重等因素變化對零件總成本的影響。例如，代表選材對零件總成本的影響；代表選材對零件壽命的影響；代表壽命變化引起的總成本的變化；代表單純材料的價格引起的零件總成本的變化。如果準確地知道了零件總成本與上述各因素（l，w，r，…）的關(guān)系，便可以精確地分析出選材對零件總成本的影響，并選取使左端為極小值的材料。但是，只有在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中預(yù)先進行詳盡的試驗分析，才能找出這種關(guān)系。對于一般情況，顯然不可能進行這種詳細的分析、試驗，但這時也應(yīng)該按照上述思路，利用手頭一切可能得到的資料，逐項地進行分析，以保證使零件的總成本最低。最有價值的是生產(chǎn)及使用情況的統(tǒng)計資料。由各種統(tǒng)計圖表，加上過去的工程經(jīng)驗，便可以作出較為合理的判斷，必要時還可以專門進行模型試驗。某項產(chǎn)品或某種機械零件，不僅僅需要符合工作條件的使用要求。從商品的銷售和用戶的愿望考慮，產(chǎn)品還應(yīng)當(dāng)具有重量輕、美觀、經(jīng)久耐用等特點。這就要求在選材時，應(yīng)突破傳統(tǒng)觀點的束縛，盡量采用先進科學(xué)技術(shù)成果，做到在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面有創(chuàng)新、有特色，在材料制造工藝和強化工藝上有改革、有先進性。4零件的選材應(yīng)考慮產(chǎn)品的實用性和市場需求一個產(chǎn)品或一個零件的制造，是采用手工操作還是機器操作，是采用單件生產(chǎn)還是采用機械化自動流水作業(yè)，這些因素都對產(chǎn)品的成本和質(zhì)量起著重要的作用。因此，在選材時，應(yīng)該考慮到所選材料能否滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。5零件的選材應(yīng)考慮實現(xiàn)現(xiàn)代生產(chǎn)組織的可能性10.2.2選材的一般方法材料的選擇是一個比較復(fù)雜的決策問題。目前還沒有一種確定選材最佳方案的精確方法。它需要設(shè)計者熟悉零件的工作條件和失效形式，掌握有關(guān)的工程材料的理論及應(yīng)用知識、機械加工工藝知識以及較豐富的生產(chǎn)實際經(jīng)驗。通過具體分析，進行必要的試驗和選材方案對比，最后確定合理的選材方案。對于成熟產(chǎn)品中相同類型的零件、通用和簡單零件，一般可采用經(jīng)驗類比法來選擇材料。此外，零件的選擇一般需借助國家標準、部頒標準和有關(guān)手冊。如圖10-3所示，選材一般可分為以下幾個步驟。圖10-3機械零件選材的一般步驟（1）對零件的工作特性和使用條件進行周密的分析，找出主要的失效方式，從而恰當(dāng)?shù)靥岢鲋饕沽χ笜恕＃?）根據(jù)工作條件需要和分析，對該零件的設(shè)計制造提出必要的技術(shù)條件。（3）根據(jù)所提出的技術(shù)條件要求和工藝性、經(jīng)濟性方面的考慮，對材料進行預(yù)選擇。材料的預(yù)選擇通常是憑積累的經(jīng)驗，通過與類似的機器零件的比較和已有實踐經(jīng)驗的判斷，或者通過各種材料選用手冊來進行選擇。（4）對預(yù)選方案材料進行計算，以確定是否能滿足上述工作條件要求。（5）材料的二次（或最終）選擇。二次選擇方案也不一定只是一種方案，也可以是若干種方案。（6）通過試驗室試驗、臺架試驗和工藝性能試驗，最終確定合理的選材方案。（7）最后，在中、小型生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，接受生產(chǎn)考驗。以檢驗選材方案的合理性。機床零件的品種繁多，按結(jié)構(gòu)特點、功用和受載特點可分為機床軸類零件、機床齒輪類零件、機床導(dǎo)軌等。典型零件的選材及工藝分析10.310.3.1機床零件的用材分析1機床軸類零件的選材機床主軸是機床中最主要的軸類零件。機床類型不同，主軸的工作條件也不一樣。根據(jù)主軸工作時所受載荷的大小和類型，大體上可以分為四類。（1）輕載主軸。工作載荷小，沖擊載荷不大，軸頸部位磨損不嚴重，如普通車床的主軸。這類軸一般用45鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火處理，要求耐磨的部位采用高頻表面淬火強化。（2）中載主軸。中等載荷，磨損較嚴重，有一定的沖擊載荷，如銑床主軸。一般用合金調(diào)質(zhì)鋼制造，如40Cr鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，要求耐磨部位進行表面淬火強化。（3）重載主軸。工作載荷大，磨損及沖擊都較嚴重，如工作載荷大的組合機床主軸。一般用20CrMnTi鋼制造，經(jīng)滲碳、淬火處理。（4）高精度主軸。有些機床主軸工作載荷并不大，但精度要求非常高，熱處理后變形應(yīng)極小。工作過程中磨損應(yīng)極輕微，如精密鏜床的主軸。一般用38CrMoAlA專用氮化鋼制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，進行氮化及尺寸穩(wěn)定化處理。讀一讀過去的主軸幾乎都是用鋼制造的，現(xiàn)在輕載和中載主軸已經(jīng)可用球墨鑄鐵制造。機床齒輪按工作條件的不同，可分為以下三類。（1）輕載齒輪。轉(zhuǎn)動速度一般都不高，大多用45鋼制造，經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理。（2）中載齒輪。一般用45鋼制造，正火或調(diào)質(zhì)后，再進行高頻表面淬火強化，以提高齒輪的承載能力及耐磨性。對大尺寸齒輪，則需用40Cr等合金調(diào)質(zhì)鋼制造。一般機床主傳動系統(tǒng)及進給系統(tǒng)中的齒輪，大部分屬于這一類。（3）重載齒輪。對于某些工作載荷較大，特別是運轉(zhuǎn)速度高又承受較大沖擊載荷的齒輪大多用20Cr，20CrMnTi等滲碳鋼制造。經(jīng)滲碳、淬火處理后使用。例如，變速箱中一些重要傳動齒輪等的選材。2機床齒輪類零件的選材機床導(dǎo)軌精度對整個機床的精度有很大的影響，必須防止其變形和磨損，所以機床導(dǎo)軌通常都是選用灰口鑄鐵制造，如HT200和HT350等?；铱阼T鐵在潤滑條件下耐磨性較好，但抗磨粒磨損能力較差。為了提高耐磨性，可以對導(dǎo)軌表面進行淬火處理。3機床導(dǎo)軌10.3.2汽車零件的用材分析1發(fā)動機和傳動系統(tǒng)零件的選材這兩部分包括的零件相當(dāng)多，其中有大量的齒輪和各種軸，同時還有在高溫下工作的零件（進、排氣閥，活塞等），它們的用材都比較重要，目前一般都是根據(jù)使用經(jīng)驗來選材。對于不同類型的汽車和不同的生產(chǎn)廠，發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的選材是不相同的。應(yīng)該根據(jù)零件的具體工作條件及實際的失效方式，通過大量的計算和試驗選出合適的材料。2減輕汽車自重的選材隨著能源和原材料供應(yīng)的日趨短缺，人們對汽車節(jié)能降耗的要求越來越高。而減輕自重可提高汽車的重量利用系數(shù)，減少材料消耗和燃油消耗，這在資源、能源的節(jié)約和經(jīng)濟價值方面具有非常重要的意義。減輕自重所選用的材料，比傳統(tǒng)的用材應(yīng)該更輕且能保證使用性能。例如，用鋁合金或鎂合金代替鑄鐵，重量可減輕至原來的1/3～1/4，但并不影響其使用性能；采用新型的雙相鋼板材代替普通的低碳鋼板材生產(chǎn)汽車的沖壓件，可以使用比較薄的板材減輕自重，但一點不降低構(gòu)件的強度；在車身和某些不太重要的結(jié)構(gòu)件中，采用塑料或纖維增強復(fù)合材料代替鋼材，也可以降低自重，減少能耗。10.3.3熱能裝置的用材分析1鍋爐—汽輪機的選材鍋爐—汽輪機組結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜，包括許多的零部件。按工作溫度的不同，可把零部件分為兩大類，其中一類的工作溫度在350℃以下，這時蠕變現(xiàn)象在鋼鐵中微不足道，可不考慮高溫性能，選材方法與一般的機械裝置類似；另一類的工作溫度在350℃以上，選材時主要考慮其高溫性能，應(yīng)根據(jù)具體零件的工作溫度和應(yīng)力大小等選擇合適的耐熱材料。熱能裝置主要指動力工程中所用的各種裝置，如鍋爐、汽輪機、燃氣輪機等。這類裝置中很多零件都在高溫下工作，因此必須選用各種高溫材料，如耐熱鋼及高溫合金等。在這類零件的選材過程中，首先應(yīng)考慮工作溫度，其次考慮應(yīng)力大小。例如，鍋爐管的工作溫度并不一樣，非受熱面鍋爐管（如水冷壁管、省煤器管）工作溫度較低，而受熱面鍋爐管（如蒸汽導(dǎo)熱管或過熱器管）的工作溫度較高，某些高溫高壓鍋爐的溫度可達600℃左右。鍋爐管的主要失效方式是爆裂，它是由蠕變斷裂引起的。因此鍋爐管的材料應(yīng)具有足夠高的持久強度、蠕變斷裂塑性及蠕變極限。一般鍋爐管都按持久強度設(shè)計，根據(jù)工作溫度、管內(nèi)壓力及尺寸算出工作時管壁所受應(yīng)力。鍋爐管通常的規(guī)定壽命為十年，因此按材料的持久強度選材，條件是材料的持久強度應(yīng)大于Kσw（K為安全系數(shù)；σw為工作應(yīng)力）。如表10-2所示為幾種主要耐熱鋼的持久強度值。對于一般的高、中壓鍋爐，材料的持久強度值在60～80MPa以上即可滿足工作要求。由表10-2還可以看出，低碳鋼管（20A）只能用于工作溫度低于450℃的非受熱面管，而12Cr1MoV的工作溫度可以高于580℃。如果蒸汽的工作溫度超過580℃甚至600℃，則必須選用更高級的材料，如表中的12Cr3MoVSiTiB或奧氏體耐熱鋼Cr17Ni13W。這些材料的價格較高，且鍋爐管的消耗很大，所以這在經(jīng)濟上很不合算。因此，目前在設(shè)計大容量鍋爐時多趨向于把蒸汽溫度降到540℃左右，盡管工作溫度高可以提高熱效率，但從總的經(jīng)濟性考慮，采用廉價的耐熱鋼可能更合理些，這是選材的經(jīng)濟性限制機械裝置效率的一個很典型的例子。汽輪機葉片的選材分析與鍋爐管類似。葉片承受的工作應(yīng)力較大，所用的材料自然要比鍋爐管的高級。汽輪機前級葉片的工作溫度較高，所用材料的性能應(yīng)更好，多用Cr11MoV或Cr11WMoV等鋼；而后級葉片一般采用Cr13型馬氏體不銹鋼。汽輪機葉片的最主要失效方式是疲勞斷裂（振動疲勞斷裂）。設(shè)計時不但應(yīng)從葉片的結(jié)構(gòu)上避免共振來防止這種斷裂，選材也具有很大的意義。如果葉片材料具有很高的減振能力，并且其疲勞裂紋擴展速率很低，則可大幅度地提高葉片的壽命。此外，所有在高溫下工作的鍋爐—汽輪機零件的材料，都應(yīng)具有一定的耐蝕性，而葉片材料的耐蝕性還要更高些，因此多用不銹鋼制造。牌號20A15CrMo12Cr1MoV12Cr3MoVSiTiBCr17Ni13W溫度/℃450550580600600持久強度/MPa65約7080約100140表10-2幾種耐熱鋼的持久強度值2燃氣輪機的選材與汽輪機相比，燃氣輪機的工作條件具有工作溫度高、腐蝕嚴重和工作壽命短等特點。所以，從工作條件出發(fā)，燃氣輪機在高溫下工作的零件，應(yīng)主要考慮高溫持久強度和腐蝕抗力。其中材料問題比較突出的零件是渦輪葉片、轉(zhuǎn)子及渦輪盤，燃燒室火焰筒及噴嘴。它們失效的主要方式是蠕變變形、蠕變斷裂、蠕變疲勞或熱疲勞斷裂。葉片材料的選擇決定于工作溫度。工作溫度低于650℃時，用奧氏體耐熱鋼；工作溫度在700～750℃時，用鐵基耐熱合金；工作溫度在750～950℃時，用鎳基耐熱合金。而在更高溫度下工作的葉片材料，目前主要有兩種研究方案。一種方案是采用復(fù)合材料，即用難熔碳化物（TaC，Nb2C等）纖維（直徑約1μm）作為增強劑，加在定向結(jié)晶的鎳基合金中，這可把工作溫度提高到1050℃左右。另一種方案是采用陶瓷材料，特別是SiC或Si3N4陶瓷，其導(dǎo)熱率比鎳基合金還高，而熱膨脹系數(shù)比鎳基合金低，因此抗熱沖擊能力很強，由于是共價鍵結(jié)合，直到1300℃時蠕變抗力仍然很高。它唯一的不足之處是韌性太低，只有鎳基合金的1/25，因此限制了它的使用。燃氣輪機的轉(zhuǎn)子及渦輪盤的工作溫度比葉片低，因此一般采用鐵基耐熱合金。燃燒室火焰筒及噴嘴的工作溫度雖然很高，但工作應(yīng)力低，一般采用鎳基合金板制作。10.3.4典型零件的選材實例如圖10-4所示為C620車床主軸的結(jié)構(gòu)簡圖。1機床主軸圖10-4C620車床主軸及熱處理技術(shù)條件機床主軸是典型的受扭轉(zhuǎn)彎曲復(fù)合作用的軸件，它受的應(yīng)力不大（中等載荷），承受的沖擊載荷也不大，如果使用滑動軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多采用45鋼制造，并進行調(diào)質(zhì)處理，軸頸處由表面淬火來強化。載荷較大時則用40Cr等低合金結(jié)構(gòu)鋼來制造。對C620車床主軸的選材結(jié)果如下。材料：45鋼。熱處理：整體調(diào)質(zhì)，軸頸及錐孔表面淬火。性能要求：整體硬度220～240HB；軸頸及錐孔處硬度52HRC。工藝路線：鍛造正火粗加工調(diào)質(zhì)精加工表面淬火及低溫回火磨削。該軸工作應(yīng)力很低，沖擊載荷不大，45鋼熱處理后屈服極限可達400MPa以上，完全