《工程材料與應(yīng)用》課件-第8章

8.1選材的原則與方法8.2材料選擇方法舉例8.1.1選材的一般原則

合理的選材應(yīng)符合良好的使用性能、優(yōu)良的工藝性能和合理的經(jīng)濟(jì)性等三方面要求。

1.使用性能

材料的使用性能是指為保證零件正常工作而具備的性能。它決定了零件的使用價(jià)值和工作壽命，通常是選材的主要依據(jù)。必須指出，使用性能是多方面的，有力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能等。所以，在分析選擇材料是否滿足使用要求時(shí)，不能孤立地校核某個(gè)性能就作結(jié)論。8.1選材的原則與方法

2．工藝性能

工藝性能包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能(淬透性、過熱敏感性、回火脆性、回火穩(wěn)定性)等。材料的工藝性能直接影響制件的質(zhì)量、生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，是選材不可忽視的因素，有時(shí)還是選材的決定性因素。考慮材料的工藝性能時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)批量來分析。

3．經(jīng)濟(jì)性

用最少的成本生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品，是指導(dǎo)生產(chǎn)的基本法則。選材時(shí)，應(yīng)注意降低零件的總成本。零件的總成本包括材料本身的價(jià)格及與生產(chǎn)有關(guān)的其他一切費(fèi)用。

工程材料的相對價(jià)格相差較大，且各個(gè)時(shí)期的波動(dòng)也很大，但各材料的相對價(jià)格基本穩(wěn)定，且維持一定關(guān)系，如圖8-1～圖8-4所示。

由圖可知，鑄鐵和碳鋼的價(jià)格較低，應(yīng)優(yōu)先采用。合金鋼和有色合金價(jià)格較貴，在要求滿足較高的力學(xué)性能和特殊性能時(shí)，才加以選用。塑料的應(yīng)用日益廣泛，在許多場合，塑料件已成功地替代了金屬件。當(dāng)前我國工業(yè)現(xiàn)代化正在迅速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)。例如，我國立足于國內(nèi)富有資源，研制成功了一大批新型合金鋼種，其中稀土鎂球墨鑄鐵已能代替部分鍛鋼，制成曲軸、凸輪軸、齒輪等重要零件。因此，選材時(shí)應(yīng)密切結(jié)合國情，并充分考慮本地本廠實(shí)際情況。圖8-1幾種工程材料單位質(zhì)量成本對比圖8-2幾種工程材料單位體積成本對比圖8-3以成本/體積/拉伸強(qiáng)度為基礎(chǔ)的?幾種工程材料成本對比圖8-4以成本/體積/比強(qiáng)度為基礎(chǔ)的幾種工程材料成本對比8.1.2選材的步驟和方法

選材問題大多發(fā)生在下列幾種場合：新產(chǎn)品設(shè)計(jì)；改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)；改變產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝；原來使用的材料成本過高或貨源不足，供應(yīng)有困難。選材工作涉及面廣、影響大，必須由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織、物資管理、供銷等多方面人員相互配合，按如下步驟進(jìn)行：首先確定對性能的要求；然后制定并比較各種備選的用材方案，從中選擇并確定在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上都滿意的選材方案。機(jī)械零件選材的一般步驟如圖8-5所示。

1.確定對性能的要求

1)對使用性能的要求

對使用性能的要求，是在對零件的工作條件及形狀尺寸分析的基礎(chǔ)上提出的。

工作條件分析，首先是零件在工作中所受載荷的類型及大小。要判明載荷是短期作用還是長期作用，是恒定載荷還是交變載荷，是緩慢作用的靜載荷還是快速作用的動(dòng)載荷。圖8-5機(jī)械零件選材的一般步驟最關(guān)鍵的是確定主要載荷形式是受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、剪切還是彎曲，載荷的大小、分布及有無較大的局部應(yīng)力集中等。載荷的類型及大小是決定材料使用性能的主要依據(jù)之一，應(yīng)在選材前搞清楚。

工作條件分析的第二個(gè)內(nèi)容是零件的工作環(huán)境，主要包括溫度和介質(zhì)(是否有腐蝕性)。這兩種因素對于確定材料要求的使用性能具有非常重要的作用。

最后，對材料的某些特殊要求的使用性能，在工作條件分析中也應(yīng)充分考慮。例如特殊的電性能(絕緣性或?qū)щ娦?、熱性能(導(dǎo)熱性、熱膨脹性)、相對密度、外觀要求等。這些特殊的使用性能要求，往往對材料提出了許多重要限制，從而大大縮小了候選材料的范圍。

2)關(guān)鍵性的性能要求

零件的工作條件是復(fù)雜的，往往對材料有許多方面的性能要求。所以應(yīng)該分析確定其中最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，作為解決矛盾的主要依據(jù)。這通?？筛鶕?jù)零件的損壞形式的分析來確定。零件的損壞形式有過量彈性變形、過量塑性變形、斷裂、過量磨損等。若主要損壞形式為過量彈性變形的零件，如精密鏜床的鏜桿，則關(guān)鍵性能指標(biāo)是剛度；若主要損壞形式為過量塑性變形的零件，如重要螺栓，則關(guān)鍵性能指標(biāo)為屈服點(diǎn)；若主要損壞形式是磨損，如軸承，則關(guān)鍵性能指標(biāo)為表面硬度及耐磨性；當(dāng)有尖銳缺口或裂紋一類缺陷存在時(shí)，斷裂抗力可能成為對材料要求的一個(gè)重要使用性能；如受的是交變載荷，則疲勞抗力是主要使用性能；等等。表8-1列舉了一些零件的工作條件、主要損壞形式及關(guān)鍵性能指標(biāo)。表8-1一些零件的工作條件、主要損壞形式及關(guān)鍵性能指標(biāo)

3)對工藝性能的要求

選材時(shí)，應(yīng)結(jié)合零件的加工制造工藝，提出對材料工藝性能的要求。在明確對工藝性能的要求時(shí)，應(yīng)充分考慮零件的形狀尺寸、生產(chǎn)批量等因素。

一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其力學(xué)性能可以滿足一般零件的要求，因此用途較廣。而它的強(qiáng)度還不夠高，淬透性差，所以制造大截面、形狀復(fù)雜和高強(qiáng)度的淬火零件，常選用淬透性好、強(qiáng)度高的合金鋼。但合金鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較差。碳含量低于0.4%的碳鋼和普通低合金鋼有良好的焊接性能，常作為焊接結(jié)構(gòu)用材。如采用鑄造毛坯，則應(yīng)盡量選熔點(diǎn)低、凝固溫度范圍小的合金。

2.確定用材方案

將零件的要求與材料的性能相對照，并參照同類產(chǎn)品的選材情況，提出若干種技術(shù)上可行的用材方案，供進(jìn)一步分析、選擇。對于可以用不同加工工藝制造的制品，應(yīng)按每種加工方法提出若干備選的用材方案。備選材料的性能不應(yīng)低于要求，但也不宜過高，以免優(yōu)材劣用。

技術(shù)上可行的選材方案，經(jīng)濟(jì)上未必合算。這可應(yīng)用價(jià)值工程原理進(jìn)行綜合的定量分析。價(jià)值工程主要研究以最低的成本獲得必要的功能，從而實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品的價(jià)值，取得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。價(jià)值工程基本表達(dá)式為式中，V為價(jià)值；F為產(chǎn)品功能；C為實(shí)現(xiàn)該功能所耗費(fèi)的成本。V值越高的材料，在經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上就越有利，因而應(yīng)優(yōu)先選用。

3.鋼的代用

由前面的知識可知，合金鋼中幾種不同的合金元素所起的作用可能相同。因此，雖然鋼的成分可能有顯著差異，但經(jīng)適當(dāng)熱處理后，其性能可能幾乎相同。另一方面，其中某些元素可能比另一些元素價(jià)格高、資源短缺(如我國Cr、Ni短缺，Si、Mn、Mo、Ti等豐富)，在一般情況下，對昂貴而短缺的鋼種可用相應(yīng)的代用鋼。如生產(chǎn)上常用35SiMn替代40Cr，用9Mn2V替代CrWMn或9SiCr，用5CrMnMo替代5CrNiMo等。不僅合金鋼之間可互相替代，不同含碳量的鋼經(jīng)不同熱處理也能獲得大致近似的性能，從而可互相替代。如滲碳鋼經(jīng)淬火低溫回火，可獲得與調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后相近的性能。前面也曾提到，在某些情況下，還可用球墨鑄鐵代替鑄鋼或鍛鋼件。

總之，在實(shí)際生產(chǎn)中，因各種原因而采用代用鋼的情況很多，因此應(yīng)在掌握基本選材規(guī)律的基礎(chǔ)上靈活運(yùn)用。表8-2列出了幾種常見代用鋼。表8-2常?見?代?用?鋼值得指出的是，具有許多優(yōu)異特性的有機(jī)高分子材料的飛躍發(fā)展，使得它們在許多場合用以代替鋼與有色金屬。這樣不僅可降低成本，且往往性能更優(yōu)異，從而取得良好的使用效果，在選材時(shí)應(yīng)予以足夠重視。表8-3列出了一些用塑料替代金屬的應(yīng)用實(shí)例。表8-3用塑料代替金屬的應(yīng)用實(shí)例8.2.1以綜合力學(xué)性能為主的選材方法

許多零件在使用中，不僅要有較高的強(qiáng)度，而且要有較好的韌性和塑性。這些零件過去都用中碳調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理制造，近來也用低碳含量的鋼種經(jīng)淬火—低溫回火制造。在選材中主要考慮以下兩方面因素。8.2材料選擇方法舉例

1．鋼的淬透性

制件越大，越應(yīng)注意淬透性是否足夠，是否能保證獲得滿意的淬透層深度。對淬透層深度的要求，取決于制件的工作條件。

例如圖8-6所示的躍進(jìn)—130型載重汽車(2.5噸)的半軸，在汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩經(jīng)多級變速和主動(dòng)器傳遞給半軸，再由半軸傳動(dòng)車輪。在上坡或啟動(dòng)時(shí)，扭矩很大，尤其在緊急制動(dòng)或在不平坦的道路上行駛時(shí)，工作條件更為繁重。因此，半軸在工作中承受沖擊、反復(fù)彎曲疲勞和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，從而要求材料有足夠的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及較好的韌性。圖8-6躍進(jìn)—130型載重汽車(2.5噸)的半軸該半軸的熱處理技術(shù)條件如下：

(1)硬度：桿部37～44HRC；盤部24～34HRC。

(2)金相組織：回火索氏體或回火托氏體。

(3)可選材料：40Cr、42CrMo、40CrMnMo鋼。根據(jù)上述條件，選用40Cr可滿足要求。

半軸的生產(chǎn)工藝流程為下料→鍛造→正火→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→盤部鉆孔→磨花鍵。

2．鋼的韌性

淬透性相同的鋼，回火至相同硬度時(shí)，抗拉強(qiáng)度基本相同，但由于回火穩(wěn)定性的差異，韌性差別很大。工作時(shí)受很大沖擊的零件，必須用沖擊韌性ak較高的材料制造；工作時(shí)受沖擊次數(shù)較多，而每次沖擊能量不大的零件，決定其壽命的不是ak，而是多沖抗力。低碳含量的鋼種，經(jīng)淬火—低溫回火后一般都能滿足多沖抗力方面的要求；對于調(diào)質(zhì)鋼，采用較低的回火溫度可得到滿意的多沖抗力；在某些場合，使用球墨鑄鐵亦可滿足多沖抗力的要求。

如圖8-7所示的內(nèi)燃機(jī)曲軸，工作時(shí)受到內(nèi)燃機(jī)周期性氣體壓力，曲軸連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、扭轉(zhuǎn)和彎曲應(yīng)力，以及沖擊力等。因此其性能要求是保證有高的強(qiáng)度、一定的沖擊韌性和彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，在軸頸處要求有高的硬度和耐磨性。圖8-7內(nèi)燃機(jī)曲軸技術(shù)要求：Rm≥750MPa、A≥2%，Ak≥12J；軸體硬度為240～260HBW，軸頸表面硬度不低于625HV。

根據(jù)上述要求，可選用QT700-2球墨鑄鐵，其加工工藝流程為鑄造→高溫正火→高溫回火→切削加工→軸頸氣體滲氮。

高溫正火(950℃)是為了獲得基體組織中珠光體的數(shù)量并細(xì)化珠光體，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。高溫回火(560℃)是為了消除正火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。軸頸氣體滲氮(滲氮溫度為570℃)是為在保證不改變組織及加工精度的前提下，提高軸頸表面的硬度和耐磨性。也可采用對軸頸進(jìn)行表面淬火來提高其耐磨性。還可對軸頸進(jìn)行噴丸處理和滾壓加工，以提高其疲勞強(qiáng)度。8.2.2以耐磨性為主的鋼材選擇方法

耐磨的金屬材料很多，有鑄鐵、高錳鑄鋼、青銅、巴氏合金、碳素鋼和合金鋼等。這些材料都有各自的特點(diǎn)和適用條件。例如，鑄鐵耐磨性好，但韌性差，有的鑄鐵強(qiáng)度較低，僅適用于不沖擊或沖擊較小的條件；高錳鑄鋼在沖擊載荷及單位壓力很大的磨損條件下才顯示出優(yōu)越的耐磨性。而許多承受一定沖擊并要求耐磨的零件，都用鋼材經(jīng)表面硬化處理制造。

1．表面硬化工藝的選擇

表面硬化的方法主要有滲碳—淬火、表面淬火及氮化。

滲碳—淬火可取得較厚的淬硬層(可達(dá)3mm)，淬火后硬度很高(可達(dá)800HV)，能有效地提高耐磨性及疲勞強(qiáng)度。其缺點(diǎn)是滲碳后必須淬火，變形較大。表面淬火可獲得較厚的硬化層，變形小、生產(chǎn)率高。但表面硬度(700HV)及耐磨性不如滲碳—淬火，而且對于復(fù)雜零件及小批量生產(chǎn)時(shí)，由于不易或不宜制造感應(yīng)加熱器而不能采用感應(yīng)加熱表面淬火。氮化不僅能保證極高的表面硬度(900～1100HV)、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，還能提供一定的耐蝕性和熱穩(wěn)定性。而且由于氮化加熱溫度較低，無需繼之以淬火，故變形小。但氮化時(shí)間長，硬化層薄(約為0.5mm)而脆。

根據(jù)上述比較，在選材時(shí)對表面硬化工藝的選擇應(yīng)根據(jù)以下原則：摩擦速度不太高、摩擦壓力較大而形狀很復(fù)雜的零件，最好用滲碳處理；形狀簡單的零件則可用表面淬火處理；若零件工作時(shí)摩擦速度大而摩擦壓力較低，受到?jīng)_擊也較小，則采用氮化為好。

2．表面硬化用鋼的選擇

由于工藝不同，因此備選鋼種和選擇時(shí)的考慮因素也有所不同。

1)滲碳鋼的選用

滲碳件淬火后除要磨削個(gè)別部位外，一般不再加工。為了保證淬火變形較小，大多采用油淬，所以基本上都選用合金滲碳鋼。選擇合金滲碳鋼時(shí)應(yīng)注意其滲透性應(yīng)足以滿足零件心部的硬度要求，同時(shí)應(yīng)在淬火時(shí)不致產(chǎn)生過大的變形。例如汽車和拖拉機(jī)的齒輪，不僅要求有足夠的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而且要求心部有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性。為此常選用滲碳鋼(如20CrMnTi)制造，并經(jīng)滲碳—淬火處理(參見圖5-2)。其制造工藝流程為下料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨內(nèi)孔或換擋槽→裝配。

2)表面淬火鋼的選用

由于表面淬火以前一般均進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火，因此對鋼的要求基本上與調(diào)質(zhì)鋼相同。但表面淬火鋼對含碳量要求較嚴(yán)，最好采用含碳量范圍小的精選鋼。此外，鋼的晶粒度應(yīng)均勻細(xì)小，對脫碳層深度也要有所限制。對于形狀復(fù)雜的零件，為了得到沿零件輪廓均勻分布的淬硬層，可采用降低常存元素錳的含量(wMn≤0.2%)，并含有少量細(xì)化晶粒元素鈦的低淬透性鋼，如55Tid或60Tid。例如，機(jī)床齒輪工作條件沒有汽車、拖拉機(jī)齒輪繁重，且精度要求較高，故常選用含碳量為0.40%～0.50%的碳鋼或低合金鋼(40、45、40Cr、45Mn2、40MnB等)制造，并經(jīng)調(diào)質(zhì)或正火保證心部強(qiáng)度，然后借助表面淬火提高表面硬度和耐磨性。其制造工藝流程為下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火及回火→精磨錐孔(花鍵孔或圓孔)。

3)氮化鋼的選用

氮化用的典型鋼種是38CrMoAlA。隨著氮化工藝的發(fā)展，可以氮化處理的鋼種日益增多。如耐磨性要求不高，同時(shí)又要求有較高的疲勞強(qiáng)度或韌性，亦可采用碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行軟氮化處理。

如圖8-8所示的鏜桿，工作中承受中等載荷、不太大的沖擊，轉(zhuǎn)速很高，精度要求極高，在滑動(dòng)軸承中運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)錐孔與外錐圓常有相對摩擦。因此要求具有很高的表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，心部有較高的綜合性能，很小的熱處理變形。為此可選用氮化鋼38CrMoAlA經(jīng)調(diào)質(zhì)后再氮化處理，以滿足上述要求。具體生產(chǎn)工藝流程為下料→鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→除應(yīng)力處理→粗磨→氮化→精磨→研磨。圖8-8鏜桿簡圖8.2.3以彈性為主的選材方法

彈性零件的主要性能指標(biāo)是彈性模量、屈服點(diǎn)、彈性極限和疲勞強(qiáng)度，通常用彈簧鋼及銅合金制造。選材時(shí)應(yīng)考慮以下因素。

1．制件的彈性變形量

產(chǎn)生彈性變形的難易程度取決于彈性模量。彈性模量越大，越不易產(chǎn)生彈性變形。鋼的彈性模量比銅合金大，故要求容易發(fā)生彈性變形的制件常用銅合金制造。

2．制件的工作條件

與選材有關(guān)的工作條件有承載大小、溫度高低、周圍介質(zhì)等。工作應(yīng)力越大或承載次數(shù)越多，所選材料強(qiáng)度越大。在較高溫度下或腐蝕介質(zhì)中工作的零件，應(yīng)選能適應(yīng)這些工作條件的合金彈簧鋼、耐熱鋼、不銹鋼、銅合金等。

3．鋼材的選擇

板簧或較粗的螺旋彈簧應(yīng)選用熱軋扁鋼或圓鋼，加熱成型后再進(jìn)行熱處理。較細(xì)的螺旋彈簧則應(yīng)選用冷拉鋼絲，冷成型后進(jìn)行熱處理。對于尺寸大或熱成型后立即淬火的鋼，由于加熱溫度高，應(yīng)注意采用過熱敏感性和脫碳傾向小的鋼種。在采用彈簧鋼絲時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用已由鋼廠進(jìn)行強(qiáng)化處理，因而在冷卷成型后只需消除應(yīng)力的碳素彈簧鋼及65Mn彈簧鋼絲。因此用這類鋼絲制造彈簧時(shí)，尺寸易控制，質(zhì)量易保證。在冷卷時(shí)