机械制造工程_4.4工程材料的选用

第四节 工程材料的选用

工程材料的选用不仅与材料本身的化学成分、组织及性能有关，而且与设计、供应、制造、销售等系统有着密切的关系，是一个复杂的技术、经济问题。正确、合理地选材不仅是保证产品的设计要求、适应制造的重要条件，而且是提高生产率、降低成本的重要措施。为了正确、合理地选材 ，本节通过介绍选材的基本原则、选材的一般程序和方法以及典型零件的选材举例，为合理选用工程材料提供必要的基础。

一、选材的基本原则

选用工程材料的基本原则是：材料的使用性能首先能满足零件的技术要求，同时要兼顾材料的加工工艺性与经济性。

（一）保证使用性能要求

选材的首要原则就是要保证使用性能的要求。使用性能的要求实际上是多种多样而且相当复杂的，为了保证满足这些要求，通常要从零件（或产品）的工作条件、失效形式和性能指标三个方面考虑。

1. 工作条件

工作条件是指零件（或产品）在正常服役过程中的受力状态、工作温度及所处的环境介质的种类和性质。例如：普通机床变速箱齿轮在室温下担负传递动力，改变运动速度的方向的任务，工作条件较好，受压、弯应力作用，转速中等，所受载荷性质为循环冲击载荷。选材时，除了要分析零件（或产品）在正常情况下的工作条件外，还需考虑诸如短期过载、润滑不良、承载时间过长以及其它突发情况，以确保零件（或产品）的使用性能和人、机的安全。

2. 失效形式

失效形式即指零件（或产品）在实验或实际使用过程中的过量变形、断裂和尺寸变化。例如，上述齿轮常见的失效形式为齿折断、磨损、疲劳断裂以及出现接触疲劳（麻点）。认真分析零件的失效形式和失效原因是选材、制造以及验证设计是否合理的重要环节。对于某些重要零件的选材，有时则需要进行事先的失效试验，以便获取第一手资料，从而有效地保证满足使用性能要求。

3. 性能指标

性能指标是选用材料的直接重要依据。各种材料的性能指标一般都是通过现场试验或实验室得到的，选用材料时可从有关手册或资料中查找。但在使用这些性能指

（二）考虑工艺性能要求

考虑工艺性能要求是选用材料时的又一个重要原则，在保证使用性能要求的前提下，必须考虑所选材料对需要进行的各种加工过程的适应性，以及各种加工过程对材料原始性能和使用性能的影响。有些材料在通过不同类型的加工和处理之后，会使原有性能降低，结果保证不了使用性能的要求，而有些材料则会使原有性能得到改善或提高，从而使原来不具备使用性能要求的材料具备入选条件而被选用。充分考虑工艺性能要求，可以提高选材时的灵活和材料的利用率，避免出现不应有的加工过程中出现的一系列复杂问题。

通常，对材料的工艺性能要求有：

1. 液态成形工艺（铸造）

要求材料具有良好的流动性、较小的收缩率、低的吸气率和均匀的化学成分。例如，用铸造成形工艺生产的机床床身、减速器机壳、发动机气缸等，应选用铸铁、铸造铝合金等铸造性能良好的材料，以便于铸造成型。

2. 固态成形工艺（压力加工）

要求材料具有良好的热态或冷态塑性、较小的变形抗力。例如：重要的转轴、内燃机连杆、变速箱齿轮、内燃机活塞等，应选用中、低碳铜或合金结构钢、锻铝合金等具有良好可锻性的材料进行锻造成形。许多轻工业产品一般承载不大，如自行车、家用电器中的金属构件，宜选用塑性优良的低良的低碳钢、有色合金，以便于冷压成形。

3. 连接成形工艺（焊接）

要求材料具有良好的互溶和扩散能力，以及低的热裂或冷裂倾向。例如，许多容器、输送管道、蒸汽锅炉等产品以及某些工程结构需采用连接成形工艺应选用低碳钢、低合金钢等可焊性好的材料生产。

4. 去除成形工艺（切削）

要求材料在被加工过程中易切削，减少刀具磨损，允许较高的切削速度并可获得较高的表面质量。绝大多数机器零件都要进行切削加工，应选用硬度适中（170～230BHS）、切削加工性好的材料。如果材料的切削加工性差，应进行必要的热处理以调整它的硬度，或者改进切削加工工艺，以保证切削质量。

4. 热处理工艺

许多金属构件都要进行热处理，尤其是淬火和回火处理。对于要求整体淬透或比较复杂的工件，应选用淬透性高的合金钢；对于只需要表层强化或形状简单的工件，则可以选用淬透性较低的材料。

（三）满足经济性要求

经济性是材料选择过程中一个极为复杂的因素，以最终获得最大经济效益为目的。通常，在选用材料的过程中，为满足经济性要求，主要从以下四个方面去考虑。

1．材料来源

主要含义是针对所选用材料的获得合理与否而言的。一般来说，所选材料在国内、国外都有时，应尽可能选用国内的；国内几个地方都有时，应选用距加工厂较近、运输方便的；已经标准化、通用化的材料以及国内富有的材料应尽可能优先选用。

2．材料成本

材料成本是指材料的一次加工（成材前的加工）成本、质量成本以及运输、储存成本的总和。材料一次加工成本的高低与加工过程中原料的来源、能量消耗、生产过程的复杂程度、生产批量的大小以及材料的规格有密切的关系。材料的质量成本与材料的化学成分、组织和性能要求有关。材料的纯度愈高、性能指标愈高，则材料成本愈高。此外，材料的合理运输和储存，减少损失和变质，对降低材料成本、提高经济性也有重要作用。

3．材料二次加工成本

二次加工成本是指材料购进后，在加工厂进行一系列加工（如熔化、铸造、锻压、轧制、热处理、切削加工等）所消耗的费用，其中也包括各工种、工序之间的运输、存放费用等。

4. 材料的代用和新材料的应用

科学技术的不断发展，为发掘传统材料的性能潜力，以及采用新材料代替传统材料提供了巨大的可能性。因此，在选材时必须充分利用这种可能性，一方面尽量

以上阐述的选材原则并不是孤立的，而是相互影响和相互制约的，三个原则的主次地位在选材过程中也是随实际条件及可能性而变化的。因此，在上述三个选材总原则基础上，从实际出发，进行综合平衡，就可以取得满意的效果，并为后续的毛坯成形及零件成形方法的选择创造良好的基础。

二、选材的一般程序和方法

（一）一般程序

在材料选用过程中，虽然没有固定的模式可遵循，但一般程序是可以借鉴的，那就是：

1． 列出材料要求细目

这些细目包括对材料使用性能、工艺性能以及容易出现的其它有关要求；细目越详尽越好，以保证不遗漏某些特殊的因素而造成材料非预见性失效；在考虑材料工艺性能要求的同时，还必须考虑列出工艺过程对材料某些性能的增强或降低作用。

2. 细目分类排队

从实际情况出发，经过综合分析比较，确定哪些要求是主要的、决定性的，哪些是次要的、相关的或是附属的。

3．筛选

依据主要的、决定性的要求去选材，兼顾次要的、相关的要求，如要求材料的可塑性是主要的，则可把铸铁、高碳、高合金钢排除在外；要求材料的高温性能是主要的，就可把碳钢、普通合金钢排除在外，然后再顾及那些次要的、相关的要求。

4. 考虑材料的代用和新材料的选用

代用材料和新材料的选用一定要考虑实际上的“必要性”和“可能性”，并进行技术经济分析。

5. 经济性分析

经济性分析要贯穿到整个选材过程中，力求做到所选用材料质量高、经济效益好。

6. 验证

验证是选材过程中不可忽视的一个重要环节，一方面是对所选材料的合理与否进行实际考查，另一方面可以获得第一手资料，为今后的选材提供可靠依据，以不断提高选材的准确性、可靠性和经济性。

（二）一般方法

采用正确的选材方法有助于缩短选材周期，提高选材的可靠性和经济性，通常采用的方法有：

1．查表法

性能要求一般的通用零件材料可以通过查阅有关手册、标准资料选用。

2． 排除法

又称筛选法。根据细目中的不同要求，逐步排除掉与之不相关、不适应的材料，缩小选材范围，最终筛选出符合要求的材料。

3． 类比法

对于不重要、质量要求不高的零件材料的选用，可以通过和同类零件已经使用的材料进行比较来选用。

4．试验法

对于代用材料和新品材料的选用，一般都需要通过试验的方法，以确保满足产品功能、使用寿命和安全的要求。

三、典型零件的选材举例

上面介绍了选材的基本原则、一般程序和方法，下面以齿轮零件的选材为例作简单介绍。

（一）齿轮的工作条件

齿轮是机械工业中应用最广泛的零件之一，主要用于传递扭矩和调节速度，工作时的受力情况如下：

1. 齿根承受很大的交变弯曲应力；

2. 齿部承受一定冲击载荷；

3. 齿面承受很大的接触应力，并发生强烈的摩擦。

（二）齿轮的失效形式

1. 疲劳断裂 是齿轮最严重的失效形式，主要在根部发生；

2. 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；

3. 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹发展，引起点状剥落（俗称麻点）；

4. 过载断裂 主要是冲击载荷过大造成断齿。

（三）齿轮的性能要求

1. 高的弯曲疲劳强度；

2. 高的接触疲劳强度和耐磨性；

3. 较高的强度和冲击韧性；

4. 较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。

（四）齿轮零件的选材

齿轮类零件材料要求的性能主要是疲劳强度；并且齿心应有足够的冲击韧性。从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或合金钢，经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的