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第八章 材料的液态成形工艺 铸造：将液态金属浇铸到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型 型腔中，待其冷却凝固，以获得毛胚或零件的生产方法。 在机器设备中铸件所占比例很大，如机床、内燃机中，铸件占总重量的 7090,压气机占6080，拖拉机占5070，农业机械占 4070。 8.1铸造工艺特点 8.2砂型铸造 8.3特种铸造 8.4铸件结构工艺性 8.5计算机在铸造生产中的应用简介 8.1 铸造工艺特点 铸件的质量与合金的铸造性能密切相关。合金的铸造性是指在 铸造过程中表现出来的工艺性能，如流动性、收缩性、吸气性 、各部位的成分不均匀性等。 一、液态金属的充型能力 二、合金的凝固特性 三、合金的收缩性 四、常用铸造合金的铸造性能特点 一、液态金属的充型能力 液态金属充满铸型容腔，获得形状完整、轮 廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属的充型 能力。 1、金属液的流动性 流动性是指金属液本身的流动能力，是金 属的固有性质，主要取决于金属的结晶特性 和物理性质。 金属的流动性越好，充型能力越强。 衡量金属流动性螺旋型 表：常用铸造金属的 流动性，其中灰铸铁 和硅黄铜最好，而铸 钢最差。 2、浇注条件：提高浇注温度，可使液态金属粘 度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，使 散热速度变慢，从而大大提高金属液的充型能 力。 3、铸型条件：铸型中凡能增加金属液流动阻力 、降低流动速度和加快冷却速度的因素，均能 降低充型能力。为改善铸型的充填条件，在设 计铸件时必须保证其壁厚不小于规定的“最小壁 厚”（表1），在铸造工艺上也应采取相应措施 。 返回目录 表1 铸件尺寸 /mm 铸钢灰铸 铁 球墨 铸铁 可锻 铸铁 铝合 金 铜合 金 50050015-20 15-20 -6- 二、合金的凝固特性 合金从液态到固态的转变成为凝固或一次结晶。 许多常见的铸造缺陷，如缩孔、缩松、变形、裂纹、 气孔、夹杂、偏析等都是在凝固过程中产生的。 铸件凝固方式： 1、逐层凝固： 纯金属或共晶成分合金在恒温下结晶，凝固 过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相 界面分明，随着温度的下降，固相区不断增大，逐渐到达 铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”。 2、体积凝固：当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面 温度梯度过小，铸件凝固在某段时间内，其液固共存的凝 固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为 “体积凝固”。 逐层凝固 体积凝固 影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范 围和铸件的温度梯度（T2-T1）（图） 三、合金的收缩性 铸件在冷却过程中，其体积与尺寸缩小的现象叫做收缩，它 是铸造金属固有的特性。经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的收缩。 凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。 固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。 1、 影响收缩的因素 1）化学成分 不同成分合金的收缩率不同（表）列 出了几种铁碳合金的体收缩率 合金种类类含碳量 （ ） 浇浇注温度 / 液态态收缩缩 率（ ） 凝固收缩缩 率（ ） 固态态收缩缩 率（ ） 总总体收缩缩 率（ ） 碳素铸钢0.3516101.63.07.8612.46 白口铸铁3.0014002.44.25.46.31212.9 灰铸铁3.5014003.50.13.34.26.97.8 2）浇注温度 浇注温度主要影响液态收缩。 浇注温度升高，液态收缩增加，则总收缩量增加 3）铸件结构及铸件条件 铸件的收缩是受阻收缩。 2、收缩对铸件质量的影响 1）铸件的缩孔和缩松（图 ） 防止缩孔和缩松基本方法 ：采用“顺序凝固原则”图 2）铸造应力、变形和裂纹 防止方法： 采用“同时凝固原则” 四、常用铸造合金的铸造性能特点 1 铸铁 （1）灰铸铁 由于熔点较低，铁水流动性 较好，凝固温度范围小，凝固收缩小，因此灰铸铁有良好的 铸造性能。 （2）可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁通 过长时间的石墨化退火获得的，其碳、硅含量较低，熔点比 灰铸铁高，凝固温度范围也较大，故铁液的流动性差。铸造 时，必须适当的提高铁液的浇铸温度，以防止产生冷隔、浇 不足等缺陷。 （3）球墨铸铁 铸造性能介于灰铸铁与铸 钢之间，其流动性与灰铸铁基本相同。 2铸钢 铸钢的流动性比铸铁差，易产生浇不足、冷隔 等缺陷，应用于干砂型，增大浇铸系统截面积，保 证足够的浇注温度等措施，提高铁液的充型能力。 铸钢的熔点高，容易产生缩孔、缩松、裂纹等 缺陷，所以，铸钢件往往要设置数量较多、尺寸较 大的冒口，采取顺序凝固原则。 3铸造有色金属 常用铸造有色和金柚铝合金、铜合金等，它们 大都具有流动性好、收缩性大、容易吸气和氧化等 铸造特点。 8.2 砂型铸造 一、砂型铸造工艺过程 二、砂型铸造常见缺陷 返回主目录 铸造工艺设计内容的繁简程度，主要决定 于批量的大小、生产要求和生产条件。 铸造工艺设计一般包括下列内容： 铸造工艺图，铸件（毛坯）图、铸型装配 图（合箱图）、工艺卡及操作工艺规程。 广义地讲，铸造工艺装备的设计也属于铸 造工艺设计的内容，例如模样图、芯盒图 、砂箱图、压铁图、专用量具图和样板图 、组合下芯夹具图等。 铸造工艺包括绘制 零件铸造工艺图， 制造模样和芯盒， 造型、造芯，下芯 ，合型，浇注，落 砂，清理和质量检 验等全过程。 铸造工艺整体流程 见图所示。 零件铸造工艺图的设计 铸造工艺图是根据铸造要求表示铸型分型面、浇 冒口系统、浇注系统、浇注位置、型芯结构尺寸 、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。 铸造工艺图的设计要遵循下列程序： 1）零件的技术条件和结构工艺性分析。 2）选择铸造及造型方法。 3）确定浇注位置和分型面。 4）选用工艺参数。 5）设计浇冒口，冷铁和铸肋。 6）砂芯设计 。 铸造工艺图绘制的技术要点如下： 1. 分型面 选定分型面，应考虑以下原则 1）尽量把铸件的大部分或全部放在一个砂箱内。 2）应当使铸件的加工面和加工基准面位于一个砂箱 内。 3）尽量减少分型面的数量。 4）尽量减少型芯的数量。 5）尽量使分型面平直。 2. 浇注系统 典型的浇注系统由四部分 组成：浇口杯、直浇道、 横浇道和内浇道。 选择浇注位置主要考虑以 下原则： 1）重要的面应处于型腔的 底面或侧面。如车床床身 铸件在浇注时，应使其导 轨面处于铸型的下方。 2）铸件的薄壁部分应置于 铸型的下部或侧面，以保 证金属液能顺利充满这一 部分。 3）铸件的厚实部分应放在 上部或侧面，以便于安置 浇口、冒口进行补缩。 4）铸件的大平面尽可能朝 下。 3.工艺参数 工艺参数主要有加工余量、拔/起模斜度、铸造收缩率、最 小铸出孔、型芯和铸造圆角等。 铸件的加工余量就是切削加工时要切去的金属层。余量的 大小主要决定于铸件的尺寸、形状和铸件材料。加工余量 包括下列尺寸：1）铸件尺寸公差；2）加工余量等级；3） 加工余量数值。 所谓起模斜度，即使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒 脱出，平行于起模方向在或芯盒壁上的斜度。 收缩率(L模样 - L铸件)/L模样100，主要考虑铸件的 结构和铸型的退让性。 芯头尺寸一般取决于铸件相应部位的孔、槽尺寸，且与铸 造方法和铸型种类有关。 型芯头尺寸包括：1）芯头长度；2）芯头斜度。 圆角：所谓铸造圆角是指制造模样时，壁的连接和转角处 要做成圆弧过渡。对于小型铸件，外圆角半径一般取 2- 8mm，内圆角半径一般取4-16mm。 4.冒口的设置 冒口主要作用在于补缩，同时能排气，集渣。 其设置原则： 1）保证顺序凝固，放在最后凝固部分。 2）尽量放在铸件最高处，有利补缩，熔渣易 浮出。 3）冒口最好放在内浇口附近，使金属液通过 冒口再进入铸型，提高补缩效果。 4）尽量避开易拉裂部位，不影响自由收缩。 5）尽量放在需加工部位，便于清理。 模样及芯盒 铸型的组成结构 造型方法的选择： 1 手工造型 1）按模样特征分：整模造型、分模造型、活 块造型、刮板造型、假箱造型、挖砂造型、实物 造型等 2）按砂箱特征分：两箱造型、三箱造型、地 坑造型、脱箱造型等 2 机器造型 机器造型使用机器来完成填砂、紧实和起模等造 型的操作过程，是现代化铸造车间的基本造型方 法。 造型 手工造型 a）捣砂锤；b）直浇道棒；c）通气针；d）起模 针；e）墁刀：修平面及挖沟槽用；f）秋叶：修凹 的曲面用；g）砂勾：修深的底部或侧面及钩出砂 型中散砂用；h）皮老虎 a)造下砂型 b)造上砂型 c)开外浇口、扎气孔 d)起出模样 e)合型 f)带浇口铸件 图5 齿轮坯整模两箱造型过程 a)铸件图 b)模样 c)造下型 d)造下型 e)铸型 图6 分模造型过程 a)零件 b)铸件 c)模样 d)造下砂型 e)取出模样主体 f)取出活块 图9 活块造型过程 a)木模样 b)造下砂型 c)在下砂型上割分型面 d)造上砂型 e)开箱起模 f)合型 图7 挖砂造型过程 a)端盖模样放在假箱上 b)在假箱上造下砂型 图8 假箱造型过程 a)槽轮零件 b)造下砂型修活砂块 c)造上砂型 d)移活砂块并起模 e)铸型 图10 实物造型过程示意图 a)带轮铸件 b)刮板 c)刮制下型 d)刮制上型 e)合型 图11 带轮铸件的刮板造型过程 a)铸件 b)模样 c)造下型 d)造中型 e)造上型 f)合型 图12 槽轮铸件的三箱造型 a)无箱盖地坑造型 b)有箱盖地坑造型 图1-13 地坑造型 a)顶箱起模 b)落模起模 机器造型的起模方法 按紧实方式不同，机器造型分为 压实造型、震击造型、抛砂造型和射砂造型 ）压实造型 是利用压头的压力将砂箱内 的型砂紧实 a)填满型砂 b)刮去多余型砂 c)紧实 图2 紧实率测定法示意图 a)填砂 b)振击紧砂 c)辅助压实d)起模 震压造型机的工作过程 ）震击造型 是利用震动和撞击力对型砂紧实（ 图） ） 抛砂造型 图3-11为 抛砂机工 作原理图 ） 射砂造型 造芯 手工制造砂芯过程 型芯的常见形式 a)用平板烘干 b)砂胎支撑烘干 c)用成型烘干器烘干 砂芯烘干方法 装配时的紧固 常用的紧固方法 金属熔炼 常用的熔炼设备有电阻坩埚炉、感应炉和 冲天炉。 电阻坩埚炉主要用于熔炼铝、铜等有色金 属及其合金； 感应炉不但可以熔炼有色金属，也可以进 行钢的熔炼； 冲天炉主要用来熔炼铸铁。 电阻坩埚炉 感应电炉炉体结构和外观 冲天炉的结构示意图 常见的铸件缺陷、产生原因和预防措施 8.3 特种铸造 特种铸造是指与普通砂型铸造有显著区 别的一些铸造方法。 一、 熔模铸造 二、 金属型铸造 三 、压力铸造 四 、低压铸造 五 、离心铸造 六 、几种铸造方法的比较 返回目录 一、熔模铸造 熔模铸造使用易熔材料制成模样，造型之后将模样 熔化，排出型外，从而获得无分型面的型腔。 基本工艺过程 蜡模制造、结壳、脱蜡、培烧和浇注等过程。 返回目录 熔模铸造的主要特点： 1）由于没有分型面，所以能生产形状非常复杂的铸 件。 2）铸件精度和表面质量高。 3）适用于各种合金铸件，特别适合高熔点、难加工 、形状复杂的高合金钢铸件，如高速钢刀具，不 锈钢叶片、叶轮等。 4）工序繁多，生产周期长，生产效率较低。 5）铸件大小受限，一般不超过25kg。 二、金属型铸造 金属型铸造时将液态金属浇入金属铸型，以获得铸件的铸造方 法。可以重复使用，又称永久性铸型 金属型的结构及其铸造工艺 图3-29为活塞的金属 型铸造示意图。该金属 型由左半型1和右半型2 组成，采用垂直分型， 活塞内腔由组合式型腔 构成。铸件冷却凝固后， 先取出中间型芯4，在取 出左、右两侧型芯3，然 后沿水平方向拔出左右 销孔型芯5，最后分开两 个半型，即可取出铸件。 返回目录 金属型铸造主要工艺过程包括： 1）预热 金属型预热温度主要通过试验来确定，一般不低于 150。 2）喷涂料 金属型表面应喷一层耐火涂料（厚度为0.3- 0.4mm），以保护型壁表面，免受金属液的直接冲蚀和热 击。 3）浇注 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比砂型 铸造高20-30。铝合金为680-740，铸铁为1300- 1370，锡青铜为1100-1150，对薄壁小件取上限，对 厚壁大件取下限。 4）开型 对于金属型铸造，要根据不同的铸件选用合适的开 型时间，具体数值需通过试验来确定。 金属型铸造的特点： 1）由于不需要造型，从而节省了型砂的制备和输送 以及造型、落砂和砂处理等工序，同样也节省了 这些工序所属要的工时及设备。 2）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高，铸 件的精度和表面质量较高。 3）浇、冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可 节约15%-30%。 4）金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性 ，铸件冷却速度大，容易产生浇不足、冷隔、裂 纹等缺陷。 三、 压力铸造 压力铸造时将熔融的金属在高压下快速压入压型，并 在压力下凝固，以获得铸件的方法。 压力铸造的工艺过程 图3-30为立式压铸机工作过程示意图。合型后，用定量勺将 金属液注入压室中；压射活塞向下推进，见金属液压入铸型 （图b）；金属凝固后，压射活塞退回，下活塞上移顶出余 料，动型移开，取出铸件。 返回目录 四、压力铸造 压力铸造就是在压力作用下，使液态或半液态金属以 较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固 而获得铸件的方法。常用压射压力为5-150MPa，充 填速度约5-100m/s，充填时间很短，约0.01-0.2s。 返回目录 压力铸造过程主 要由压铸机来实 现。 压铸机分： 热压室式和冷压 室式两类。 热压室式压铸示意图 冷压室卧式压铸示意图 铸件结构工艺性： 通常是指铸件本身结构符合铸造生产要求，即 便与整个工艺过程的进行，有利于保证产品质 量。 1. 铸件结构应利于简化铸造工艺 为了简化造型、造芯及减少工装制造工作量， 便于下芯和清理，对铸件结构又如下要求： （1）铸件外形应尽量简单 返回目录 8.4 铸件结构的工艺性 （2）铸件内腔结构应符合铸造工艺要求 铸件的内腔结构采用型芯来形成，这将延长生产周期 ，增加成本，因此，设计铸件结构时，应尽量不用或 少用型芯。 图3-16为悬臂支架的 两种设计方案，图a采 用方形空心截面，须 用型芯，图b改为工字 形截面，可以省掉型 芯。 （3）铸件的结构斜度 铸件上垂直于分型面的不加工年最 好有一定的结构斜度，以便于起模同时便于用砂垛代替型芯 （成为自带型芯），以减少型芯数量 如图3-18中a、b、c、d各件不带结构斜度，不便于起模 ，e、f、g、h带一定斜度的结构。对不允许有结构斜度的 铸件，应在模样上流出拔模斜度。 图3-19位大型坐标镗床身(图a)和水压工作 缸（图b）的组合结构示意图。 （4）组合铸件的应用 对于大型或形状复杂的铸件， 可采用组合结构，即先设计成若干个小铸件进行生产， 切削加工后用螺栓连接或焊接成整体。 2.铸件结构应利于避免产生铸件缺陷 铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形、 浇不足、冷隔等，有时是由于铸件结构不合理引 起的，因此在设计铸件结构时应考虑以下几个方 面： （1）壁厚合理 为防止产生冷隔、浇不足或白口等缺陷，各 种不同的合金视铸件大小、铸造方法不同，其最小壁厚应 受到限制（参见表3-2）。 减小壁厚，为了保证铸件的强度，可采用加强筋等结构 。 (2)铸件壁厚力求均匀 铸件壁厚均匀，减少后大面积，可防止形成热节及产生缩孔、缩松、晶粒 粗大等缺陷，并能减少铸造热应力及所导致的变形和裂纹等缺陷。 如图3-21所示顶盖铸件的两种结构设计，图a在厚壁处易产生缩孔，在过 渡处易产生裂纹；该为图b，可防止上述缺陷产生。 铸件上的筋条分布应尽量减少交叉，以防止形成较大的热节。如图3-22 所示，将图a交叉接头改为图b的交错接头结构，或采用图c的环形接头 ，以减少金属的积聚，避免缩孔、缩松缺陷产生。 a) b) c) 图2-22 筋条的分布 （3）铸件壁的正确连接 铸件不同壁厚的连接 应逐渐过渡（图3-23）。拐弯和交接处应采用 较大的圆角连接（图2-24），避免锐角连接（ 如图3-25），可以避免应力集中而产生开裂。 （4）避免较大的水平面 铸件上水平方向的较大面积，在脚注是金属也上升较 慢，长时间烘烤铸型表面，使铸件容易产生夹砂、浇 不足等缺陷，也不利于夹渣、体的排除，因此，因尽 量用倾斜结构代替过大水平面， 如图3-26所示。 3 铸件结构要便于后续加工 图2-27所示为电机端盖铸件。原设计图a不便于装 夹，该为图b代工艺搭子的结构，能在一次装夹 中完成轴孔d和定位环D的加工，并能较好的 保证同轴度的要求。 压铸具有如下的特点： 1）可以压铸形状复杂的薄壁铸件。 铸件最小的壁厚，锌合金为0.3mm；铝合金为0.5mm。最 小铸孔直径为0.7mm。可铸螺纹最小螺距为0.75mm。 2）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小，尺寸稳定 划一，故互换性好，可简化装配操作。 3）铸件强度和表面硬度都较高。 4）生产效率很高，生产过程易于实现机械化和自动化。 5）压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸件表皮下 形成许多气孔，故压铸件不宜进行较多余量的切削加工， 以免气孔外露。 6）由于黑色金属的熔点高，压铸黑色金属时，压铸型寿命很 低，困难较大。 7）设备投资大，生产准备周期长。 五、离心铸造 离心铸造是将熔融金属注入高速旋转的铸型 中，使其在离心力的作用下填充铸型并结 晶，从而获得铸件的方法。离心铸造必须 在离心铸造机上进行。 离心铸造机 离心铸造具有如下特点： 1）铸件致密、无缩孔、缩松、气孔、夹渣等 缺陷，力学性能好。 2）铸造有圆筒形内孔的铸件时，可免去型芯 及浇注系统，可简化工艺、节省金属。 3）生产率高，适于浇注流动性差的合金，薄 壁件及双金属件。 4）铸件易产生偏析，内孔尺寸不准确，内表 面粗糙。 六、几种铸造方法的比较 铸铸造方法 比较项较项目 砂型铸铸 造 熔模铸铸造金属型铸铸 造 压压力铸铸造低压铸压铸 造 离心铸铸造 适用金属任意不限制，以 铸钢为铸钢为 主 不限制，以 有色金属为为 主 铝铝、锌锌等低 熔点金属 以有色合 金为为主 以铸铁铸铁、钢钢合 金为为主 适用铸铸件大小任意一般0.50 的碳素钢 和含碳量WC0.40 的合金钢焊接性不好，尽量避免采用。同一 构件焊接时尽量选用同种金属材料。异种材料焊接时，往往由于 两者的物理、化学及热性能的不同，其焊接具有很大差异，焊接 难度较大，甚至难于用熔焊的方法进行焊接。 二、焊接接头设计 1、焊缝的布置 合理的布置焊缝位置是焊接结构设计的关 键，其一般设计原则如下： 1）焊缝布置应尽量分散，且不宜过长。 2）焊缝的位置应尽量对称布置。 3）焊缝应避开最大应力和应力集中的部位。 4）焊缝应尽量避开机械加工表面。 5）对于不同厚度钢板的受力对接接头，若两板的厚度差不 超过规定数值时，接头的基本形式和尺寸安厚板选取；超出规 定数值时，厚板应单面或双面削薄，对削薄长度有一定要求。 6）焊缝位置应便于焊接操作。 7）焊缝应尽量放在平焊位置。 2、接头与坡口形式的选择设计 焊条电弧焊的接头与坡口 形式选择已在前面介绍，其他方法目前尚无国家标准，一般可根 据各种焊接方法的特点，参考焊条电弧焊接头形式进行设计。 三、焊接结构工艺设计举例 结构名称：中压容器 如图 材料：16Mn(原材料尺寸1200mmX5000mm) 件厚：筒身12mm,封头14mm，人孔圈20mm，管接头7mm 生产量：小批生产 工艺设计要点：筒身用钢板冷卷，按实际尺寸可分为三节。 10.6焊接缺陷及检验方法 在焊接结构生产中，主要有焊接裂纹、未焊透、未熔合、夹 渣、气孔、咬边和焊瘤等缺陷。这些缺陷不仅减少焊缝截面，降 低承载能力，更主要的还会使构件产生应力集中，更大的降低承 载能力。除了在焊前和焊接生产中采取措施防止缺陷外，还需对 成品进行检验。焊接缺陷主要发生的部位可为表面缺陷和内部缺 陷两类。 检验方法主要有：着色检验，磁粉探伤，射线探伤，超声波 探伤，此外还有用于检验容器和压力容器有无泄漏的致密性检验， 如水压试验、气压试验、煤油试验等。以上这些检验方法都属于 非破坏性检验，即所谓无损探伤。还有一类破坏性检验方法，如 力学性能试验、化学分析、金相组织检验等。 第十一章 材料选择概述 选材的动机： 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 11.1 材料选用原则 11.2 材料选用方法 11.3 典型零件选材及工艺分析 11.1 材料选用原则 1.使用性能原则-首要原则 2.工艺性能原则 3.经济性原则-根本原则 4.环境与资源原则 (一) 使用性能原则-首要原则 1. 分析零件的工作条件 1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计算载荷引起的 应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。 2)考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态综合作用，提 出更为复杂的性能要求。 3)最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。 受力状况 载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载 荷等），载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或 扭转等），载荷的大小以及分布特点（如均布载荷 或集中载荷）。 环环境状况 温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（ 如有无腐蚀或摩擦作用）。 特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 2. 进行失效分析 失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析常常可以综合出零件 所要求的主要使用性能。 几种常用零件的工作条件和失效形式 零件 工作条件 常用失效 形式 性能要求 应力种类 载荷性质 受载状态 螺栓 拉、剪 静载 过量变形 ，断裂 强度，塑 性 传动轴 弯、扭 循环，冲 击 轴颈摩擦 疲劳断裂 ，过量变 形，轴颈 磨损 综合力学 性能 传动齿轮 压、弯 循环，冲 击 摩擦，振 动 断齿，磨 损，疲劳 断裂，接 触疲劳 表面高强 度及疲劳 极限，心 部强度及 韧性 弹簧 扭、弯 交变，冲 击 振动 弹性失稳 ，疲劳破 坏 弹性极限 ，屈强比 ，疲劳极 限 3零件性能要求的指标化 将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能指标（如强度、韧性 、塑性、硬度等）； 再根据工作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。 (1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。 例如：= k 屈服强度 纯剪纯拉载荷-弯曲和扭转载荷 (2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。 塑性、韧性过剩而降低零件寿命。 例如用35CrMo制造的10t模锻锤锤杆 调质处理（高塑性、韧性-承受较大的冲击载荷）-疲劳断裂 淬火+中温回火（表面硬度提高）-寿命提高320倍以上。 追求强度越高越好，贸然将零件置于低应力脆断的危险中。 例如高周疲劳断裂 材料的强度在 1400MPa范围内-强度越高，疲劳强度亦高 若材料的强度在 1400Mpa范围-疲劳寿命随强度的增加反而降低 在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指标、手册性能数据 、经验关系式的局限性。 b b s 中碳钢(0.4%C)不同尺寸毛坯的力学性能 热处理条 件 毛坯尺寸 /mm b/MPa /% Ak/J 850淬火 5 30 800 750 16 15 120 80 500回火 50 100 700 600 15 13 56 40 （二）工艺性能原则： 1. 金属材料的工艺性能 图11-1 金属零件的加工工艺路线 性能、质量要求不高的零件 毛坯正火或退火切削加工零件。 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法 ，其工艺性能均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工 最终热处 理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处 理等）精加工零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等， 其中有些材料的加工性能存在问题，因此选材时应 注意对其工艺性能的分析。 性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工 最终热处 理（淬火+低温回火，固溶时效或渗 碳）半精加工稳定化处理（或氮化） 精加工稳定化处理零件。 加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时 应务必保证材料的工艺性能。 2. 高分子材料的工艺性能 图11-2 高分子材料的加工工艺路线 表11-7 高分子材料主要成形工艺特点 工 艺 适用材 料 形 状 表面光 洁度 尺寸精 度 模具费 用 生产率 热压成 形 范围较 广 复杂形 状 很好 好 高 中等 喷射成 形 热塑性 塑料 复杂形 状 很好 非常好 很高 高 热挤成 形 热塑性 塑料 棒类 好 一般 低 高 真空成 形 热塑性 塑料 棒类 一般 一般 低 低 3. 陶瓷材料的工艺性能 成形后，受陶瓷加工性能的局限，除了可以用碳化硅或金刚石砂轮磨削加工外 ，几乎不能进行任何其它加工。因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其加工 性能的限制。 图11-3 陶瓷材料的加工工艺路线 表11-8 陶瓷材料成形工艺的比较 工 艺 优 点 缺 点 粉浆成形 可做形状复杂件、薄壁 件，成本低 收缩大，尺寸精度低， 生产率低 压制成形 可做形状复杂件，有高 密度和高强度，精度较 高 设备较 复杂，成本高 挤压成形 成本低，生产率高 不能做薄壁件，形状要 对称 可塑成形 尺寸精度高，可做形状 复杂件 成本高 （三）经济性原则棗根本原则 产品成本与性能的关系： 图11-4 产品成本分析 1. 基本材料的成本 材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（3070%） 。 选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我 国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）。 材 料 价格（美元/t） 材 料 价格（美元/t） 铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000 金 19,100,000 硼环氧树脂复 合材料 330,000 钨 26,000 碳纤维复材料（ CFRP） 200,000 钛合金 10,19012,720 玻璃纤维复合材 料（GFRP） 24003300 黄铜（型材） 16502336 尼龙66 3289 铝合金（型材） 20002440 环氧树脂 1650 低碳钢（型材） 440480 天然橡胶 1430 铸铁 260 Al2O3 1100-1760 硬质合金 66,000 玻璃 1500 常见工程材料价格 我国常用金属材料的相对价格 材 料 相对价格 材 料 相对价格 普通碳素结构钢 1 铬不锈钢 5 优质碳素结构钢 1.31.5 铬镍不锈钢 15 合金结构钢（Cr- Ni钢除外） 1.72.5 灰口铸铁 1.4 铬镍合金结构钢 （中合金钢） 5 铸造铝合金、铜 合金 810 滚珠轴承钢 3 普通黄铜 1317 低合金工具钢 34 锡青铜、铝青铜 19 高速钢 1620 钛合金 5080 硬质合金 150200 （工程塑料） 515 基本材料的价格的影响因素： 1.提炼和制取的成本 2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 3.材料的提纯、合金化（合成）成本 4.加工增值成本 5.供求关系所造成的价格波动 常见金属矿物资源的品位 矿石品种 品位 矿石品种 品位 典型铁矿石 6065%Fe 典型铀矿石 0.2%U 典型铜矿石 11.5%Cu 典型金矿石 0.00010.001%Au 2. 制造成本。 加工成本约占零件成本的30%左右，生产批量越少，这一比例越高 。 总成本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产品的成本，N 为生产批量（件/批）。 图11-5 产量对制造成本的影响 （四）环境与资源原则 随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化，材料的环境和资源准则在 今后会变得日益重要。这一准则要求材料在生产使用废弃的全过 程中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小，可以完全再生利用 或废弃时完全降解。 1. 能源和资源消耗少 世界能源储藏量 石油 天然气 煤 铀 可开采储量 9970亿桶 138万亿m3 1，039，272 吨 200万吨 可开采年限 45.5年 64年 219年 74年 主要产地及储 量比例 中东66.4% 独联体、中东 70% 美、苏、中、 澳 70% 重要金属的世界储量 储量（106t ） 可用年数 再生率(%) Fe 1106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51 通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使用量； 通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使用量； 通过易分选及可再生循环材料的利用，降低对天然资源的依赖； 选用能耗低的材料及加工工艺。 2. 环境污染小 环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产使用废弃的全 过程中具有与环境的协调性，充分降低对环境造成的负荷。 1).采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺， 2).选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便于提纯，通用 性强），降低废弃物环境负荷， 3).选择以再生资源为原料的材料。 生产各种材料消耗的能量及碳的排放量 材料 矿物燃料能耗 排碳量 MJ/Kg MJ/m3 Kg/t Kg/m3 木材 1.52.8 7501390 3056 1528 混凝土 2.0 4800 50 120 钢材 35 266,000 700 5320 一次铝 435 1,100,000 8700 22,000 再生铝 13 33,000 一定性能水平下的材料能耗 木材 混凝土 钢 塑料 铝、镁及钛合金 E/s b 24 145 100500 475-1002 710-1029 E生产每公斤材料的能耗 材料密度 s b抗拉强度 材料的可再生循环性： 1)混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解； 2)木材不但能耗低，还能充分回收，并可以降解； 3)多数塑料回收率很低； 金属材料能耗高但可较容易地回收，其中铝的回收价值尤其高，扩 大对再生铝的利用，具有相当大的环境意义。 11。2 材料选用方法 （一）选材的一般程序 1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现 有状况（所用材料、使用寿命、失效形式以及供应情况）的调研，再结 合力学计算或试验确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。 2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分析和筛选，初步 选定材料的牌号、规格及制造工艺。 3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能要求，并进行小 批试生产以检验材料制造过程中 工艺性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下 来。 （二）选择材料的定量方法简介 1固定效果选材法单位性质成本法 在选择材料最简单的情况下，一种材料性能被突出地作为最关键的工作要 求。在这种情况下，可以估算不同的材料达到这种要求（固定效果）所需 的成本。 实例单轴拉伸的实心圆柱零件选材分析 等强度判据分析等刚度判据分析 截面尺寸D 相对成本RC 备选材料：Q235（ =235MNm ，相对成本p =1） 低合金结构钢16Mn（ =350MNm ，相对成本p =1.25）， E E 200000 MNm 。 在等刚度判据下，根据式8.9应选择成本较低的Q235，因为构件的刚度 主要取决与它的承载面积及材料的弹性模量，盲目选择高强度的低合金 钢只会使成本增加。若采用等强度判据，由于16Mn的屈服强度高于 Q235，则构件的承载面积可减少，从而节约钢材用量，但是否经济， 要取决于计算结果，应选择16Mn。 2加权性质法 加权性质法可用于评价各种材料和各种性能的复杂组合。材料性能的数 值乘加权因子（a）得到加权后的性质值，然后把每种材料单个的加权性 质值相加，得出对比材料的性能指数（g ），g 值最高的材料被认为是最 好的材料。 例 表8-16列出了可用作飞机机翼的几种材料。由于机翼在飞行时必须承 受整个飞机的重量，因此机翼承受的应力最高，应力变化也最复杂，其 要求的最主要性能为： 、E 、K 。 S1 2 1 S2 2 2 12 2 S 13 IC 几种飞机机翼材料的性能 材料 S MPa/(t?m-3) KIC2S2 mm E13 GPa13/(t?m- 3) 相对成本q 铝合金I 130 16.5 1.50 1.18 铝合金II 204 2.1 1.50 1.40 钛合金 196 4.6 1.06 8.00 不锈钢 115 12.3 0.75 1.00 几种机翼备选材料性能的定标值及性能指数 材料b 1 S b 2 KIC2S2 b 3 E13 b 4 相对成本 g a1,2,3,4=1 a1,2,3 =10 ，a4=1 铝合金I 64 100 100 85 349 2725 铝合金II 100 13 100 82 295 2217 钛合金 96 27 71 0 194 1940 不锈钢 56 75 50 87 268 1897 注： =(1q /q ）100 如认为各性能都是同等重要的，a =1，则选择倾向于铝合金I ，铝合金II次之，钛合金排在最后。事实上即使是民用客机，其安全性也 是极其重要的，并直接影响到生产企业的商业利益，因此应适当降低成 本的加权系数，a =10，a =1，选材仍倾向于铝合金，钛合金先 于低价材料不锈钢。材料的实际应用状况也正是这样，目前铝合金一直 占据着制造民用飞机机翼的最主要材料的地位。 4 i max 1，2，3，4 1，2，3 4 表8-18 飞行速度与飞机蒙皮表面饱和温度 马赫数 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 表面饱和温度 100 150 200 300 370 表8-19 备选材料的工作温度极限 材料 铝合金I 铝合金