机械工程材料的选用原则.doc

第五篇 材料的选用教学目的及要求通过本章学习，使学生了解零件的失效形式与提高材料性能的途径，掌握零件选材的一般原则和方法。主要内容1零件的失效形式与提高材料性能的途径2零件选材的一般原则和方法3典型零件的选材及应用实例学时安排2学时教学重点1零件的失效形式与提高材料性能的途径2零件选材的一般原则和方法教学难点零件的失效形式与提高材料性能的途径教学过程第一节 选材的一般原则一.材料的使用性能选材的最主要依据指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表征机械性能的参数主要有强度极限b、弹性极限e、屈服强度s或0.2、伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。这些参数中强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。附表：几类典型零件的工作条件失效形式及主要机械性能指标可以看出，在设计机械零件和选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式，找出对材料机械性能的要求，这是材料选择的基本出发点。二.材料的工艺性能材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。典型零件工作条件失效形式主要力学性能指标重要螺栓承受交变拉应力过量塑性变形或由疲劳而造成破断0.2、HBS-1p重要传动齿轮承受交变弯曲应力、交变接触压应力、齿面受滚动摩擦冲击载荷齿面过度磨损、疲劳麻点、齿的折断-1、bb、HRC、接触疲劳强度曲轴轴类承受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷颈部摩擦、过度磨损、疲劳破断而失效0.2、-1、HRC弹 簧交变应力、振动弹性丧失或疲劳破断sb、e、-1p滚动轴承点线接触下的交变压应力、滚动摩擦过度磨损、疲劳破断而失效bc、-1、HRC注：-1p为抗压或对称拉伸时的疲劳强度；-1光滑试样对称弯曲应力时的疲劳强度；bb抗弯强度；bc抗压强度。（1）铸造性能：一般是指熔点低、结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。如：合金中共晶成分铸造性最好。（2）压力加工性能：是指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好、加工表面质量高，不易产生裂纹；而热变形性能好的标志是接受热变形的能力 好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。（3）切削加工性能：刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度等是评定金属材料切削加工性能好坏的标志，也是合理选择材料的重要依据之一。（4）可焊性：衡量材料焊接性能的优劣是以焊缝区强度不低于基体金属和不产生裂纹为标志。（5）热处理：是指钢材在热处理过程中所表现的行为。如过热倾向、淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向以及变形开裂倾向等来衡量热处理工艺性能的优劣。 总之，良好的加工工艺性可以大减少加工过程的动力、材料消耗、缩短加工周期及降废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。 三.材料的经济性能每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。产品的成本主要包括：原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零件的寿命及维修费，若选用新材料还要考虑研究试验费。作为一个机械设计人员，在选材时必须了解我国工业发展趋势，按国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际出发全面考虑各方面因素。第二节 零件的失效任何零件或部件使用一段时间后都要损伤或损坏，其损伤的程度有三种情况：1 零件彻底破坏，不能再使用；如轴断裂。2严重损伤继续使用不安全；如有裂纹产生、表面磨损。3虽然还能安全工作，但已达不到预定的作用。只要发生上面情况中的任何一种都可以认为零件已经失效。对机器零件或部件进行失效分析的目的就是要找出零件破坏的原因，并且提出相应的改进措施。失效分析的结果对于零件的设计、选材、加工及使用都具有很大的指导意义。一、机械零件失效的方式零件失效的形式多种多样，按零件的工作条件及失效的宏观表现与规律可分为：变形失效、断裂失效、表面损伤失效等。二、机械零件失效的原因失效原因有多种，在实际生产中，零件失效很少是由于单一因素引起的，往往是几个因素综合作用的结果。归纳起来可分为设计、材料、加工和安装使用四个方面。可能的原因有如下：1 设计原因一是由于设计的结构和形状不合理导致零件失效，如零件的高应力区存在明显的应力集中源（各种尖角、缺口、过小的过渡圆角等；二是对零件的工作条件估计失误，如对工作中可能的过载估计不足，使设计的零件的承载能力不够。2材料方面的原因选材不当是材料方面导致失效的主要原因。最常见的是设计人员仅根据材料的常规性能指标来作出决定，而这些指标根本不能反映出材料所受某种类型失效的搞力；材料本身的缺陷（如缩孔、疏松、气孔、夹杂、微裂纹等）也导致零件失效。3加工方面原因由于加工工艺控制不好会造成各种缺陷而引起失效。如热处理工艺控制不当导致过热、脱碳、回火不足等；锻造工艺不良带状组织、过热或过烧现象等；冷加工工艺不良造成光洁度太低，刀痕过深、磨削裂纹等都可导致零件的失效。有些零件加工不当造成的缺陷与零件设计有很大的关系，如热处理时的某些缺陷。零件外形和结构设计不合理会促使热处理缺陷的产生（如变形、开裂）。为避免或减少零件淬火时发生或开裂，设计零件时应注意：截面厚薄不均匀，否则容易在薄避处易开裂；结构对称，尽量采用封闭结构以免发生大的变形；变截面处均匀过渡，防止应力集中。4安装使用与失效零件安装时，配合过紧、过松、对中不良、固定不紧等，或操作不当均可造成使用过程中失效。三、零件失效分析的方法步骤1现场调查研究这是十分关键的一步。尽量仔细收集失效零件的残骸，并拍照记录实况，从而确定重点分析的对象，样品应取自失效的发源部位。2详细记录并整理失效零件的有关资料，如设计图纸、加工方式及使用情况。3对所选定的试样进行宏观和微观分析，确定失效的发源点和失效的方式。扫描电镜断口分析确定失效发源地和失效方式；金相分析，确定材料的内部质量。4测定样品的有关数据：性能测试、组织分析、化学成份分析及无损探伤等。5断裂力学分析。6最后综合各方面分析资料作出判断，确定失效的具体原因，提出改进措施，写出分析报告。第三节 典型零件的选材及应用实例工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。一、机床零件的选材分析机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。1机床轴类零件的选材机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。（3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。（4）高精度主轴。 有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。2机床齿轮类零件的选材机床齿轮按工作条件壳分为三类：（1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。（2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。（3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如：变速箱中一些重要传动齿轮等。3机床导轨的选材机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。二、汽车零件的选材分析1发动机和传动系统零件的选材这两部分包括的零件相当多。其中，有大量的齿轮和各种轴，还有在高温下工作的零件，如进、排气阀、活塞等。它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。2减轻汽车自重的选材随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/31/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。三、典型模具的选材分析四、典型零件的选材实例1机床主轴图示是C620车床主轴的结构简图。图示 C620车床主轴及热处理技术条件机床主轴是典型的受扭转弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。对C620车床主轴的选材结果如下：材料：45钢。热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。性能要求：整体硬度NB220HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火及低温回火磨削。该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。2汽车半轴汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如图5所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。图 130载重车半轴简图例：130载重车半轴材料：40Cr。热处理：整体调质。性能要求：杆部HRC37HRC44；盘部外圆HRC24HRC34。工艺路线：下料锻造正火机械加工调质盘部钻孔磨花键。3机床齿轮机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kgm/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。例：普通车床床头箱传动齿轮。材料：45钢。热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。性能要求：齿轮心部硬度为HB220HB250；齿面硬度HRC52。工艺路线：下料锻造正火或退火粗加工调质或正火精加工高频淬火低温回火 （拉花键孔）精磨。4汽车齿轮汽车齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以汽车的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国汽车齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC13单位，耐用性可提高711倍。例：北京牌吉普车后桥圆锥主动齿轮。图示 北京吉普后桥圆锥主动齿轮简图材料：20CrMnTi钢。热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm1.6mm。性能要求：齿面硬度HRC58HRC62，心部硬度HRC33HRC48。工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火、低温回火磨加工。以上各类零件的选材，只能作为机械零件选材时进行类比的参照。其中不少是长期经验积累的结果。经验固然很重要，但若只凭经验是不能得到最好的效果的。在具体选材时，还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，重要零件在初选后，需进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定。机械零件材料选用的原则机械零件材料选用的原则要考虑三个方面的要求 1、使用要求（首要考虑）： 1）零件的工况（震动，冲击，高温，低温，高速，高载都应当慎重对待）； 2）对零件尺寸和质量的限制； 3）零件的重要程度。（对于整机可靠度的相对重要性） 2、工艺要求： 1）毛坯制造（铸造，锻打，切板，切棒）； 2）机械加工； 3）热处理； 4）表面处理 3、经济性要求： 1）材料价格（普通圆钢与冷拉型材，精密铸造，精密锻造的毛坯成本与加工成本的对比，）； 2）加工批量和加工费用； 3）材料的利用率；（如板材，棒料，型材的规格，合理的加以利用） 4）替代（尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料，如在一些耐磨部位的套用球墨替代铜套，用含油轴承替代车削加工的一些套，速度负载不大的情况下，用尼龙替代钢件齿轮或者铜蜗轮等等）。 另外，还要考虑当地材料的供应情况 机械设计的基本要求 a) 对机器使用功能方面的要求要注意协调、平衡！防止木桶效应的出现 b) 对机器经济性的要求 设计经济性，在短的时间里投产上市，捞回开发期间的消耗，甚至边设计边制造使用经济性 要有最佳的性能价格比（产品在小批量做开始赚了，再来改的更好） 4、对机械零件设计的基本要求 a) 在预定工作期限内正常、可靠地工作，保证机器的各种功能 b) 要尽量降低零件的生产、制造成本 c) 尽可能多的采用市场常见标准件。 d) 对可能系列化的产品，尽可能的在开始设计的时候考虑零件的通用性，无法通用的也要尽可能的在结构上类似，以减少制造过程的工艺编排，夹具工装设计的工作量冲压模具材料的选用原则冲压模具材料的选用原则 在冲压模具中，使用了各种金属材料和非金属材料，主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨脂橡胶、塑料、层压桦木板等。 制造模具的材料，要求具有高硬度、高强度、高耐磨性、适当的韧性、高淬透性和热处理不变形(或少变形)及淬火时不易开裂等性能。 合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。对用途不同的模具，应根据其工作状态、受力条件及被加工材料的性能、生产批量及生产率等因素综合考虑，并对上述要求的各项性能有所侧重，然后作出对钢种及热处理工艺的相应选择。 1. 生产批量 当冲压件的生产批量很大时，模具的工作零件凸模和凹模的材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢。对于模具的其它工艺结构部分和辅助结构部分的零件材料，也要相应地提高。在批量不大时，应适当放宽对材料性能的要求，以降低成本。 2. 被冲压材料的，性能、模具零件的使用条件 当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时，冲模的凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。拉深不锈钢时，可采用铝青铜凹模，因为它具有较好的抗粘着性。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性，故多采用低碳钢表面渗碳淬火。又如，碳素工具钢的主要不足是淬透性差，在冲模零件断面尺寸较大时，淬火后其中心硬度仍然较低，但是，在行程次数很大的压床上工作时，由于它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件，不但要有足够的强度，而且要求在工作过程中变形小。另外，还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。 3. 材料性能 应考虑材料的冷热加工性能和工厂现有条件。 4. 降低生产成本 注意采用微变形模具钢，以减少机加工费用。 5. 开发专用模具钢 对特殊要求的模具，应开发应用具有专门性能的模具钢。 6. 考虑我国模具的生产和使用情况 选择模具材料要根据模具零件的使用条件来决定，做到在满足主要条件的前提下，选用价格低廉的材料，降低成本。 机械零件选材及工艺路线分析1 材料的选用原则在机械零件产品的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。不仅要考虑材料的性能是否能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。选材中要注意到材料的化学物理性能、机械性能和工艺性能，如密度、弹性模量、强度、韧性、耐蚀性、耐磨性、高温和低温强度、焊接性能、淬透性、热处理变形量、可锻性、切削性能、经济性等。选用材料要根据产品批量，是常年需要（定型产品）或一次性生产（单件、单批生产），从机械性能、工艺和经济三方面来考虑。1.1 材料的机械性能在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料的主要机械性能指标，这是保证零件经久耐用的先决条件。如汽车、拖拉机或柴油机上的连杆螺栓，在工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉应力，而且拉应力是周期变动的，其损坏形式除了由于强度不足引起过量塑性变形而失效外，多数情况下是由于疲劳破坏而造成短裂。因此对连杆螺栓材料的机械性能除了要求有高的屈服极限和强度极限外，还要求有高的疲劳强度。由于是整个截面均匀受力，因此材料的淬透性也需考虑。零件实际受力条件是较复杂的而且还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等因素，因此机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，因而严格说来，材料机械性能数据仍不能确切地反映机械零件承受载荷的实际能力。即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度检验可以不破坏零件，而且硬度与其他机械性能之间存在一定关系。因此零件图纸上一般都以硬度作为主要的热处理技术条件。1.2 材料的工艺性能现代工业所用的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：铸造、压力加工、焊接和机械加工。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响，几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流动性、收缩、偏析、吸气性等；锻造性能：包括可锻性、抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等；机械加工性：包括光洁度、切削加工性等；焊接性能：包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等；热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性倾向、氧化脱碳倾向、冷脆性等。机器上的钢制零件一般要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。在小批量生产时，工艺性能的好坏并不显得突出；而大批量生产时，工艺性能则可以成为决定性的因素。在设计零件时，也要注意热处理工艺性。如其结构形状复杂，应选用淬透性好的钢材，如油淬钢，它变形较小。一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。通过改变工艺规范、调整工艺参数、改进刀具和设备、变更热处理方法等途径，可以改善金属材料的工艺性能。1.3 材料的经济性在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应注意降低零件的总成本。零件的总成本包括材料本身的价格和与生产有关的其他一切费用。在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。低合金钢由于强度比碳钢高，总的经济效益比较显著，有扩大使用的趋势。在选材时还应考虑国家的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。2 工艺性设计决定工艺，工艺也可能决定设计。完成同一功能的零部件，可以设计出不同的结构，其中某些结构易于加工并保证加工精度，但某些结构则难于加工，甚至无法加工，所以设计人员必须了解工艺。对所设计的机械产品，每个零件应该选择哪种工艺流程，各个零件图所标注的尺寸、公差、粗糙度和技术条件，都直接影响工艺流程的优劣和生产周期的长短。根据零件图和零件材料的特性，可选择下述一种或几种工艺，切削加工、铸造、锻造、板金、冲压、挤压等。以上每个工艺都有其造价最合理的经济精度，所以零件图和材料确定后，也就在一定程度上确定了采用哪种工艺。当零件的形状比较复杂，尺寸较大时，用锻造往往难以实现，如果采用铸造性能或焊接性能，在结构上也要适应铸造或焊接的要求。至于选用铸造还是焊接，采用模锻还是自由锻。如果零件的生产批量小，所花的木模和模具费超过了机械加工所能节约的费用，则不如采用焊接件或自由锻造件。如果生产批量较大，采用铸件或模锻件较为有利。如果零部件的其他性能都满足，只是材料的焊接性能不好，而又没有合适的焊接性能好的材料，则可以改变联接方式。例如，由焊接该为螺纹联接或其他联接。有时，产品的交货日期也影响制造工艺的选择，如果交货日期紧迫，常常采用焊接件而不用铸件。当零件用冷拔工艺制造时，应考虑材料的延伸率，并考虑冷加工硬化对材料机械性能的影响。钢与某些非铁金属经过冷作硬化后，硬度、屈服极限和强度极限都有相当大提高，而其提高程度又和加工过程中的截面收缩率有关，截面收缩率越大，提高程度越大。同样的结构材料，如果采用先进而合理的热处理工艺，则强度性能可以成倍地提高，至于采用何种热处理工艺，必须考虑具体条件。对于切削加工的零件，应根据零件的几何形状、加工面种类和加工位置来确定采用一种或几种切削工艺，如车、铣、钻、镗、磨等。同样的孔，采用车、镗还是磨削作为最后的工序，要根据加工精度和表面粗糙度决定。在自动机床上进行大批量生产的零件，应该考虑材料的被切削性能，使易于断屑，减少刀具磨损量，提高生产率和加工精度。工艺的另一个重要方面是装配，即将各个零件装配成一个整体。装配要根据产品的结构特点，选择合适的联接方式：1）螺栓、键、销钉联接，这些联接形式能方便地拆开；2）铆钉联接，可拆但不方便；3）焊接，形成永久性联接，不可拆。表面采用油漆、抛光、电镀还是塑料涂层，要根据外观和抗腐蚀的要求决定。3 热处理技术条件的标注热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间。设计者应根据零件的工作特性，提出热处理技术条件。热处理零件一般在图纸上都以硬度作为热处理技术条件，对于渗碳的零件则还应标注渗碳深度。某些要求性能较高的零件还需标注其他机械性能指标。所标注的热处理技术条件应该合理。设计者不应仅仅根据整个机器结构的要求和零件工作特性来提出热处理技术条件，还必须考虑到材料热处理的特性和工艺性以及生产的实际条件和能力，以确保设计要求得以达到。常见的不合理现象有：要求大截面零件获得小尺寸试样的性能指标；要求低碳钢不经化学热处理达到高硬度；要求零件硬度超越钢材的淬硬性；要求一个零件上有多种硬度等等。此外，在标注技术条件时，不应该对热处理方式方法规定得太具体，因为热处理工艺规范的决定要考虑到诸如技术要求、生产条件、安全、工人技术水平和操作习惯等许多因素。实际上，一个零件要获得某一性能，往往可用多种方法达到。硬性规定不利于发挥热处理工作者的积极性，因地制宜地完成任务，也不利于新技术新工艺的采用和推广。4 冷加工方面减小变形、防止开裂的措施4.1 改进淬火零件结构形状的设计在实际生产中，设计人员有时只注意到如何使零件的结构形状适合部件机构的需要，而往往忽视了零件在加工时或热处理过程中，因结构形状不合理给热处理操作带来的不便，以致引起淬火变形甚至开裂，而使零件报废。因此，设计工作者必须充分考虑淬火零件的结构形状与热处理工艺性的关系。在设计淬火零件结构形状时，应掌握以下原则：避免尖角和棱角避免厚薄悬殊采用封闭、对称结构采用组合结构4.2 合理安排工艺路线对于某些精密零件因切削加工或磨削加工造成应力而引起变形时，在工艺路线中可穿插除应力处理或时效处理以减小变形。对于细长轴类和形状复杂的零件，在粗加工成形后安排一道除应力处理工序，以消除切削加工引起的应力，对减小淬火变形十分有利。对于需要精磨的零件，在热处理粗磨后，一般安排时效处理，以消除磨削应力，稳定尺寸，防止随后发生变形。4.3 修改技术条件对于某些容易产生变形、开裂的零件，可以修改技术条件，以减小变形、防开裂。4.4 按变形规律调整加工尺寸在通过试验，掌握了零件变形规律的情况下，采取冷热加工配合，调整加工尺寸来减小变形，对于大批生产的零件是一种行之有效的方法。4.5 预留加工余量热处理时零件不可避免地会有变形，因此在零件加工过程中必须留有合理的加工余量，这样既可简化热处理操作，又不使随后机械加工时增加过大的工作量。4.5.1 调质件的留余量轴类调质件在淬火时会有变形、氧化、脱碳等，因此无论是原材料还是锻件，在调质前必须留有加工余量。4.5.2 渗碳件的留余量对局部渗碳零件在不需要渗碳部分或有配做孔处，可以采用加工余量办法，在渗碳后淬火前切除这部分渗碳层。4.5.3 淬火件的留余量精加工以后的零件在热处理淬火操作时由于热应力的影响，必然会产生变形。除设法减小淬火变形外，为了能在淬火后磨削到所要求尺寸，必须留出足够的磨削余量。4.6 更换材料材料是根据零件的工作条件来选取的。由于结构形状的原因，在采取了其他措施后仍不能减小变形、防止开裂的情况下，也可以考虑更换材料。一般可以用合金钢来代替碳钢，用低变形钢来制造工、模、量具等。4.7 提高表面光洁度切削加工后零件的表面光洁度太差有时也可能成为淬火裂纹的起因。切削刀痕过深，造成应力集中，在淬火时沿刀痕方向形成淬火裂纹。应该提高零件的表面光洁度。5 结束语总之，作为一个设计、工艺人员，在选材时、必须了解我国工业发展形势，要按照国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际情况出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性能等方面的问题。在考虑选材和热处理技术条件时，要注重深入生产实际，加强调查研究，了解零件生产的全过程，从中得出最合适的结论。机械零件的材料及其选用 材料的选择是机械零件设计中非常重要的环节。随着工程实际对机械及零件要求的提高，以及材料科学的不断发展，材料的合理选择愈来愈成为提高零件质量、降低成本的重要手段。 （一）机械零件常用的材料 1金属材料 在各类工程材料中，以金属材料（尤其是钢铁）使用最广。据统计，在机械制造产品中，钢铁材料占90%以上。钢铁之所以被大量采用，除了由于它们具有较好的力学性能（如强度、塑性、韧性等）外，还因价格相对便宜和容易获得，而且能满足多种性能和用途的要求。在各类钢铁材料中，由于合金钢的性能优良，因而常常用来制造重要的零件。 除钢铁以外的金属材料均称为有色金属。在有色金属中，铝、铜及其合金的应用最多。其中，有的具有质量小，有的具有导热和导电性能好等优点，通常还可用于有减摩及耐腐蚀要求的场合。 2高分子材料 高分子材料通常包含三大类型，即塑料、橡胶及合成纤维。高分子材料有许多优点，如原料丰富，可以从石油、天然气和煤中提取，获取时所需的能耗低；密度小，平均只有钢的1/6；在适当的温度范围内有很好的弹性；耐腐蚀性好等。例如，有“塑料王”之称的聚四氟乙烯有很强的耐蚀性，其化学稳定性也极强，在极低的温度下不会变脆，在沸水中也不会变软。因此，聚四氟乙烯在化工设备和冷冻设备中有广泛应用。 但是，高分子材料也有明显的缺点，如：容易老化，其中不少材料阻燃性差，总体上讲，耐热性不好。 3陶瓷材料 作为工程结构陶瓷材料，有以Si3N4和SiC为主要成分的高温结构陶瓷，有以Al2O3为主要成分的刀具结构陶瓷。陶瓷材料的主要特点是：硬度极高、耐磨、耐腐蚀、熔点高、刚度大以及密度比钢铁低等。陶瓷材料常被形容为“像钢一样强，像金刚石一样硬，像铝一样轻”的材料。目前，陶瓷材料已应用于密封件、滚动轴承和切削刀具等结构中。 但是陶瓷材料的主要缺点是比较脆，断裂韧度低，价格昂贵，加工工艺性差等。 4复合材料 复合材料是由两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料复合制成的，不同的材料可分别作为材料的基体相和增强相。增强相起着提高基体相的强度和刚度的作用，而基体相起着使增强相定型的作用，从而获得单一材料难以达到的优良性能。 复合材料的基体相通常以树脂为主，而按增强相的不同可分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。作为增强相的纤维织物的原料主要有玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维等。作为增强相的颗粒有碳化硼、碳化硅、氧化铝等颗粒。复合材料的制备是按一定的工艺将增强相和基体相组合在一起，利用特定的模具而成形的。 复合材料的主要优点是有较高的强度和弹性模量，而质量又特别小；但也有耐热性差、导热和导电性能较差的缺点。此外，复合材料的价格比较贵。所以目前复合材料主要用于航空、航天等高科技领域，如在战斗机、直升机和人造卫星等中有不少的应用。在民用产品中，复合材料也有一些应用，如在体育娱乐业中的高尔夫球杆、网球拍、赛艇、划船桨等。 （二）机械零件材料的选择原则 从各种各样的材料中选择出合用的材料，是一项受多方面因素所制约的工作。在以后的各有关章节中，将分别介绍各种零件适用的材料和牌号。由于钢铁仍是在机械设计中应用得最多和最广的材料，所以下面就金属材料（主要是钢铁）的一般选用原则做一简介。 1载荷、应力的大小和性质 这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，应在充分了解材料的力学性能的前提下来进行选择。脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件。在多少有些冲击的情况下，应以塑性材料作为主要使用的材料。 金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善，因此，要充分利用热处理的手段来发挥材料的潜力。对于最常用的调质钢，由于其回火温度的不同，可得到力学性能不同的毛坯。回火温度愈高，材料的硬度和强度将愈低，而塑性愈好。所以在选择材料的品种时，应同时规定其热处理规范，并在图纸上注明。 2零件的工作情况 零件的工作情况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦磨损的程度等。 在湿热环境下工作的零件，其材料应有良好的防锈和耐腐蚀的能力，例如选用不锈钢、铜合金等。 工作温度对材料选择的影响，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力，或者使配合松动；另一方面也要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。 零件在工作中有可能发生磨损之处，要提高其表面硬度，以增强耐磨性。因此，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。 3零件的尺寸及质量 零件尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时，一般可以不受尺寸及质量大小的限制；而用锻造材料制造毛坯时，则须注意锻压机械及设备的生产能力。此外，零件尺寸和质量的大小还和材料的强重比有关，应尽可能选用强重比大的材料，以便减小零件的尺寸和质量。 4零件结构的复杂程度及材料的加工可能性 结构复杂的零件宜选用铸造毛坯，或用板材冲压出元件后再经焊接而成。结构简单的零件可用锻造法制取毛坯。 ， 对材料工艺性的了解，在判断加工可能性方面起着重要的作用。铸造材料的工艺性是指材料的液态流动性、收缩率、偏析程度及产生缩孔的倾向性等。锻造材料的工艺性是指材料的延展性、热脆性及冷态和热态下塑性变形的能力等。焊接材料的工艺性是指材料的焊接性及焊缝产生裂纹的倾向性等。材料的热处理工艺性是指材料的可淬性、淬火变形倾向性及热处理介质对它的渗透能力等。冷加工工艺性是指材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度及切削后可能达到的表面粗糙度等。在材料手册中，对上述各点均有简明的介绍。 5材料的经济性 材料的经济性主要表现在以下几方面： 1)材料本身的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选择价格高的材料。这对于大批量制造的零件尤为重要。 2)材料的加工费用。例如制造某些箱体类零件，虽然铸铁比钢板价廉，但在批量小时，选用钢板焊接反较有利，因其可以省掉铸模的生产费用。 3)材料的利用率。例如采用无切屑或少切屑毛坯（如精铸、模锻、冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应设法提高材料的利用率。 4)采用组合结构。例如火车车轮是在一般材料的轮芯外部热套上一个硬度高而耐磨损的轮箍，这种选材的方法常叫做局部品质原则。 5)节约稀有材料。例如用铝青铜代替锡青铜制轴瓦，用锰硼系合金钢代替铬镍系合金钢等。 6材料的供应状况 选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化供应和贮存的材料品种，对于小批制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料品种和规格。浅谈合理选择机械零件的材料机械产品的实用性能设计是用户最为关心的，工艺设计是产品制造商较为重视的课题，而制造企业中进行面向节省资源设计对于缓解资源危机和环境保护则是社会所希望的。那么如何合理选择和使用材料、合理安排加工工艺，使产品达到优质、高产、低成本是一项十分重要的工作。一、满足零件的机械性能要求由于机械性能是保证零件工作安全可靠和经久耐用的先决条件，故选择零件材料时应当考虑材料的强度、塑性、硬度、冲击韧性，多次冲击抗力及疲劳强度等机械性能。选材时应根据零件的工作条件和失效形式，通过力学条件及失效形式往往非常复杂，因此在选材时必须抓住主要矛盾，找出最关键的抗力指标，同时兼顾其他性能，这是满足机械性能要求的基本原则。（一）分析零件的工作条件工作条件包括:载荷性质静载荷，冲击载荷、循环载荷；应力情况工作应力的种类、大小、分布、残余应力及应力集中；工作介质有无腐蚀性氛围，润滑剂等；环境温度高温、低温、常温和交变温度。（二）分析零件的失效形式机械零件常见的失效形式有:断裂包括静载荷，冲击载荷造成的断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等；表面损伤疲劳点蚀，由于磨损而造成表面龟裂；变形过量的弹性变形或塑性变形，高温的蠕变等。（三）计算确定抗力指标对机械零件进行受力分析，画出弯扭矩图，并进行相关的强度计算。不同零件所要求的主要抗力指标不同，传动轴类零件通常要