机械零件的选材.doc

机械零件的选材 在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。1、工程材料的强化方式： 固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。2、工程材料的韧化途径： 细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。一、选材的基本原则 满足机件的使用性能要求 较好的加工工艺性 较好的经济性1、材料的使用性能应能满足使用要求 使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求 承受载荷的类型及大小如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。 工作环境温度、介质的性质等 特殊要求的性能电、热、磁、比重、外观等 失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求 使用性能要求 可测的实验室性能指标 初选 一般根据设计手册的数据选材，应注意：材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围 只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的 手册一般给出：s 、b 、 、 、ak 目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。 2、材料的工艺性应满足加工要求 材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。在选材中，同使用性能比较，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，如大量生产时，工艺性能则可能成为选材考虑的主要依据。实际选材时，一般是从零件的工艺路线中提出对材料的工艺性能要求。金属零件按其形状、性能要求，可有很多种不同的加工工艺路线。 钢铁零件的工艺路线大体可分为三类：性能要求不高的一般零件（一般用铸铁、碳钢制造）毛坯 正火或退火 机械加工 零件性能要求较高的一般零件（合金钢、高强度铝合金）毛坯预先热处理（正火或退火） 粗加工最终热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等） 精加工要求较高的精密零件毛坯预先热处理（正火或退火） 粗加工热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等） 半精加工稳定化处理精加工稳定化处理零件高耐磨性者还须进行氮化处理金属材料的加工工艺性能有： 铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。 如果设计的是铸件，最好选择共晶合金；设计锻件、冲压件，最好选择固溶体的合金；设计焊接件，则不应选用铸铁、铜合金、铝合金，应选低碳钢或低碳合金钢；绝大部分机械零件都要经过切削加工，一般将钢铁材料的硬度控制在160230HBS 。制造高强度及大截面、形状复杂的零件，须选用合金钢。3、材料的价格和总成本应经济、低廉 经济性是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单指选用的材料本身的价格应便宜，更重要的是应使产品的总成本降至最低。同时，所选材料应符合国家的资源状况和供应情况，其品种、规格应尽量少而集中。 零件的总成本包括：材料的价格、零件自重、零件寿命、零件加工费用、试验研究费、维修费用等 另外还应考虑可持续性（环保、资源等） 一般的说，在满足零件机械性能的前提下，选用碳钢、铸铁可降低成本。现在用球墨铸铁代替锻钢制造曲轴、齿轮等重要零件，不仅降低了成本，而且节约了加工工时，延长了使用寿命。由于低合金钢强度比碳钢高，工艺性能接近碳钢，故在有些情况下，选用低合金钢往往经济效益比较显著。二、选材的一般一般步骤及具体方法1、零件材料选择的步骤 1）在分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。 2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析结果，找出零件在实际使用中的主要和次要失效抗力指标，以此作为选材的依据。 3）根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，通过比较选择合适材料。 4）审核所选材料的生产经济性。 5）试验、投产。2、零件选材的具体方法简介 新设计的关键零件通常应进行力学性能试验；按力学性能选材，具体方法有以下三种类别： 1）以综合力学性能为主进行选材；P257-258 2）以疲劳强度为主进行选材；P258 3）以磨损为主进行选材。P258-260 典型零件的选材实例分析一、工程材料应用概括 金属、陶瓷和高分子材料是三类最重要的工程材料，各有特性，故各有其最合适的用途。 高分子材料强度、刚度、疲劳强度、冲击韧性均较低，不耐高温。目前还很少用于制造重要的机器结构零件。但因其减振性、减摩性、耐蚀性好，比重很小，常制轻载传动齿轮、轴承、密封垫圈等。陶瓷材料性太脆，不能用于制造重要的受力构件。但其化学稳定性、热硬性好，硬度高，常用于制造高温下工作的零件如燃烧器、喷嘴等，及切削刀具、某些耐磨零件、石油化工容器等耐蚀件。 金属材料具有最优良的综合机械性能，强度高、韧性好、疲劳抗力也高，可用来制造各种重要的机器零件和工程结构，钢铁目前仍是最重要的结构材料。二、机床零件用材分析 其工作条件较好、受力较小，故大多数零件选材时，刚度是要考虑的主要问题。机床大部分零件不必采用高级材料制造，而是采用碳钢和铸铁。1、机床主轴 轻载主轴（如普通车床主轴）一般用45钢，经调质或正火，在要求耐磨部位采用高频表面淬火 中载主轴（如铣床主轴）一般用40Cr、45钢或球墨铸铁，经调质处理，耐磨部位表面淬火强化。 重载主轴（如组合机床主轴）一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火、回火处理高精度主轴（如精密镗床主轴）一般用38CrMoAl钢制造，经调质处理后进行氮化处理及尺寸稳定化处理2、机床齿轮 轻载齿轮45钢，正火或调质 中载齿轮（主传动系统及进给系统中的齿轮）45钢经正火或调质处理加高频表面淬火强化或40Cr钢经调质处理加高频表面淬火强化 重载齿轮20Cr或20CrMnTi ，经渗碳加淬火、低温回火3、机床导轨 常用灰铸铁HT200或高磷耐磨铸铁等制造，可进行表面淬火处理，要进行长期的稳定尺寸的人工时效处理三、汽车零件用材分析 工作条件比机床复杂得多：受力非常复杂，常受较大的冲击和过载；工作环境恶劣，要在变化很大的温度、湿度及尘 土飞扬的条件下工作。 采用低合金高强钢，可提高材料的比强度，从而减轻汽车自重，提高重量利用系数（载重量 /自重 ），降低油耗和汽车成本。汽车的结构大体分为四部分： 发动机部分（汽缸体、活塞、连杆、曲轴、进排气阀等） 底盘部分（离合器、变速箱、传动轴、车架、轮胎、方向盘、制动片、气泵等） 车身部分（驾驶室、车厢等） 电气部分（起动、点火、照明、讯号等）发动机零件用材： 缸体、缸盖、飞轮HT200去应力退火；或用ZL104做缸体、缸盖，须淬火+时效处理曲轴QT600-02或锻钢，经表面淬火或氮化 活塞销20、20Cr、20CrMnT