第12章 材料选择

第十二章工程材料的选用掌握各种工程材料的特性 正确地选择和使用材料 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 是对从事机械设计与制造的工程技术人员的基本要求 因为机器零件的设计不单是结构设计 还应该包括材料与工艺的设计 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 一般机械零件 在设计和选材时 大多以使用性能指标作为主要依据 而对机械零件起主导作用的机械性能指标 则是根据零件的工作条件和失效形式提出的 第一节零件的失效形式与提高材料性能的途径一 零件的失效与失效分析零件在工作过程中最终都要发生失效 所谓失效是指 1 零件完全破坏 不能继续工作 2 严重损伤 继续工作很不安全 3 虽能安全工作 但已不能满意地起到预定的作用 只要发生上述三种情况中的任何一种 都认为零件已经失效 失效分析的目的就是要找出零件损伤的原因 并提出相应的改进措施 1 零件失效的原因零件的失效可以由多种原因引起 大体上可分为设计 材料 加工和安装使用四个方面 1 设计与失效设计上导致零件失效的最常见原因是结构或形状不合理 即在零件的高应力处存在明显的应力集中源 如各种尖角 缺口 过小的过渡圆角 等等 另一种原因是对零件的工作条件估计错误 如对工作中可能的过载估计不足 因而设计的零件的承载能力不够 发生这类失效的原因在于设计 但可通过选材来避免 特别是当零件的结构与几何尺寸基本固定而难以作较大的改动时 就是如此来处理问题的 现在很少发生由于计算错误造成的设计事故 2 材料与失效选材不当是材料方面导致失效的主要原因 最常见的情况是 设计者仅根据材料的常规性能指标作出决定 而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力 材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因 常见的缺陷是夹杂物过多 过大 杂质元素太多 或者有夹层 折叠等宏观缺陷 因此 对原材料加强检验是非常重要的步骤 3 加工与失效零件加工成型过程中 由于加工工艺不良 也会造成各种缺陷 例如锻造不良可造成带状组织 过热或过烧现象等 冷加工不良时光洁度太低 产生过深的刀痕 磨削裂纹等 热处理不良能造成过热 脱碳 淬火裂纹 回火不足等 4 安装使用与失效零件安装时配合过紧 过松 对中不准 固定不紧等均可造成失效或事故 在制造厂里管理比较严格的情况下 使用不当常可成为零件损坏的主要原因 对机器的维护保养不好 没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效 2 零件失效的形式零件在工作时的受力情况一般比较复杂 往往承受多种应力的复合作用 因而造成零件的不同失效形式 零件的失效形式有超量变形 断裂和表面损伤三大类型 3 失效分析的一般方法 1 尽量仔细地收集失效零件的残骸 并拍照记录实况 确定重点分析的对象 样品应取自失效的发源部位 或能反映失效的性质或特点的地方 2 详细记录并整理失效零件的有关资料 如设计情况 图纸 实际加工情况及尺寸 使用情况等 根据这些资料全面地从设计 加工 使用各方面进行具体的分析 3 对所选试样进行宏观 用肉眼或立体显微镜 及微观 用高倍的光学或电子显微镜 断口分析 以及必要的金相剖面分析 确定失效的发源点及失效的方式 4 对失效样品进行性能测试 组织分析 化学分析和无损探伤 检验材料的性能指标是否合格 组织是否正常 成分是否符合要求 有无内部或表面缺陷等等 全面收集各种必要的数据 5 断裂力学分析 在某些情况下需要进行断裂力学计算 以便于确定失效的原因及提出改进措施 6 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 写出报告 4 失效分析与选材从零件失效的角度看 选材时应考虑以下几个方面的问题 1 弹性变形失效与选材从材料角度分析 控制弹性变形失效难易程度的指标是弹性模量 在容易发生弹性变形失效时 应选用具有高弹性模量的材料 金刚石与各种碳化物 硼化物陶瓷的弹性模量最高 其次为氧化物陶瓷与难熔金属 钢铁也具有较高的弹性模量 有色金属则要低一些 高分子材料的弹性模量最低 因此在要求零件有较高刚度 而不能发生过大弹性变形时 不能用高分子材料 但是有些纤维复合材料具有相当大的弹性模量值 由于起比重低 在许多特殊的场合 如飞行器结构 有很大用途 2 塑性变形失效与选材决定塑性变形失效难易程度的指标是材料的屈服强度 在经典设计中 屈服强度是衡量材料承载能力的最重要指标 从屈服强度的角度看 金刚石和各种碳化物 氧化物 氮化物陶瓷材料的屈服强度最高 由于这种材料太脆 强度高的特点发挥不出来 因此不能作为高强结构材料 高强合金钢的强度仅次于陶瓷 最广泛地用于各种高强结构之中 一般来讲 塑料的强度很低 目前最高强度的塑料也超不过铝合金 因此在要求零件有高强度时 不能用塑料 3 脆性断裂失效与选材描述材料脆性断裂难易程度的指标是冲击韧性 韧脆转变温度和断裂韧性 从韧性的角度考虑 韧性最高的是各种奥氏体钢 其次是合金低碳钢 铝合金韧性通常并不好 而铸铁的韧性通常很低 高碳工具钢和轴承钢韧性也不好 不能用来制造要求韧性较高的结构零件 4 疲劳断裂失效与选材疲劳寿命分为低周疲劳与高周疲劳寿命两种 一般对于具有高频率交变载荷的构件 应选用高周疲劳寿命比较高的材料 如弹簧等 对于具有低频率交变载荷的构件 应选用低周疲劳寿命比较高的材料 如抗地震建筑材料 5 蠕变失效与选材蠕变失效通常发生在高温下 所以抗蠕变失效的材料应是耐高温材料 选材时主要考虑材料的工作温度和工作应力 在较高应力和较低温度下 可选用各种耐热钢及高温合金 在较低应力和较高温度下 应选用高熔点材料 如难熔金属和陶瓷材料 对金属材料还应使其晶粒尽可能大 甚至采用单晶材料 晶界也应平行于受力方向排列 6 表面损伤失效与选材对于在有摩擦应力存在的场合 应考虑表面损伤的影响 对于粘着磨损 所选材料应与和它配合工作的材料不属同类 而且摩擦系数尽可能小 同时 材料的硬度要高 材料最好有自润滑能力 或有利于保存润滑剂 如有孔隙等 对于磨粒磨损 选用材料的硬度要高 材料组织中应含有较多的耐磨硬相 如白口铸铁耐磨粒磨损性能就较好 二 工程材料的强度与强韧化1 工程材料的强度一般来说 工程材料的强度是材料失效抗力的综合表征 它与所有的机械性能指标 包括弹性 延伸率 硬度 冲击韧性等有关 也与材料在静 动载荷下对应力集中 尺寸效应 表面状态 温度 接触介质的敏感性有关 在进行机械产品设计 选取工程材料强度指标时 应注意以下几个方面的问题 1 材料强度与零件强度的关系机械零件的强度 一般表现为它的短时承载能力以及长期使用寿命 它是由许多因素确定的 结构因素是指零件在整机中的作用 零件的形状和尺寸 以及与其它连接件的配合关系等 加工工艺因素是指全部加工工艺过程中对零件强度所产生的影响 材料因素是指材料的成分 组织与性能 这三个因素各自有独立的作用 又相互影响 在解决零件强度有关问题时必须综合考虑上述三方面因素 使用因素对寿命也往往起很大作用 2 材料强度指标数据的条件性在手册中给出的材料强度指标都是在一定的条件下所测得的数据 在实际选用时 应注意其尺寸效应和条件性 例如 对于45钢调质状态标准拉伸试样 所测得的屈服强度为450MPa 但对于同一材料 尺寸为 80mm的试件来说 其调质状态下的屈服强度远远低于450MPa 3 材料强度与零件失效方式的关系材料强度问题就是研究抵抗零件失效的规律 零件失效的主要方式不同 所要求的失效抗力的正确判据 强度指标类别 也就不同 因而必须从零件的具体工作条件出发 通过典型失效分析 找出造成零件失效的主导因素 正确确定应当选择的强度判据指标 在设计机械产品时 主要是根据正确选择的强度判据指标进行定量计算 以确定产品的结构和零件的尺寸 但是 也应考虑和兼顾到其它非主导或不能直接应用于设计计算的强度指标 如 K等 否则 不能实现最经济合理的设计 2 工程材料的强化方式常见的工程材料的强化方式主要有以下6种 1 固溶强化当两种或两种以上的元素形成合金时 溶质原子溶入基体的晶格中 由于溶质原子与溶剂原子的大小差异 造成晶格畸变 阻碍了位错的运动 从而使强度升高 这种现象称为固溶强化 固溶强化是工程材料这应用得最广泛的强化方式之一 普通低合金钢 铝锌合金 单相黄铜等都是主要依靠固溶强化来提高其强度的 2 加工硬化材料在变形时 随着变形量的增加 其强度和硬度提高 而塑性和韧性下降的现象称为加工硬化 这种强化方式实际上是一种位错强化 强化的主要原因是由于位错密度的增加导致位错运动困难 从而提高了材料的强度 冷拔弹簧钢丝是典型的加工硬化的例子 经过加工硬化的钢丝强度可达到2800MPa以上 3 细化组织强化这种强化方式也叫晶界强化 晶界的作用主要有两点 一方面它是位错运动的障碍 另一方面它又是位错聚集的地点 所以晶粒越细小 则晶界面积越增加 位错密度也增大 从而强度提高 细化组织强化的特点是 在提高强度的同时 其塑性和韧性也随之提高 这是其它强化方式所不能比拟的 因此细化组织强化是提高材料性能最好的手段之一 在孕育铸铁 铝硅基铸造铝合金都是通过孕育处理细化组织来提高强度的 4 第二相强化第二相强化包括沉淀强化 弥散强化和双相合金中的第二相强化 当合金中存在两相时 第二相粒子在基体中会阻碍位错运动 这导致强度提高 铝铜合金 铝铜镁合金 铝镁硅合金 铍青铜是典型的沉淀强化 烧结铝 TD 镍 经淬火和时效处理的TC类钛合金则是弥散强化的代表 而两相黄铜中的 相和 相 共析钢中的珠光体组织等则是第二相强化的典型例子 5 相变强化在钢铁材料中 常常采用相变强化方式来强化合金 例如 通过贝氏体相变 马氏体相变来进行强化 这种相变强化实际上是多种强化效果的综合 所以其强化效果十分显著 6 复合强化在复合材料中 由于其中的增强相对基体变形有约束作用 所以提高了变形抗力 导致强度提高 例如 用水泥和骨料 沙子或石子 组成的混凝土 用碳黑作填料的橡胶 由玻璃纤维制造的玻璃钢等 都是典型的复合材料 复合材料中的硬质相对强度性能的提高起主要作用 3 工程材料的韧化途径 1 细化晶粒晶粒细小均匀 不仅强度高 而且韧性好 同时还可以降低韧脆转变温度 所以晶粒细化是钢材 铝合金重要的强韧化途径之一 2 调整化学成分降低合金材料中的杂质元素含量 或者加入某些抑制有害元素作用的合金元素 都可以使合金的韧性提高 如降低钢材中碳含量和有害杂质元素的含量 加入镍 猛进行合金化可以大大提高钢材的韧性 3 形变热处理形变热处理是将形变强化 锻 轧等 与热处理强化结合起来 使金属材料同时经受形变和相变 从而使晶粒细化 位错密度升高 晶界发生畸变 达到提高综合机械性能的目的 4 低碳马氏体强韧化低碳马氏体是一种既有高强度又具有韧性的相 选用低碳或中碳合金结构钢 通过高温加热淬火和低温回火 以获得位错型板条马氏体组织 是钢材强韧化的重要途径 第二节零件选材的一般原则和方法机械零件的选材是一项十分重要的工作 选材是否恰当 特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当 将直接影响到产品的使用性能 使用寿命及制造成本 选材不当 严重的可能导致零件的完全失效 一 选材的一般原则使用性原则是保证零件完成规定功能的必要条件 工艺性原则材料的工艺性能表示材料加工的难易程度 经济性原则是选材的重要原则之一 一般包括材料的价格 零件的成本与国家的资源等 1 零件选材应满足零件工作条件对材料使用性能的要求材料在使用过程中的表现 即使用性能 是选材时考虑的最主要根据 不同零件所要求的使用性能是很不一样的 有的零件主要要求高强度 有的则要求高的耐磨性 而另外一些甚至无严格的性能要求 仅仅要求有美丽的外观 因此 在选材时 首要的任务就是准确地判断零件所要求的主要使用性能 2 零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求 1 铸造性能包含流动性 收缩性 疏松及偏析倾向 吸气性 熔点高低等 2 压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等 3 焊接性能包括焊接应力 变形及晶粒粗化倾向 焊缝脆性 裂纹 气孔及其它缺陷倾向等 4 切削加工性能指切削抗力 零件表面光洁度 排除切屑难易程度及刀具磨损量等 5 热处理性能指材料的热敏感性 氧化 脱碳倾向 淬透性 回火脆性 淬火变形和开裂倾向等 3 零件的选材应力求使零件生产的总成本最低 1 材料的价格不同材料的价格差异很大 而且在不断变动 因此设计人员应对材料的市场价格有所了解 以便于核算产品的制造成本 2 国家的资源状况随着工业的发展 资源和能源的问题日益突出 选用材料时必须对此有所考虑 特别是对于大批量生产的零件 所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的 例如 我国缺钼但钨却十分丰富 所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢 而少用钼高速钢 另外 还要注意生产所用材料的能源消耗 尽量选用耗能低的材料 3 零件的总成本由于生产经济性的要求 选用材料时零件的总成本应降至最低 4 零件的选材应考虑产品的实用性和市场需求某项产品或某种机械零件的优劣 不仅仅要求能符合工作条件的使用要求 从商品的销售和用户的愿望考虑 产品还应当具有重量轻 美观 经久耐用等特点 这就要求在选材时 应突破传统观点的束缚 尽量采用先进科学技术成果 作到在结构设计方面有创新 有特色 在材料制造工艺和强化工艺上有改革 有先进性 5 零件的选材应考虑实现现代生产组织的可能性一个产品或一个零件的制造 是采用手工操作还是机器操作 是采用单件生产还是采用机械化自动流水作业 这些因素都对产品的成本和质量起着重要的作用 因此 在选材时 应该考虑到所选材料能满足实现现代化生产的可能性 第三节典型零件的选材及工艺路线设计 一 齿轮类零件的选材1 齿轮的工作条件 失效形式及性能要求齿轮是机械工业中应用最广的零件之一 主要用于传递扭矩和调节速度 1 工作时的受力情况1 由于传递扭矩 齿根承受较大的交变弯曲应力 2 齿面相互滑动和滚动 承受较大的接触力 并发生强烈的摩擦 3 由于换档 启动或啮合不良 齿部承受一定的冲击 2 主要失效形式1 疲劳断裂 主要发生在齿根 它是齿轮最严重的失效形式 2 齿面磨损 3 齿面接触疲劳破坏 4 过载断裂 3 齿轮用材性能要求1 高的弯曲疲劳强度2 高的接触疲劳强度和耐磨性3 齿轮心部要有足够的强度和韧性2 齿轮零件的选材3 典型齿轮选材举例 1 机床齿轮 2 汽车齿轮 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 机床齿轮按工作条件分为三类 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 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HB220 HB250 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 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HRC1 3单位 耐用性可提高7 11倍 例 北京牌吉普车后桥圆锥主动齿轮 图11 6 材料 20CrMnTi钢 热处理 渗碳 淬火 低温回火 渗碳层深1 2mm 1 6mm 性能要求 齿面硬度HRC58 HRC62 心部硬度HRC33 HRC48 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 二 轴类零件的选材1 轴的工作条件 失效形式及性能要求 1 一般轴的工作条件1 传递一定的扭矩 承受一定的交变弯矩和拉 压载荷 2 轴颈承受较大的摩擦3 承受一定的冲击载荷 2 主要失效形式1 疲劳断裂长期受扭转和弯曲交变载荷作用2 断裂失效大载荷或冲击载荷作用3 磨损失效轴颈或花键处过度磨损 3 对轴用材料性能要求1 良好的综合力学性能2 高的疲劳强度3 良好的耐磨性 2 典型轴选材举例 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 以C620车床主轴为例进行选材 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用 但载荷和转速不高 冲击载荷也不大 所以具有一般综合力学性能即可满足要求 但大端的轴颈 椎孔与卡盘 顶尖之间有摩擦 这些部位要求有较高的硬度和耐磨性 根据以上分析 车床主轴可选用45钢 热处理为调质处理 轴颈和椎孔进行表面淬火 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HB220 HB240 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 内燃机曲轴选材内燃机曲轴选材原则主要根据内燃机的类型 功率大小 转速高低和相应轴承材料等项条件而定 同时也需考虑加工条件 生产批量和热处理工艺及制造成本 由于在滚动轴承中工作 要求轴颈部有较高的硬度和耐磨性 通常可选用QT700 2 其工艺路线如下 铸造 高温正火 高温回火 切削加工 轮颈气体渗氮 三 弹簧类零件的选材1 弹簧的工作条件 失效形式及性能要求 1 工作条件1 弹簧在外力作用下 压缩 拉伸 扭转时材料将承受弯曲应力或扭转应力 2 缓冲 减震或复原用的弹簧 承受交变应力和冲击载荷的作用3 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用 2 主要失效形式1 塑性变形2 疲劳断裂3 快速脆性断裂4 在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效 高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛 产生永久变形 3 对弹簧用材性能要求1 高的弹性极限和屈强比 s b 2 高的疲劳强度3 好的材质和表面质量4 某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性2 弹簧零件的选材弹簧种类很多 载荷大小相差悬殊 使用条件和环境个不相同 在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造 3 典型弹簧选材举例 1 汽车板簧 2 火车螺旋弹簧 1 汽车板簧汽车板簧用于减震和缓冲 承受很大的交变应力和冲击载荷 需要高的屈服强度和疲劳强度 中重型汽车板簧用50CrMn 55SiMnV钢 重型大截面板簧用55SiMnMoV 55SiMnVNb 其工艺路线为 热轧钢带 板 冲载下料 压力成型 淬火 中温回火 喷丸强化 2 火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震 其使用条件和性能与汽车板簧相近 其工艺路线为 热轧钢棒下料 两头制扁 热卷成型 淬火 中温回火 喷丸强化 端面磨平其中淬火和回火工艺同汽车板簧 第三节工程材料的应用 一 汽车零件用材1 缸体和缸盖缸体材料必须满足下列要求 1 有足够的强度和刚度 特别是有足够的刚度 以减小变形 保证尺寸的稳定性 2 良好的铸造性和切削性3 价格低廉2 缸套气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一 所以要选用耐磨材料 常用耐磨合金铸铁 3 活塞 活塞销和活塞环 活塞组对活塞用材的要求是热强度高 导热性好 吸热性差 膨胀系数小 密度小 减磨性 耐磨性 耐蚀性和工艺性好等 目前很难找到完全满足要求的材料 常用的活塞材料是铝硅合金 活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢 活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu Cr Mo的合金铸铁制造 4 连杆连杆是在很复杂的应力状态下工作的 受力有交变拉压应力 弯曲应力等 一般采用45钢 40Cr或40MnB 1小头与连杆的过渡区2连杆中间3大头与连杆的过渡区 5 气门气门在工作时 要承受较高的机械负荷和热负荷 应选用耐热 耐蚀 耐磨的材料 进气门一般可用40Cr 35CrMo等 排气门可用4Cr10Si2Mo 6 半轴半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以及一定的冲击载荷 通常使用调质钢制造 40Cr 45钢 40CrNi 40MnB等 7 车身 纵梁 档板等冷冲压零件汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带 主要是钢板 冷轧钢板和热轧钢板 如钢板08 20 25和16Mn等 1花键端2花键与杆部相连部位3凸缘于杆部相连部位 8 螺栓 铆钉等冷镦零件9 汽车用塑料 1 汽车内饰用塑料 2 汽车用工程塑料 3 汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料10 汽车用橡胶11 汽车用陶瓷材料 二 机床零件用材常用的机床零部件有机座 轴承 导轨 齿轮 弹簧 紧固件 刀具等 1 机身 底座用材首选材料当为灰铸铁 孕育铸铁 球墨铸铁也可使用 HT150 HT200 HT250 HT300 QT400 17 QT600 2等等 2 齿轮用材HT150 HT200 HT250 HT300 Q235 Q255 20Cr 40Cr等等 根据不同用途选用不同材料 3 轴类零件用材曲轴和主轴常用QT600 2 KTZ600 3 45 不重要或受力较小的轴可用Q235 Q255等 承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr 4 螺纹联接件用材无特殊要求的螺纹常用Q235 Q255 Q275制造 中等载荷及精密螺纹常用35钢 45钢 重载荷及极重要的螺纹用40Cr 40CrV 5 螺旋传动件用材通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢 50钢 进行热处理的螺旋传动件用T10 65Mn 40Cr等 6 蜗轮传动用材蜗轮用材 HT200 HT150 HT250等 蜗杆用材 15钢 20钢 15Cr 20Cr 45钢 40Cr 低速传动的蜗杆也可用Q275 7 滑动轴承用材滑动轴承材料应具有优异的减磨性 耐磨性 抗胶合能力和足够的冲击韧性及抗压 疲劳强度 轴承材料可分为 1 金属材料包括巴士合金 铜基轴承合金和铸铁 2 粉末冶金材料 3 塑料轴承材料 4 橡胶轴承8 滚动轴承用材一般用GCr9 GCr15 GCR15SiMn GSiMnV等制造 9 机床其它零件用材 1 凸轮用材45钢 2 刀具用材工具钢 高速钢和硬质合金钢 3 其它用材灵活选用 三 仪器仪表用用材仪器仪表用材包括结构钢 有色金属和工程塑料等多种 一般应具有良好的切削性能 1 壳体材料 1 金属材料Q195 Q235 1Cr13 1Cr13Ni9Ti 2 非金属材料工程塑料 复合材料2 轴类零件用材Q235 2A12 LY12 2A11 LY11 HMn58 2等 3 凸轮用材中碳钢或中碳合金钢45钢 40Cr4 齿轮用材仪器仪表中的齿轮用材广泛 有钢 铜 塑料 复合材料等 5 蜗轮 蜗杆用材仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆 四 热能设备用材热能设备很多 主要包括锅炉 汽轮机 电机等 这些设备多在高温 高压和腐蚀介质作用下长期运行 对所用材料要求很高 一 锅炉主要设备用钢1 锅炉管道用钢 1 对管道用钢提出如下要求1 足够高的蠕变极限和持久强度2 高的抗氧化性和耐腐蚀性能3 良好的组织稳定性4 良好的工艺性能 特别是焊接性能要好 2 锅炉管道用钢的选择1 壁温 500 的过热器管和壁温 450 的蒸汽管道 20钢2 壁温 550 的过热器管和壁温 510 的蒸汽管道 15CrMo3 壁温 580 的过热器管和壁温 540 的蒸汽管道 12CrMo4 壁温 620 650 的过热器管和壁温 550 570 的蒸汽管道 12Cr2MoWVB5 壁温 600 650 的过热器管和壁温 550 600 的蒸汽管道 F11 F12 HT9等2 锅炉汽包用钢 1 对锅炉汽包用钢的要求1 较高的常温和中温强度2 良好的塑性 3 较低的缺口敏感性 4 气孔 疏松 非金属夹杂等缺陷尽可能少 5 良好的焊接性能等加工工艺性能 2 锅炉汽包用钢的选择低压锅炉汽包用钢为12Mng 16Mng和15MnVg等普通低合金钢板 二 汽轮机主要零部件用钢汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片 汽轮机转子和汽轮机静子等1 汽轮机叶片 1 对叶片材料的严格要求1 足够的室温和高温力学性能2 良好的减震性3 高的组织稳定性4 良好的耐蚀性及抗冲蚀稳定性5 良好的冷 热加工工艺性能 2 汽轮机叶片材料的选择主要有三种1 铬不锈钢 1Cr13和2Cr13 2 强化型铬不锈钢 在1Cr13和2Cr13基础上加入Mo W V Nb B等元素 3 铬 镍不锈钢 Cr17Ni13W Cr14Ni18W2NbBCe2 汽轮机转子汽轮机转子是汽轮机的心脏 其工作条件十分恶劣 主轴工作时承受扭转应力 弯曲应力和热应力 以及震动产生的附加应力和发电机短路时产生的巨大扭转应力和冲击载荷的共同作用 1 对制造转子的材料的要求有 1 良好的综合力学性能 2 一定的抗氧化 抗蒸汽腐蚀的能力3 不允许存在白点 内裂 缩孔 大块非金属夹杂物或密集性细小夹杂物等缺陷 4 有良好的淬透性 焊接性等工艺性能 2 针对上述要求 转子用钢选择叶轮 主轴和转子的材料是按不同的强度级别选用的 但它们都属于中碳钢和中碳合金钢 只有制作焊接转子时 为了保证材料的焊接性才适当降低碳含量 例如选用17CrMo1V钢 3 汽轮机静子汽轮机静子部件是在高温 高压或一定的温差 压差作用下长期工作的 静子部件在机组运行时将承受蒸汽的内压力 转子质量所引起的静应力 由于温差所产生的热应力 以及由于变化的热应力所引起的热疲劳作用 因此 对静子材料提出以下要求 1 足够高的室温力学性能和较好的热强性 2 具有一定的抗氧化性和抗腐蚀性 良好的热疲劳性能和组织稳定性 3 具有尽可能好的铸造性能和焊接性能 五 化工设备用材 一 低合金钢1 压力容器用低合金结构钢常用的是低合金结构钢 要求强度 塑性和焊接性能 常用钢种16MnR 15MnVR和18MnMoNbR 2 不锈钢化工设备对材料耐蚀性能有较高的要求 因此广泛的利用各种不锈钢制造 1 铬不锈钢1Cr13 2Cr13等钢种有良好的耐蚀性 0Cr13 0Cr17Ti有良好的塑性 2 铬镍不锈钢由耐蚀要求的压力容器常用铬镍不锈钢 主要牌号有1Cr18Ni9 0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等 3 耐热钢有些化工设备是在650 以上的高温环境工作 在这样高的温度下 一般碳钢抗氧化腐蚀性能和强度变得很差而无法使用 此时必须采用耐热钢 主要牌号有 1Cr13Si3 1Cr13Ni3 1Cr25Ni20Si2等 4 其