常用机械工程材料的选用

1、选材的动机：选材的动机：首次开发生产一种新产品、新零件或新装置；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；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。零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 7.1 7.1 选材的基本原则及方法选材的基本原则及方法7.2 7.2 典型零件选材及工艺分析典型零件选材及工艺分析 7.17.1选材的基本原则选材的基本原则 1.1.使用性能原则使用性能原则-首要原则首要原则 2.2.工艺性能原则工艺性能原则 3.3.经济性原则经济性原则-根本原则根本原则 4.4.环境与资源原则环境与资源原则 一、性能原则一

2、、性能原则-首要原则首要原则 1. 1. 分析零件的工作条件分析零件的工作条件 1)1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计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。算载荷引起的应力分布。 i i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。计算应力是确定材料使用性能的数量依据。2)2)考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态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。综合作用，提出更为复杂的性能要求。 3)3)最后还应充

3、分考虑材料的某些特殊要求。最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。受力状况受力状况: :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）。荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。 环境状况环境状况温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无温度（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）。腐蚀或摩擦作用）。特殊功能特殊功能导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。导电性、磁性、热膨胀

4、性、比重、外观等。2. . 进行失效分析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。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如下几种常用零件的工作条件和失效形式如下: :零件零件 工作条件工作条件 常用失效形常用失效形式式 性能要求性能要求 应力种应力种类类 载荷性载荷性质质 受载状受载状态态 螺栓螺栓 拉、剪拉、剪 静载静载 过量变形，过量变形，断裂断裂 强度，塑性强度，塑性 传动轴传动轴 弯、扭弯、扭 循环，循环，冲击冲击 轴颈摩轴颈摩擦擦 疲劳断裂

5、，疲劳断裂，过量变形，过量变形，轴颈磨损轴颈磨损 综合力学性综合力学性能能 传动齿传动齿轮轮 压、弯压、弯 循环，循环，冲击冲击 摩擦，摩擦，振动振动 断齿，磨损，断齿，磨损，疲劳断裂，疲劳断裂，接触疲劳接触疲劳 表面高强度表面高强度及疲劳极限，及疲劳极限，心部强度及心部强度及韧性韧性 弹簧弹簧 扭、弯扭、弯 交变，交变，冲击冲击 振动振动 弹性失稳，弹性失稳，疲劳破坏疲劳破坏 弹性极限，弹性极限，屈强比，疲屈强比，疲劳极限劳极限 3 3零件性能要求的指标化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

6、度等）能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）, ,再根据工再根据工作应力作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值。值。 (1)(1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式不同。不同。 (2)(2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理的配合。的配合。在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室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。指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。 二、工艺性能原则：二、工艺性能原则： 1.

7、1. 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能金属零件的加工工艺路线金属零件的加工工艺路线性能、质量要求不高的零件性能、质量要求不高的零件毛坯毛坯正火或退火正火或退火切削加工切削加工零件。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。均能满足要求。性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）性能要求较高的零件（如轴、齿轮等）毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）（淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工精加工零件。零件。金属零件用材多为碳

8、钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料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。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）性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠）毛坯毛坯预先热处理（正火、退火）预先热处理（正火、退火）粗加工粗加工最终热处理最终热处理（淬火（淬火+ +低温回火，固溶时效或渗碳）低温回火，固溶时效或渗碳）半精加工半精加工稳定化稳定化处理（或氮化）处理（或氮化）精加工精加工稳定化处理稳定化处理零件。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加工

9、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。料的工艺性能。2. 2. 高分子材料的工艺性能高分子材料的工艺性能 高分子材料的加工工艺路线高分子材料的加工工艺路线 表表 高分子材料主要成形工艺特点高分子材料主要成形工艺特点 工工 艺艺 适用材适用材料料 形形 状状 表面光表面光洁度洁度 尺寸精尺寸精度度 模具模具费用费用 生产率生产率 热压热压成形成形 范围较范围较广广 复杂复杂形状形状 很好很好 好好 高高 中等中等 喷射喷射成形成形 热塑性热塑性塑料塑料 复杂复杂形状形状 很好很好 非常好非常好 很高很高 高高 热挤热挤成形成形 热塑性热塑性塑料塑料 棒类棒类 好好 一

10、般一般 低低 高高 真空真空成形成形 热塑性热塑性塑料塑料 棒类棒类 一般一般 一般一般 低低 低低 3. 3. 陶瓷材料的工艺性能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。加工性能的限制。陶瓷材料的加工工艺路线陶瓷材料的加工工艺路线表表 陶瓷材料成形工艺的比较陶瓷材料成形工艺的比较 工工 艺艺 优优 点点 缺缺 点点 粉浆成形粉浆成形 可

11、做形状复杂件、可做形状复杂件、薄壁件，成本低薄壁件，成本低 收缩大，尺寸精收缩大，尺寸精度低，生产率低度低，生产率低 压制成形压制成形 可做形状复杂件，可做形状复杂件，有高密度和高强有高密度和高强度，精度较高度，精度较高 设备较复杂，成设备较复杂，成本高本高 挤压成形挤压成形 成本低，生产率成本低，生产率高高 不能做薄壁件，不能做薄壁件，形状要对称形状要对称 可塑成形可塑成形 尺寸精度高，可尺寸精度高，可做形状复杂件做形状复杂件 成本高成本高 三、经济性原则三、经济性原则-根本原则根本原则产品成本与性能的关系：产品成本与性能的关系：产品成本分析产品成本分析 1. 1. 基本材料的成本基本材料的

12、成本材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（30-30-70%70%）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材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料消耗量（我国钢材利用率平均为65%65%，而美国达到，而美国达到80%80%）。）。 材材 料料 价格（美元价格（美元/t/t） 材材 料料 价格（美元价格（美元/t/t） 铂铂 26,000,000 26,000,000 工业金刚石工业金刚石 900,000,000 90

13、0,000,000 金金 19,100,000 19,100,000 硼硼环氧树脂复环氧树脂复合材料合材料 330,000 330,000 钨钨 26,000 26,000 碳 纤 维 复 材 料碳 纤 维 复 材 料（CFRPCFRP） 200,000 200,000 钛合金钛合金 10,19012,720 10,19012,720 玻璃纤维复合材玻璃纤维复合材料（料（GFRPGFRP） 24003300 24003300 黄铜（型材）黄铜（型材） 16502336 16502336 尼龙尼龙66 66 3289 3289 铝合金（型材）铝合金（型材） 20002440 20002440 环

14、氧树脂环氧树脂 1650 1650 低碳钢（型材）低碳钢（型材） 440480 440480 天然橡胶天然橡胶 1430 1430 铸铁铸铁 260 260 AlAl2 2O O3 3 1100-1760 1100-1760 硬质合金硬质合金 66,000 66,000 玻璃玻璃 1500 1500 常见工程材料价格常见工程材料价格我国常用金属材料的相对价格我国常用金属材料的相对价格 材材 料料 相对价格相对价格 材材 料料 相对价格相对价格 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 1 1 铬不锈钢铬不锈钢 5 5 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 1.3-1.5 1.3-1.5 铬镍不锈钢铬镍不锈钢 15

15、 15 合 金 结 构 钢合 金 结 构 钢（Cr-NiCr-Ni钢除外）钢除外） 1.7-2.5 1.7-2.5 灰口铸铁灰口铸铁 1.4 1.4 铬镍合金结构钢铬镍合金结构钢（中合金钢）（中合金钢） 5 5 铸造铝合金、铸造铝合金、铜合金铜合金 8-10 8-10 滚珠轴承钢滚珠轴承钢 3 3 普通黄铜普通黄铜 13-17 13-17 低合金工具钢低合金工具钢 3-4 3-4 锡青铜、铝青锡青铜、铝青铜铜 19 19 高速钢高速钢 16-20 16-20 钛合金钛合金 50-80 50-80 硬质合金硬质合金 150-200 150-200 （工程塑料）（工程塑料） 5-15 5-15 基

16、本材料的价格的影响因素基本材料的价格的影响因素：1.1.提炼和制取的成本提炼和制取的成本 2.2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 3.3.材料的提纯、合金化（合成）成本材料的提纯、合金化（合成）成本 4.4.加工增值成本加工增值成本 5.5.供求关系所造成的价格波动供求关系所造成的价格波动 常见金属矿物资源的品位常见金属矿物资源的品位 矿石品种矿石品种 品位品位 矿石品种矿石品种 品位品位 典型铁矿石典型铁矿石 60-65%Fe 60-65%Fe 典型铀矿石典型铀矿石 0.2%U 0.2%U 典型铜矿石典型铜矿石 1-1.5%Cu 1-1.5%Cu 典

17、型金矿石典型金矿石 0.0001-0.0001-0.001%Au 0.001%Au 2. 2. 制造成本。制造成本。加工成本约占零件成本的加工成本约占零件成本的30%30%左右，生产批量越少，左右，生产批量越少，这一比例越高。这一比例越高。总成本总成本P=T+xNP=T+xN，T T为工具与设备费用，为工具与设备费用，x x代表每件产代表每件产品的成本，品的成本，N N为生产批量（件为生产批量（件/ /批）。批）。 产量对制造成本的影响产量对制造成本的影响 四、环境与资源原则四、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，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

18、在今后会变得日益重要。这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一准则要求材料在生产使用使用废弃的全过程废弃的全过程中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小，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。可以完全再生利用或废弃时完全降解。1. 1. 能源和资源消耗少能源和资源消耗少世界能源储藏量世界能源储藏量 石油石油 天然气天然气 煤煤 铀铀 可开采储量可开采储量 9970亿桶亿桶 138万亿万亿m3 1，039，272吨吨 200万吨万吨 可开采年限可开采年限 45.5年年 64年年 219年年 74年年 主要产地及储主要产地及储量

19、比例量比例 中东中东66.4% 独联体、中东独联体、中东70% 美、苏、中、美、苏、中、澳澳 70% 重要金属的世界储量重要金属的世界储量 储量（储量（10106 6t t） 可用年数可用年数 再生率再生率(%) (%) Fe Fe 1 110106 6 109 109 31.7 31.7 Al Al 1170 1170 35 35 16.9 16.9 Cu Cu 308 308 24 24 40.9 40.9 Zn Zn 123 123 18 18 21.2 21.2 Mo Mo 5.4 5.4 36 36 Ag Ag 0.2 0.2 14 14 41.0 41.0 Cr Cr 775 77

20、5 112 112 Ti Ti 147 147 51 51 通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使用量用量; ;通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使用量用量; ;通过易分选及可再生循环材料的利用，降低对天然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。资源的依赖；选用能耗低的材料及加工工艺。 2. 2. 环境污染小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使用用废弃的全过程中具有

21、与环境的协调性，充分降低对环境造成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。的负荷。1) 1) 采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺，采用能耗少、污染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺， 2) 2) 选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便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，于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷， 3) 3) 选择以再生资源为原料的材料。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生产各种材料消耗的能量及碳的排放量 材料材料 矿物燃料能耗矿物燃料能耗 排

22、碳量排碳量 MJ/Kg MJ/Kg MJ/mMJ/m3 3 Kg/t Kg/t Kg/mKg/m3 3 木材木材 1.52.8 1.52.8 7501390 7501390 3056 3056 1528 1528 混凝土混凝土 2.0 2.0 4800 4800 50 50 120 120 钢材钢材 35 35 266,000 266,000 700 700 5320 5320 一次铝一次铝 435 435 1,100,000 1,100,000 8700 8700 22,000 22,000 再生铝再生铝 13 13 33,000 33,000 材料的可再生循环性：材料的可再生循环性： 1)

23、1)混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解；混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解； 2)2)木材不但能耗低，还能充分回收，并可以降解；木材不但能耗低，还能充分回收，并可以降解； 3)3)多数塑料回收率很低；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。尤其高，扩大对再生铝的利用，具有相当大的环境意义。 五、材料选用方法五、材料选用方法1 1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以及对同类零件现及对同类零件现 有状况（所用材料、使用寿

24、命、失效有状况（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。确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。2 2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分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。析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。3 3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能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

25、足要求。小批试验产品质量合格后，选材方性是否满足要求。小批试验产品质量合格后，选材方案即可确定下来。案即可确定下来。7.2 7.2 典型零件选材及工艺分析典型零件选材及工艺分析 （一）齿轮类零件（一）齿轮类零件： 1.1.性能要求：性能要求： 工作条件工作条件 失效形式失效形式 性能要求性能要求 齿根交变弯曲齿根交变弯曲应力应力齿面接触压应齿面接触压应力、滑动摩擦力、滑动摩擦轮齿冲击轮齿冲击 疲劳断裂疲劳断裂表面损伤表面损伤过载断裂过载断裂 高弯曲疲劳强高弯曲疲劳强度度高接触疲劳强高接触疲劳强度和耐磨性度和耐磨性较高强度及冲较高强度及冲击韧性击韧性 2.2.选材依据：选材依据：弯曲疲劳强度弯曲

26、疲劳强度 接触疲劳强度接触疲劳强度 其他其他 S SB B=k=k（HVHV）m mS SB B弯曲疲劳强度弯曲疲劳强度HVHV齿面维氏硬度齿面维氏硬度k k 、m m材料有关的材料有关的常数常数 S Sc c=0.2(HV/100)=0.2(HV/100)2 2S Sc c接触疲劳强度接触疲劳强度HVHV齿面维氏硬度齿面维氏硬度 齿心强度和硬度齿心强度和硬度 如重载齿轮要求如重载齿轮要求心部淬硬心部淬硬硬化层深度应为硬化层深度应为模数的模数的15%-15%-20% 20% 如疲劳断裂如疲劳断裂取上限，表面损取上限，表面损伤取下限。伤取下限。 3.3.选材选材（1 1）钢）钢：可应用于多种工作

27、条件，是齿轮最主要的用材。：可应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材。速度、载荷、速度、载荷、冲击大冲击大 钢种类别钢种类别 热处理工艺热处理工艺 中碳钢中碳钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +高高温回火）温回火）+ +表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火 合金调质钢合金调质钢 调质处理（淬火调质处理（淬火+ +高高温回火）温回火）+ +表面淬火表面淬火+ +低温回火低温回火 合金渗碳钢合金渗碳钢 渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火低温回火 （2 2）高分子材料）高分子材料 重量轻，摩擦系数小，减振性强、重量轻，摩擦系数小，减振性强、噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。如噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。如夹布层压热固性树脂等。夹布层压热固性树脂等。名称名称 特性特性 应用应用 MCMC尼龙尼龙 强度高，拉伸强度可强度高，拉伸强度可达达90Mpa90Mpa以上，减摩以上，减摩耐耐磨性优于其它尼龙。磨性优于其它尼龙。 大型铸件，如大型铸件，如大型齿轮大型齿轮 聚碳酸酯聚碳酸酯 突出的抗蠕变性和冲突出的抗蠕变性和冲击韧性，脆化温度为击韧性，脆化温度为- -100100，成型精度高，成型精度高，透明，耐热性高于有透明，耐热性高于有机玻璃机玻璃 仪表中的小模仪表中的小模数齿轮数齿轮 4.4.实例：实例： 解放牌载