《工程材料与应用》课件-第8章

8.1选材的原则与方法8.2材料选择方法举例8.1.1选材的一般原则

合理的选材应符合良好的使用性能、优良的工艺性能和合理的经济性等三方面要求。

1.使用性能

材料的使用性能是指为保证零件正常工作而具备的性能。它决定了零件的使用价值和工作寿命，通常是选材的主要依据。必须指出，使用性能是多方面的，有力学性能、化学性能和物理性能等。所以，在分析选择材料是否满足使用要求时，不能孤立地校核某个性能就作结论。8.1选材的原则与方法

2．工艺性能

工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能(淬透性、过热敏感性、回火脆性、回火稳定性)等。材料的工艺性能直接影响制件的质量、生产成本和生产效率，是选材不可忽视的因素，有时还是选材的决定性因素。考虑材料的工艺性能时，应注意根据零件结构特点及生产批量来分析。

3．经济性

用最少的成本生产出所需要的产品，是指导生产的基本法则。选材时，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及与生产有关的其他一切费用。

工程材料的相对价格相差较大，且各个时期的波动也很大，但各材料的相对价格基本稳定，且维持一定关系，如图8-1～图8-4所示。

由图可知，铸铁和碳钢的价格较低，应优先采用。合金钢和有色合金价格较贵，在要求满足较高的力学性能和特殊性能时，才加以选用。塑料的应用日益广泛，在许多场合，塑料件已成功地替代了金属件。当前我国工业现代化正在迅速发展，新材料、新工艺不断涌现。例如，我国立足于国内富有资源，研制成功了一大批新型合金钢种，其中稀土镁球墨铸铁已能代替部分锻钢，制成曲轴、凸轮轴、齿轮等重要零件。因此，选材时应密切结合国情，并充分考虑本地本厂实际情况。图8-1几种工程材料单位质量成本对比图8-2几种工程材料单位体积成本对比图8-3以成本/体积/拉伸强度为基础的 几种工程材料成本对比图8-4以成本/体积/比强度为基础的几种工程材料成本对比8.1.2选材的步骤和方法

选材问题大多发生在下列几种场合：新产品设计；改变产品设计；改变产品的生产工艺；原来使用的材料成本过高或货源不足，供应有困难。选材工作涉及面广、影响大，必须由设计、生产组织、物资管理、供销等多方面人员相互配合，按如下步骤进行：首先确定对性能的要求；然后制定并比较各种备选的用材方案，从中选择并确定在技术、经济上都满意的选材方案。机械零件选材的一般步骤如图8-5所示。

1.确定对性能的要求

1)对使用性能的要求

对使用性能的要求，是在对零件的工作条件及形状尺寸分析的基础上提出的。

工作条件分析，首先是零件在工作中所受载荷的类型及大小。要判明载荷是短期作用还是长期作用，是恒定载荷还是交变载荷，是缓慢作用的静载荷还是快速作用的动载荷。图8-5机械零件选材的一般步骤最关键的是确定主要载荷形式是受拉伸、压缩、扭转、剪切还是弯曲，载荷的大小、分布及有无较大的局部应力集中等。载荷的类型及大小是决定材料使用性能的主要依据之一，应在选材前搞清楚。

工作条件分析的第二个内容是零件的工作环境，主要包括温度和介质(是否有腐蚀性)。这两种因素对于确定材料要求的使用性能具有非常重要的作用。

最后，对材料的某些特殊要求的使用性能，在工作条件分析中也应充分考虑。例如特殊的电性能(绝缘性或导电性)、热性能(导热性、热膨胀性)、相对密度、外观要求等。这些特殊的使用性能要求，往往对材料提出了许多重要限制，从而大大缩小了候选材料的范围。

2)关键性的性能要求

零件的工作条件是复杂的，往往对材料有许多方面的性能要求。所以应该分析确定其中最关键的性能指标，作为解决矛盾的主要依据。这通常可根据零件的损坏形式的分析来确定。零件的损坏形式有过量弹性变形、过量塑性变形、断裂、过量磨损等。若主要损坏形式为过量弹性变形的零件，如精密镗床的镗杆，则关键性能指标是刚度；若主要损坏形式为过量塑性变形的零件，如重要螺栓，则关键性能指标为屈服点；若主要损坏形式是磨损，如轴承，则关键性能指标为表面硬度及耐磨性；当有尖锐缺口或裂纹一类缺陷存在时，断裂抗力可能成为对材料要求的一个重要使用性能；如受的是交变载荷，则疲劳抗力是主要使用性能；等等。表8-1列举了一些零件的工作条件、主要损坏形式及关键性能指标。表8-1一些零件的工作条件、主要损坏形式及关键性能指标

3)对工艺性能的要求

选材时，应结合零件的加工制造工艺，提出对材料工艺性能的要求。在明确对工艺性能的要求时，应充分考虑零件的形状尺寸、生产批量等因素。

一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其力学性能可以满足一般零件的要求，因此用途较广。而它的强度还不够高，淬透性差，所以制造大截面、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用淬透性好、强度高的合金钢。但合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。碳含量低于0.4%的碳钢和普通低合金钢有良好的焊接性能，常作为焊接结构用材。如采用铸造毛坯，则应尽量选熔点低、凝固温度范围小的合金。

2.确定用材方案

将零件的要求与材料的性能相对照，并参照同类产品的选材情况，提出若干种技术上可行的用材方案，供进一步分析、选择。对于可以用不同加工工艺制造的制品，应按每种加工方法提出若干备选的用材方案。备选材料的性能不应低于要求，但也不宜过高，以免优材劣用。

技术上可行的选材方案，经济上未必合算。这可应用价值工程原理进行综合的定量分析。价值工程主要研究以最低的成本获得必要的功能，从而实现提高产品的价值，取得最佳的技术经济效果。价值工程基本表达式为式中，V为价值；F为产品功能；C为实现该功能所耗费的成本。V值越高的材料，在经济上、技术上就越有利，因而应优先选用。

3.钢的代用

由前面的知识可知，合金钢中几种不同的合金元素所起的作用可能相同。因此，虽然钢的成分可能有显著差异，但经适当热处理后，其性能可能几乎相同。另一方面，其中某些元素可能比另一些元素价格高、资源短缺(如我国Cr、Ni短缺，Si、Mn、Mo、Ti等丰富)，在一般情况下，对昂贵而短缺的钢种可用相应的代用钢。如生产上常用35SiMn替代40Cr，用9Mn2V替代CrWMn或9SiCr，用5CrMnMo替代5CrNiMo等。不仅合金钢之间可互相替代，不同含碳量的钢经不同热处理也能获得大致近似的性能，从而可互相替代。如渗碳钢经淬火低温回火，可获得与调质钢经调质后相近的性能。前面也曾提到，在某些情况下，还可用球墨铸铁代替铸钢或锻钢件。

总之，在实际生产中，因各种原因而采用代用钢的情况很多，因此应在掌握基本选材规律的基础上灵活运用。表8-2列出了几种常见代用钢。表8-2常 见 代 用 钢值得指出的是，具有许多优异特性的有机高分子材料的飞跃发展，使得它们在许多场合用以代替钢与有色金属。这样不仅可降低成本，且往往性能更优异，从而取得良好的使用效果，在选材时应予以足够重视。表8-3列出了一些用塑料替代金属的应用实例。表8-3用塑料代替金属的应用实例8.2.1以综合力学性能为主的选材方法

许多零件在使用中，不仅要有较高的强度，而且要有较好的韧性和塑性。这些零件过去都用中碳调质钢经调质处理制造，近来也用低碳含量的钢种经淬火—低温回火制造。在选材中主要考虑以下两方面因素。8.2材料选择方法举例

1．钢的淬透性

制件越大，越应注意淬透性是否足够，是否能保证获得满意的淬透层深度。对淬透层深度的要求，取决于制件的工作条件。

例如图8-6所示的跃进—130型载重汽车(2.5吨)的半轴，在汽车运行时，发动机输出的扭矩经多级变速和主动器传递给半轴，再由半轴传动车轮。在上坡或启动时，扭矩很大，尤其在紧急制动或在不平坦的道路上行驶时，工作条件更为繁重。因此，半轴在工作中承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，从而要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度及较好的韧性。图8-6跃进—130型载重汽车(2.5吨)的半轴该半轴的热处理技术条件如下：

(1)硬度：杆部37～44HRC；盘部24～34HRC。

(2)金相组织：回火索氏体或回火托氏体。

(3)可选材料：40Cr、42CrMo、40CrMnMo钢。根据上述条件，选用40Cr可满足要求。

半轴的生产工艺流程为下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。

2．钢的韧性

淬透性相同的钢，回火至相同硬度时，抗拉强度基本相同，但由于回火稳定性的差异，韧性差别很大。工作时受很大冲击的零件，必须用冲击韧性ak较高的材料制造；工作时受冲击次数较多，而每次冲击能量不大的零件，决定其寿命的不是ak，而是多冲抗力。低碳含量的钢种，经淬火—低温回火后一般都能满足多冲抗力方面的要求；对于调质钢，采用较低的回火温度可得到满意的多冲抗力；在某些场合，使用球墨铸铁亦可满足多冲抗力的要求。

如图8-7所示的内燃机曲轴，工作时受到内燃机周期性气体压力，曲轴连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力，以及冲击力等。因此其性能要求是保证有高的强度、一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要求有高的硬度和耐磨性。图8-7内燃机曲轴技术要求：Rm≥750MPa、A≥2%，Ak≥12J；轴体硬度为240～260HBW，轴颈表面硬度不低于625HV。

根据上述要求，可选用QT700-2球墨铸铁，其加工工艺流程为铸造→高温正火→高温回火→切削加工→轴颈气体渗氮。

高温正火(950℃)是为了获得基体组织中珠光体的数量并细化珠光体，提高强度、硬度和耐磨性。高温回火(560℃)是为了消除正火时产生的内应力。轴颈气体渗氮(渗氮温度为570℃)是为在保证不改变组织及加工精度的前提下，提高轴颈表面的硬度和耐磨性。也可采用对轴颈进行表面淬火来提高其耐磨性。还可对轴颈进行喷丸处理和滚压加工，以提高其疲劳强度。8.2.2以耐磨性为主的钢材选择方法

耐磨的金属材料很多，有铸铁、高锰铸钢、青铜、巴氏合金、碳素钢和合金钢等。这些材料都有各自的特点和适用条件。例如，铸铁耐磨性好，但韧性差，有的铸铁强度较低，仅适用于不冲击或冲击较小的条件；高锰铸钢在冲击载荷及单位压力很大的磨损条件下才显示出优越的耐磨性。而许多承受一定冲击并要求耐磨的零件，都用钢材经表面硬化处理制造。

1．表面硬化工艺的选择

表面硬化的方法主要有渗碳—淬火、表面淬火及氮化。

渗碳—淬火可取得较厚的淬硬层(可达3mm)，淬火后硬度很高(可达800HV)，能有效地提高耐磨性及疲劳强度。其缺点是渗碳后必须淬火，变形较大。表面淬火可获得较厚的硬化层，变形小、生产率高。但表面硬度(700HV)及耐磨性不如渗碳—淬火，而且对于复杂零件及小批量生产时，由于不易或不宜制造感应加热器而不能采用感应加热表面淬火。氮化不仅能保证极高的表面硬度(900～1100HV)、耐磨性和疲劳强度，还能提供一定的耐蚀性和热稳定性。而且由于氮化加热温度较低，无需继之以淬火，故变形小。但氮化时间长，硬化层薄(约为0.5mm)而脆。

根据上述比较，在选材时对表面硬化工艺的选择应根据以下原则：摩擦速度不太高、摩擦压力较大而形状很复杂的零件，最好用渗碳处理；形状简单的零件则可用表面淬火处理；若零件工作时摩擦速度大而摩擦压力较低，受到冲击也较小，则采用氮化为好。

2．表面硬化用钢的选择

由于工艺不同，因此备选钢种和选择时的考虑因素也有所不同。

1)渗碳钢的选用

渗碳件淬火后除要磨削个别部位外，一般不再加工。为了保证淬火变形较小，大多采用油淬，所以基本上都选用合金渗碳钢。选择合金渗碳钢时应注意其渗透性应足以满足零件心部的硬度要求，同时应在淬火时不致产生过大的变形。例如汽车和拖拉机的齿轮，不仅要求有足够的耐磨性和疲劳强度，而且要求心部有足够的强度和冲击韧性。为此常选用渗碳钢(如20CrMnTi)制造，并经渗碳—淬火处理(参见图5-2)。其制造工艺流程为下料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨内孔或换挡槽→装配。

2)表面淬火钢的选用

由于表面淬火以前一般均进行调质或正火，因此对钢的要求基本上与调质钢相同。但表面淬火钢对含碳量要求较严，最好采用含碳量范围小的精选钢。此外，钢的晶粒度应均匀细小，对脱碳层深度也要有所限制。对于形状复杂的零件，为了得到沿零件轮廓均匀分布的淬硬层，可采用降低常存元素锰的含量(wMn≤0.2%)，并含有少量细化晶粒元素钛的低淬透性钢，如55Tid或60Tid。例如，机床齿轮工作条件没有汽车、拖拉机齿轮繁重，且精度要求较高，故常选用含碳量为0.40%～0.50%的碳钢或低合金钢(40、45、40Cr、45Mn2、40MnB等)制造，并经调质或正火保证心部强度，然后借助表面淬火提高表面硬度和耐磨性。其制造工艺流程为下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨锥孔(花键孔或圆孔)。

3)氮化钢的选用

氮化用的典型钢种是38CrMoAlA。随着氮化工艺的发展，可以氮化处理的钢种日益增多。如耐磨性要求不高，同时又要求有较高的疲劳强度或韧性，亦可采用碳素钢或合金结构钢进行软氮化处理。

如图8-8所示的镗杆，工作中承受中等载荷、不太大的冲击，转速很高，精度要求极高，在滑动轴承中运转，内锥孔与外锥圆常有相对摩擦。因此要求具有很高的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部有较高的综合性能，很小的热处理变形。为此可选用氮化钢38CrMoAlA经调质后再氮化处理，以满足上述要求。具体生产工艺流程为下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→除应力处理→粗磨→氮化→精磨→研磨。图8-8镗杆简图8.2.3以弹性为主的选材方法

弹性零件的主要性能指标是弹性模量、屈服点、弹性极限和疲劳强度，通常用弹簧钢及铜合金制造。选材时应考虑以下因素。

1．制件的弹性变形量

产生弹性变形的难易程度取决于弹性模量。弹性模量越大，越不易产生弹性变形。钢的弹性模量比铜合金大，故要求容易发生弹性变形的制件常用铜合金制造。

2．制件的工作条件

与选材有关的工作条件有承载大小、温度高低、周围介质等。工作应力越大或承载次数越多，所选材料强度越大。在较高温度下或腐蚀介质中工作的零件，应选能适应这些工作条件的合金弹簧钢、耐热钢、不锈钢、铜合金等。

3．钢材的选择

板簧或较粗的螺旋弹簧应选用热轧扁钢或圆钢，加热成型后再进行热处理。较细的螺旋弹簧则应选用冷拉钢丝，冷成型后进行热处理。对于尺寸大或热成型后立即淬火的钢，由于加热温度高，应注意采用过热敏感性和脱碳倾向小的钢种。在采用弹簧钢丝时，应优先选用已由钢厂进行强化处理，因而在冷卷成型后只需消除应力的碳素弹簧钢及65Mn弹簧钢丝。因此用这类钢丝制造弹簧时，尺寸易控制，质量易保证。在冷卷时