教学材料《材料》-项目十九

19.1材料选择的原则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。设计人员在进行零件的选材时，应对该零件的服役条件，应具备的主要性能指标。能满足要求的常用材料的性能特点、加工工艺性及成本高低等。进行全面分析，综合考虑。合理的选材标志应该是在满足零件工作要求的条件下，最大限度地发挥材料潜力，提高性能价格比。选材的基本原则是材料在能满足零件使用性能的前提下，具有较好的工艺性和经济性;根据本国资源情况，优先选择国产材料。下一页返回19.1材料选择的原则1.材料的使用性能应满足工作要求材料的使用性能是指机械零件在正常工作条件下应具备的力学、物理、化学等性能。它是保证该零件可靠工作的基础。对一般机械零件来说，选材时主要考虑的是其机械性能(力学性能)。而对于非金属材料制成的零件，则还应该考虑其工作环境对零件性能的影响。零件按力学性能选材时，首先应正确分析零件的服役条件、形状尺寸及应力状态，结合该类零件出现的主要失效形式，找出该零件在实际使用中的主要和次要的失效抗力指标，以此作为选材的依据。根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标。能够满足条件的材料一般有多种，再结合其他因素综合比较，选择出合适材料。上一页下一页返回19.1材料选择的原则2.材料的工艺性应满足加工要求材料的工艺性是指材料适应某种加工的特性。任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的，尤其是在大批量、自动化生产时，材料的工艺性能更显得重要。良好的加工工艺性能保证在一定生产条件下，高质量、高效率、低成本地加工出所设计的零件。材料的工艺性能包括以下内容:上一页下一页返回19.1材料选择的原则(1)铸造性。铸造性是指材料在铸造生产工艺过程中所表现出的工艺性能。一般来说，铸铁的铸造性能化铸钢好得多，铜、铝合金的铸造性能较好，介于铸铁和铸钢之间。碳钢的可锻性好于合金钢，低碳钢好于高碳钢，铜合金可锻性较好而铝合金较差。(2)焊接性。焊接性是指在一定的焊接工艺条件下，材料获得优质焊接接头的难易程度。一般来说，低碳钢及低合金结构钢焊接性良好，中碳钢及合金钢焊接性较差，高碳高合金钢及铸铁的焊接性很差，一般不作焊接结构。(3)切削加工性。切削加工性是指材料切削加工的难易程度。一般来说，硬度适中(160~230HB匀的材料切削加工性好。上一页下一页返回19.1材料选择的原则易切削钢中碳钢、一般有色金属的切削加工性好，而高强度钢、耐热、不锈钢的切削加工性较差。(4)热处理工艺性。热处理工艺性是指材料对热处理加工的适应性能。一般来说，合金钢的淬透性好于碳钢，高碳钢的淬硬性好于低碳钢。合金钢油中淬火的变形开裂比碳钢水中淬火要小。(5)黍占结固化性茹结固化性高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料，大多数靠茹结剂在一定条件下将各组分茹结固化而成。因此，这些材料应注意在成型过程中，各组分之间的茹结固化倾向，才能保证顺利成型质量。上一页下一页返回19.1材料选择的原则3.材料的选择应力求使零件生产的总成本最低除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可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情况和供应情况等。(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。上一页下一页返回19.1材料选择的原则例如，我国缺钥但钨却十分丰富，所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢，而少用铂高速钢。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，产品还应当具有质量轻、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，尽量采用先进的科学技术成果，做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。上一页下一页返回19.1材料选择的原则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。上一页返回19.2材料选择的一般步骤材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件，则大多数采用经验类比法来选择材料。另外，零件的选择一般需借助国家标准、部颁标准和有关手册。下一页返回19.2材料选择的一般步骤19.2.1材料选择的一般步骤选材一般可分为以下几个步骤(见图19-1);(1)对零件的工作特性和使用条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要抗力指标。(2)根据工作条件需要和分析，对该零件的设计制造提出必要的技术条件。(3)根据所提出的技术条件要求、工艺性和经济性方面的考虑，对材料进行预选择。材料的预选择通常是凭积累的经验，通过与类似的机器零件的比较和已有实践经验的判断，或者通过各种材料选用手册来进行选择。上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤(4)对预选方案材料进行计算，以确定是否能满足上述工作条件要求。(5)材料的二次(或最终)选择。二次选择方案也不一定只是一种方案，也可以是若干种方案。(6)通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验，最终确定合理的选材方案。(7)最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤19.2.2零件选材中的注意事项零件选材通常遵循选材的基本原则，一般认为在正常工作条件下，该零件运行应该是安全可靠，生产成本也应该是经济合理的。但是，由于有许多没有估计到的因素会影响到材料的性能和零件的使用寿命，甚至也影响到该零件生产及运行的经济效益。因此，零件选材时还必须注意以下一些问题:1.零件的实际工作情况实际使用的材料不可能绝对纯净，大都存在或多或少的夹杂物及各种不同类型的冶金缺陷，它们的存在，都会对材料的性能产生各种不同程度的影响。上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤另外，材料的性能指标是通过试验来测定的，而试验中的试样与实际工作中的零件无论是在材料、形状尺寸，还是在受力状况、服役条件等方面都存在差异，因此，从试验中测出的数值与实际工作的零件可能会不一样。所以，材料的性能指标只有通过与工作条件相似的模拟试验才能最终确定。2.材料的尺寸效应用相同材料制成的尺寸大小不一样的零件，其力学性能会有一些差异，这种现象称为材料的尺寸效应。如钢材，由于尺寸大的零件淬硬深度要小，尺寸小的淬硬深度要大些。从而使得零件淬火后在整个截面上获得的组织不均匀一致。这种现象，对于淬透性低的钢，尺寸效应更为明显。上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤另外，尺寸效应还会影响钢材淬火后获得的表面硬度。在其他条件一样时，随零件尺寸的增大，淬火后零件获得的表面硬度会越低。同样，尺寸效应现象在铸铁件以及其他一些材料中也同样存在，只是程度不同而已，因此，零件选材，特别是在零件尺寸较大的情况下，必须考虑尺寸效应的影响而适当加以调整。

3.材料力学性能之间的合理配合由于硬度值是材料的一个非常重要的性能指标，且测定简便而迅速，又不破坏零件，此外材料的硬度与其他力学性能指标存在或多或少的联系。因此，大多数零件在图纸上标注的技术性能都是其硬度值。上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤材料硬度值的合理选择应综合考虑零件的工作条件及结构特点。如对强烈摩擦的零件，为提高其耐磨性，应选高硬度材料;为保证有足够的塑性和韧性，应选较低的硬度值;而对于相互摩擦的配合零件，应使两零件的硬度值合理匹配，如轴的硬度一般比轴瓦高几个HRC。强度的高低反映材料承载能力的大小，通常机械零件都是在弹性范围内工作的。因此零件的强度设计都是以屈服强度σ0.2为原始数据(脆性材料为抗拉强度σb)，再以安全系数N加以修正，从而保证零件的安全使用。但是，这种安全也不是绝对的。实际工作的零件有时在许用应力以下也会发生脆断，或因短时过载而断裂。这种情况下不能只片面提高强度指标，上一页下一页返回19.2材料选择的一般步骤因为钢材强度提高后，其塑性和韧性指标一般会呈下降趋势。当材料的塑性，韧性很低时，容易造成零件的脆性断裂。所以必须采取一定的措施(如强韧化处理)，在提高材料强度的同时，保证其有相当的塑性和韧性。塑性及韧性指标一般不用于材料的设计计算，但它们对零件的工作性能都有很大的影响。一定的塑性能有效地提高零件工作的安全性。当零件短时过载时，能通过材