《材料及其成形技术》-第十一章 工程材料及其成形工艺的选用

优质、高产、低耗是所有生产过程所应遵循的基本要求。按照这一要求，对工程材料的选用应遵循三条基本原则，即适用性原则、经济性原则和可行性原则。一、适用性原则使用工程材料设计和制造任何一个部件，首先要考虑所选用的材料必须满足部件的使用性能要求，即以选用材料生产的零部件必须在所要求的工作条件下，满足一定的使用(力学、物理、化学)性能和使用年限要求。因此，在选用工程材料时，应依据其工作条件和可能的失效形式重点考虑以下几个方面。

1.零部件在工作时的受力状况第一节工程材料选用原则下一页零部件的受力状况包括所受应力的种类(如拉应力、压应力、弯曲应力、扭转应力、剪切应力等)、应力的性质(静止应力、冲击应力、交变应力等)与大小、应力的分布(均布应力或集中应力)。不同材料乃至相同材料承受不同形式工作应力的能力有所不同，如韧性好的钢适用于承受冲击载荷，而铸铁则完全不能用于承受冲击载荷，但其抗压性能却很好。所以，应根据零部件所受应力的状况，参阅相关材料手册提供的各种数据来选择适当的材料制造零部件。在按力学性能选材时还须注意下面几个问题。

(1)材料力学性能的尺寸效应。尺寸效应是指随着材料截面积增大，材料力学性能有可能下降的现象。第一节工程材料选用原则下一页上一页第一节工程材料选用原则这种现象的产生与随着材料尺寸的增大，其内部出现缺陷(如金属材料的冶金缺陷)的几率相应增加有关。对于钢而言，尺寸效应还与其淬透性有关。因为材料手册上所列钢的力学性能指标都是以按照国家标准所制备的小试样进行测试所得，而小试样在进行淬火时能够保证其完全淬透，但在实际工程应用中，以钢所制造的零部件大多具有较大的尺寸，对其淬火时不能保证其完全淬透，因此，这种实际零部件因未淬透而产生的与手册所列小试样在组织上的差异便导致了零部件的力学性能低于手册所列指标。例如，经调质处理的45钢，当其直径增大到100mm时，与手册提供的指标相比，屈服强度约下降30%,韧性约下降50%。而淬透性大的合金钢，其尺寸效应较小。如经调质的30CrMnSi，当下一页上一页第一节工程材料选用原则其径增大到100mm时，屈服强度仅下降约10%，韧性则基本不变。所以在实际选用材料时，应充分考虑尺寸效应对材料性能带来的各种影响。通常对于尺寸较大的钢质零部件，为减小尺寸效应的影响，最好选用淬透性大的钢。

(2)综合考虑材料的各项性能指标要求。通常以材料的强度(塑性材料采用屈服强度，脆性材料采用强度极限)指标作为承载零部件的设计依据。但由于强度高的材料通常具有较低的塑性和韧性，当其受力过载时，极易发生断裂。因此，单纯追求高强度将降低零部件使用的安全性。所以在选用材料时，应综合考虑材料的各项性能指标，使其达到最佳匹配。

2.零部件的工作环境及其对材料性能的影响下一页上一页零部件的工作环境主要指其使用时的工作温度、环境湿度、环境介质等。一些环境条件对材料的各种性能以及使用寿命有明显的影响。一般的，作为结构材料，其强度随温度升高而降低，塑性、韧性随温度降低而下降。当工作环境潮湿或存在有腐蚀性介质时，应考虑材料的耐蚀性，因为环境的腐蚀可以明显缩短材料的使用寿命。因此，在查阅材料手册选用材料时，应注意手册中所提供各种材料性能参数的测试条件是否与所要求的材料服役条件基本一致，否则应通过相应的试验来确定选材。

3.零部件加工工艺性能和结构对选材的影响在选材时还应考虑材料的加工工艺性能与选材的关系。如陶瓷下一页上一页第一节工程材料选用原则材料的加工工艺性较差，烧结成型后硬度高、脆性大，只能利用碳化硅、金刚石砂轮进行磨削加工，用其难以制作形状复杂的零部件。而金属材料却具有较好的加工工艺性能，用其可制作形状复杂的零部件。又如对批量生产、且须切削加工的零部件，应选用切削加工性能好的材料。对形状复杂的钢质零件，由于其淬火时容易产生变形和开裂，应选用淬透性较好的钢。零部件的结构对材料的实际承载能力也有一定影响。如零部件上设计的沟槽有可能产生应力集中而降低材料的实际承载能力和使用寿命。

4.其他特殊要求下一页上一页第一节工程材料选用原则许多零部件在使用过程中，往往对其性能有多方面的要求。如对于受力结构件，除了对其力学性能的主要要求外，还有对导电性、磁性、导热性、热膨胀性、耐燃性，外观、密度等方面的要求。对这些性能要求也应给予综合考虑。二、经济性原则经济性原则是指在满足使用要求的前提下，应尽量降低生产产品的成本。因此，选择材料时，要把满足使用要求与降低生产成本统一起来。由于生产一个零部件的成本不仅包括所消耗的材料费、还包括燃料及动力费、工人工资、设备维修和折旧费以及企业管理费等。所以在选材时，应考虑材料选择对这些过程费用的影响。下一页上一页第一节工程材料选用原则下一页上一页第一节工程材料选用原则如在已满足使用性能要求的情况下，对零部件的材质提出过高的要求，会造成无谓的浪费。又如有些不同的材料需要通过不同的加工工艺才能成型，有些材料仅从选材的角度看比较合理，但其后续加工困难或加工成本高，因此综合考察，该选材不一定为合理。例如，生产某管接头零件，可采用钢棒或黄铜棒为坯材。黄铜棒的价格较钢棒贵，但铜棒的切屑回收价值高，且铜质零件不需镀层处理。而钢棒的切屑难以回收利用，且钢质零件还需进行镀层处理，所以采用黄铜棒为坯料反而比采用钢棒制造该管接头零件的成本更低。三、可行性原则在选择一定材料生产某零件时，还必须考虑生产部门所具有的生产条件与技术水平。即要考虑所确定的零部件生产用材及其相应的加工工艺是否具有实施的现实可能性。如有些零件在满足适用性和经济性原则的前提下，可选择铸造成型也可选择塑性加工成型。对此就要结合拥有的生产条件(是否有相关的设备和生产人员)与技术水平(相关的设备的先进性和生产人员的技术能力高低)来确定零部件的生产工艺，进而确定零部件的生产用材。第一节工程材料选用原则返回上一页对材料进行成形加工是赋予材料以一定形状、尺寸、表面粗糙度及一定内在质量的必要手段。材料加工工艺的选用不但与所确定的零部件用材密切相关，同时也与零部件的生产成本及所拥有的生产条件密切相关。适用性原则、经济性原则和可行性原则同样适用于材料成型工艺的确定。一、适用性原则不同的材料往往具有不同的加工工艺性能。如铸铁适合于铸造成型、硬质合金和陶瓷适合于烧结成型、脆性较大的材料不适合于塑性成型、铜合金构件不适合用电阻焊焊接、压铸件不适合于热处理等。因此，在选择材料加工工艺时，首先必须根据材料特有的加工工艺性能来选择对其可能采用的加工工艺。第二节材料成形工艺选用原则下一页不同的加工工艺可使被加工零部件具有不同的内在和外在质量。对一种零部件，有时可以选择不同的加工工艺，如钢质零部件可以采用塑性加工成型，也可以采用切削加工成型。但塑性加工较切削加工可以改善材料的内部组织，还可以使材料中的流线合理分布，从而提高零部件的力学性能。又如生产用于汽车、拖拉机、机床、仪器仪表等所需的一些小铸件时，可采用砂型铸造或熔模铸造、压铸等工艺。但熔模铸件及压铸件的尺寸精度、表面质量等比砂型铸件高，所以采用熔模铸造或压铸工艺能取得好的产品质量。诸如类似的情况下，可以考虑采用使产品质量更好的加工工艺。有时对一些结构复杂或体积过大的零部件，往往通过单一加工工艺难以成型，此时可考虑采用多种成型工艺组合的方案。下一页上一页第二节材料成形工艺选用原则二、经济性原则不同的生产工艺往往所需设备投资、生产工序、原材料消耗、能源消耗、对环境的污染等也会不同，从而导致零部件的生产成本或社会成本不同。此外，零部件生产的批量大小不同也影响其生产成本。对以上因素应综合考虑，选择最优的零部件生产工艺方案或不同工艺方案的组合。如对于钢质零部件，采用塑性加工近净成型较以切削加工为主的工艺成型可明显降低原材料消耗，减少切削加工费用。对于单件、小批量零部件生产，宜选用通用设备加工成型。因为，虽然此生产过程中单件产品消耗的材料及工时多，但是生产周期短，可节省下一页上一页第二节材料成形工艺选用原则生产准备时间和工艺装备的设计制造费用，使总的生产成本较低。例如铸件可选用手工砂型铸造方法，锻件可采用自由锻或胎模锻方法，焊接件可采用手工电弧焊接。但大批量生产时，应选用专用设备加工成型。因为虽然使用专用设备增加了费用，但是零部件的生产效率高、精度高，材料的总消耗量和后续切削加工工序费用可大幅降低，总的成本也会降低。如铸造时采用机器造型、锻造时采用模锻、焊接时采用自动焊等。材料加工过程必然有能量消耗和废弃物。考虑到整个社会的可持续发展，必须兼顾加工过程的社会成本。如尽量采用清洁能源，尽量减少加工过程对环境的破坏，尽量减少加工过程产生的废弃物并使之能够回收。下一页上一页第二节材料成形工艺选用原则三、可行性原则选用何种加工工艺生产零部件，也须结合已有的生产条件和生产技术水平。应尽量利用现有生产条件来完成产品加工，必要时也可通过与其他企业协作来实现产品质量、效益的最优生产。在实际生产中，一个具体零部件设计制造过程的选材及其加工工艺确定不是各自孤立的，其间存在着相互影响、协同的关系，需要结合各方面的情况，全面、综合考虑使用性、经济性和可行性，求得最佳的经济效益和社会效益才能最终确定。第二节材料成形工艺选用原则返回上一页一、轴类零件的选材与加工

1.轴类零件工作条件及对性能的一般要求轴是机械工业中重要的基础零件之一。轴类零件结构的主要特点是轴向(纵向)尺寸远大于径向(横向)尺寸，如图11-1所示。大多数轴的作用是传递扭矩。其工作条件主要有以下几点。

(1)承受扭转应力或拉、压应力。

(2)可能承受一定的交变弯曲应力、冲击载荷。

(3)某些部位如轴颈部承受摩擦。

(4)可能在高温或腐蚀性环境中工作。根据轴的工作特点不同，其主要失效形式可能有弹性和塑性变形下一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例失效、疲劳断裂、脆性断裂、磨损失效、蠕变失效和腐蚀失效等。因此，对重要轴用材料基本的要求是应具有高的弹性模量，防止弹性变形失效。具有优良的综合力学性能(即高的强度和韧性)，以防塑性变形失效和冲击过载断裂。若轴承受有较高的交变应力，应要求其具有高的疲劳强度，防止疲劳断裂。若轴承受有明显的摩擦，应要求其具有良好的耐磨性。在特殊条件下工作的轴，还应有特殊的性能要求，如在高温下工作的轴，要求有高的蠕变强度，在腐蚀性环境中工作的轴，要求具有耐腐蚀性等。所以，在选择轴用材料时，应其性能要求的角度，主要考虑强度、刚度，同时兼顾材料的冲击韧度和表面耐磨性及其他特殊性能要求。同时还要综合考虑材料成本以及后续加工成本等。下一页上一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例

2.轴类零件的选材及成型加工工艺选择例一，普通发动机的曲轴[如图11-1(a)]和凸轮轴[如图11-1(b)]:这类轴强度要求不高且承受冲击载荷不大，对曲轴颈部和凸轮轴的凸轮要求具有较好的耐磨性能。对此，可选用强度较好、耐磨性高、韧性一般的球墨铸铁作为其制造材料，并通过铸造和切削加工成型。当然若仅从强度和耐磨性考虑，也可以考虑采用中碳钢。钢的强度、韧性可好于球墨铸铁，但钢的耐磨性较球墨铸铁差，价格也较高，而且采用钢的主要后续成型加工工艺只能为锻造和切削加工，其加工成本也高于铸铁。所以，选用球墨铸铁应更为合理。球墨铸铁以先铸造、而后切削加工成型。切削加工成型后一般应进行正火或调质处理。第三节零件制造用材料及成形工艺举例下一页上一页为进一步提高轴的耐磨性也可在对轴进行正火或调质后再对曲轴颈部和凸轮进行表面淬火等处理。最后，需对曲轴和凸轮轴进行精磨加工。上述选材及加工工艺路线可归纳如下:

原材料选择、铸造、切削加工、正火或调质、表面淬火等、精磨加工。例二，以强度要求为主，且在工作时须承受一定冲击载荷的轴:这类轴应采用通过调质、表面淬火或渗氮处理而可具有较高强度、较好韧性和耐磨性的中碳钢作为其制造材料，如45钢或40Cr,40MB,30CrMnsi和40CrNiMo等中碳合金钢。具体钢种的选择需要根据轴的横截面大小、所承受载荷的类型与大小和钢的淬透性大小来决定。第三节零件制造用材料及成形工艺举例下一页上一页如对主要承受弯曲载荷和扭转载荷的轴，其应力分布是由轴表面向中心递减，因此，轴的中心部位所受应力不高，当轴的横截面尺寸不大时，不必选用淬透性很高的钢。但当轴承受的弯曲载荷和扭转载荷较大，而且轴的横截面尺寸也较大时，应选用淬透性高的合金钢。对于主要承受拉、压应力的轴，应力在轴的整个横截面上均匀分布，当轴的横截面尺寸较大时，更应选用淬透性高的合金钢。车床主轴是常见的轴类零件，其主要承受交变弯曲和扭转应力，所受应力和冲击载荷并不很大，轴的个别部位如轴颈处要求有较高的硬度和耐磨性。因此，具有一般综合力学性能水平(足够强度和较好韧性)的钢即可满足其主要要求。对此采用淬透性并不很高、但价格较低的45中碳钢即可。下一页上一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例第三节零件制造用材料及成形工艺举例对45钢，选择先锻造、后切削加工使其成型。切削加工前应视情况进行退火(当采用正火硬度偏高时)或正火(当采用退火硬度偏低时)预先热处理，以调整钢的硬度，利于其切削加工。同时预先热处理还可改善在高温下锻造引起的材料组织粗大，为后续热处理作组织准备。轴经过切削加工成型后应采用调质处理得到回火索氏体组织，使其具有良好的综合力学性能。为保证轴颈处较高的表面硬度和耐磨性，对轴颈处需进行表面硬化处理。对于45钢，基体含碳量已较高，因此，可考虑选用表面淬火与渗氮处理。渗氮硬度虽比表面淬火高，但渗氮工时长，对于轴的非渗氮部分又需镀锡保护，渗氮后还需去除锡镀层，整个工艺过程复杂。所以一般选用高频感应表面淬火提高轴颈处的表面硬度。上一页上一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例表面淬火后需进行低温回火消除淬火应力。最后再对轴进行精磨加工。上述选材及加工工艺路线可归纳如下:

原材料选择→锻造→预先热处理→切削加工→淬火→高温回火→轴颈高频感应淬火→低温回火→精磨加工。二、齿轮类零件的选材与加工齿轮是各类机械中的重要作动零件，主要是用来传递扭矩和运动，其工作条件往往有很大的差别。各种齿轮的工作受力特点可总结为:(1)由于传递扭矩，齿轮根部承受周期性交变弯曲应力。

(2)齿的表面在工作过程中相互滚动和滑动，承受接触应力，摩擦力和磨损。

(3)轮齿承受冲击载荷和短时过载。下一页上一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例齿轮的主要失效形式有弯曲疲劳、接触疲劳、齿根折断与齿面磨损。因此，一般要求齿轮材料应具有相应的抗弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿轮轮齿心部要有足够的强度和韧性，齿面应具有耐磨性。一些在低转速、低应力和低冲击载荷条件下工作的齿轮可选用工程塑料(如尼龙、聚碳酸脂)或树脂基复合材料来制造。但对于传递功率大、接触应力大、运转速度高、承受较大冲击载荷的重要齿轮如汽车变速箱齿轮等必须选用钢或铸铁等来制造。通常这类齿轮中，当受力不是很高时，中、小型齿轮可选用韧性好、且通过热处理可具有较高强度的低碳钢或低碳合金钢等作为齿轮制造用材。当受力较高或齿轮较大时，可选用强度高、淬透性好、通过热处理可具有高韧性的中碳合金钢。下一页上一页第三节零件制造用材料及成形工艺举例当选用钢作为齿轮材料后，应通过锻造并经切削加工成型。此后应进行渗碳处理提高齿面的耐磨性。对低碳钢和低碳合金钢，渗碳后应进行淬火和低温回火，得到回火马氏体组织以保证齿轮具有较高的强度。对中碳合金钢，应进行调质处理，得到回火索氏体组织以保证齿轮具有高的强度和好的韧性。直径500mm以上的大型齿