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机械零件金属材料的一般选用原则是怎样的

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发表于 2019-9-20 13:21:01 |显示全部楼层
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  选择材料的基本原则是在首先保证材料满足使用性能的前提下,再考虑使材料的工艺性能尽可能良好和材料的经济性尽量合理。零件的使用价值、安全可靠性和工作寿命一般主要取决于材料的使用性能,所以选材通常以材料制成零件后是否具有足够的使用性能为基本出发点。
  所谓使用性能,是指材料能保证零件正常工作所必须具备的性能。它包括力学性能、物理性能和化学性能。零件的使用性能主要是指材料的力学性能,一般选材时,首要任务是正确地分析零件的工作条件和主要的失效形式,以准确地判断零件所要求的主要力学性能指标。
  在分析零件工作条件的基础上,提出对所用材料的性能要求。工作条件是指受力形式(拉伸、压缩、弯曲、扭转或弯扭复合等)、载荷性质(静载、动载、冲击、载荷分布等)、受摩擦磨损情况;工作环境条件(如环境介质、工作温度等);以及导电、导热等特殊要求。
  零件的失效形式与其特定的工作条件是分不开的。要深入现场,收集整理有关资料,进行相关的实验分析,判断失效的主要形式及原因,找出原设计的缺陷,提出改进措施,确定所选材料应满足的主要力学性能指标,为正确选材提供具有实用意义的信息,确保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。
  一般情况下,材料的强度越高,其塑性、韧性越低。片面地追求高强度以提高零件的承载能力不一定就是安全的,因为材料塑性的过多降低,遇有短时过载等因素,应力集中的敏感性增强,有可能造成零件的脆性断裂。所以在提高屈服强度的同时,还应考虑材料的塑性指标。塑性和韧性指标一般不直接用于设计计算,而较高的δ和ψ值能削减零件应力集中处(如台阶、键槽、螺纹、油孔、内部夹杂等处)的应力峰值,提高零件的承载能力和抗脆断能力。
  以低应力脆断为主要失效形式的零件,如汽轮机、电动机转子这类大锻件以及在低温下工作的石油化工容器、管道等,不应再以传统力学方法用塑性指标粗略估算,而应运用断裂力学方法进行断裂韧度KIC和断裂指标KI≥KIC方面的定量设计计算,以保证零件的使用寿命
  实际零件的力学性能(如σs、σ-1、δ、ψ、AK)数值是很难测得的。由于硬度的测定方法简单,又不损坏零件,且材料硬度与强度以及强度与其他力学性能之间存在着一定关系,所以大多数零件在图纸上只标出所要求的硬度值,来综合体现零件所要求的全部力学性能。一般硬度值确定的规律为:对承载均匀,截面无突变,工作时不发生应力集中的零件,可选较高的硬度值;反之,有应力集中的零件,则需要有较高的塑性,硬度值应该适当降低;对高精度零件,为提高耐磨性,保持高精度,硬度值要大些;对相互摩擦的一对零件,要注意两者的硬度值应有一定的差别,易磨损件或重要件应有较高的硬度值。例如,轴颈与滑动轴承的配合,轴颈应比滑动轴承硬度高;一对啮合传动齿轮,一般小齿轮齿面硬度应比大齿轮高;因为传动时小齿轮每个齿摩擦次数比大齿轮的每个齿多;螺母硬度应比螺栓低些。多数热作模具和某些冷作模具,切削刀具等,选材时还应该考虑其较高热硬性要求。
  若零件在特殊的条件下工作,则选材的主要依据也应视具体条件而定,如像储存酸碱的容器和管路等,应以耐蚀性为依据,考虑选用不锈钢、耐蚀MC尼龙和聚矾等;而作为电磁铁材料,软磁性又是重要的选材依据;精密镗床镗杆的主要失效形式为过量弹性变形,则关键性能指标为材料的刚度;零件要求弹性、密封、减振防振等,可考虑选择能在-50~150℃温度范围内处于高弹性和优良伸缩性的橡胶材料。重要的螺栓的主要失效形式为过量的塑性变形和断裂,则关键性能指标为屈服强度和疲劳强度;在600~700℃工作的内燃机排气阀可选用耐热钢等;汽车发动机的气缸可选用导热性好,比热容大的铸造铝合金等。选用高分子材料(如用尼龙绳作吊具等),还要考虑在使用时,温度、光、水、氧、油等周围环境对其性能的影响,所以防老化则必须作为其重要的选材依据。
  淬透性对钢的力学性能有很大的影响,未淬透钢的心部,其冲击韧度、屈强比和疲劳强度较低。对于截面尺寸较大的零件、在动载荷下工作的重要零件以及承受拉、压应力而要求截面力学性能一致的零件(如连接螺栓、锻模等)应选用能全部淬透的钢。对某些承受弯曲和扭转等复合应力作用下的轴类零件,由于它们截面上的应力分布是不均匀的,最大应力发生在轴的表面,而心部受力较小,可用淬透性较低的钢,但要保证淬硬层深度。焊接件等不可选用淬透性高的钢,避免造成焊接变形和开裂。承受冲击和复杂应力的冷镦凸模,其工作部分常因全部淬硬,造成韧性不足而脆断。所以选材及热处理时,不能盲目追求材料淬透性和淬硬性的提高。
  一般来说,手册中提供的数据多为小尺寸试样测得的,而实际零件的尺寸往往较大而且分散性强,性能随材料尺寸的增大而降低。另外手册上提供的性能数据一般是用表面无裂纹的光滑试样或特定缺口试样测得的,其承受载荷的大小和频率都是人为设计的,而实际零件在加工和使用过程中则可能产生各种裂纹及缺口,服役时承受的载荷在理论上是特定的,但实际工作中往往会随机变化。所以,在查取性能数据时应充分考虑各种因素,进行必要的修正。
  随着截面尺寸的增大,金属材料的力学性能将下降的现象,称为尺寸效应。例如,灰铸铁HT300铸件壁厚为10~20mm时,其最低抗拉强度为290MPa,而当其壁厚达30~50mm时,最低抗拉强度降到230MPa。
  尺寸效应与钢材的淬透性有着密切的关系,如钢在热轧后空冷状态下供应时,是利用轧后余热正火,此时钢材尺寸较大,整个截面上冷却速度不均匀,心部珠光体的弥散度低,其强度也随之降低。钢(尤其是低碳钢)在淬火、回火时,因淬透性的影响,截面尺寸越大,越不容易在整个截面上获得马氏体组织,因而回火后由表层到心部的性能逐渐降低。在其他条件一定时,随着零件尺寸的增大,淬火后表面硬度也下降。
  寿命越长,要求的指标越高,零件的生产和使用成本也会越高,所以要辩证处理制造成本与寿命的关系。例如,对滑动轴承而言,由于轴承的结构较简单,容易加工,更换方便,因此应把轴颈的强度和表面硬度指标规定得比轴瓦高,使轴瓦寿命短于轴,维修时只更换轴瓦,降低维护费用。
  如工程塑料、橡胶等,不仅其力学性能受环境条件的影响很大,而且其物理、化学性能也会随环境条件的变化而变化;复合材料、梯度功能材料等是针对特殊、复杂工作环境而发展的新材料,其力学及物理、化学性能不同于一般的金属材料和非金属材料,所以在选材时,应充分了解其特殊性及其适用范围。
  任何一个零件都要通过若干加工工序制作而成。加工的难易程度必然要影响到生产率和加工成本以及产品质量。材料的工艺性能是指材料适应某种加工的难易程度。材料工艺性的好坏对零件的加工生产有直接的影响。良好的工艺性,不仅可保证零件的制造质量,而且有利于提高生产率和降低成本。所以工艺性也是选材必须考虑的问题。金属材料的工艺性能包括铸造性、压力加工性能、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等;零件的形状、尺寸精度和性能要求不同,采用的成形方法也不同。
  材料所要求的工艺性能与零件制造的加工工艺路线密切相关,具体工艺性能就是从工艺路线中提出的。金属材料的加工工艺路线复杂,要求的工艺性能也较多,其中主要的有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。金属材料的一般工艺路线和有关工艺性能如下。
  包括流动性、收缩、偏析和吸气性等。流动性愈好、收缩愈小、偏析和吸气性愈小,则铸造性愈好。金属材料中,铸造性较好的有各种铸铁、铸钢及铸造铝合金和铜合金。其中以灰铸铁铸造性最好。
  包括塑性和变形抗力。塑性愈好,变形抗力愈小,则锻造性愈好。在碳钢中,低碳钢的锻造性最好,中碳钢次之,高碳钢最差。在合金钢中,低合金钢的锻造性近似于中碳钢,高合金钢比碳钢差。铝合金在锻造温度下塑性比钢差,锻造温度范围较窄,所以银造性不好。铜合金的锻造性一般较好。
  包括焊接接头产生工艺缺陷(如裂纹、脆性、气孔等)的倾向及焊接接头在使用过程中的可靠性(包括力学性能和特殊性能)。含碳量0.25%的低碳钢及含碳量<0.18 %的合金钢有较好的焊接性。含碳量0.4%的碳钢及含碳量0.38%的合金钢焊接性较差。灰铸铁的焊接性能比低碳钢差得多。铜合金及铝合金的焊接性能一般都比碳钢差。
  切削加工性一般用切削抗力的大小、零件加工后的表面粗糙度、断屑难易及刀具是否容易磨损等来衡量,一般有色金属很容易加工。正火状态低碳钢切削加工性能好,中碳钢次之,都好于高碳钢。不锈钢及耐热合金则很难加工。
  包括淬透性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向及氧化、脱碳倾向等。
  毛坯由锻压或铸造获得。这类零件性能要求不高。一般采用铸铁、碳钢等制造,其工艺性能都较好。
  毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗加工→最终热处理(淬火、回火、固溶时效成表面处理)→精加工→零件。
  预先热处理是为了改善切削加工性,并为最终热处理作好组织准备。大部分性能要求较高的零件,如各种合金钢、高强度铝合金制造的轴类、齿轮等零件,均采用这种工艺路线,它们的工艺性能都需要仔细分析。
  毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗车→调质→精车→去应力退火→粗磨→最终热处理(渗氮等)→精磨→稳定化处理(时效等)→零件。
  这类零件除了要求有较高的使用性能外,还要有很高的尺寸精度和小的表面粗糙度,由于加工路线复杂,性能和尺寸精度要求很高,因而零件所有材料的工艺性能应充分保证。这类零件有精密丝杠、镗床主轴等。
  零件选用的材料必须保证它的生产和使用的总成本最低。据有关资料统计,在一般的工业部门中,材料价格要占产品价格的30%~70%。所以在能满足使用要求的前提下,应尽可能采用廉价的材料,把产品的总成本降至最低,以便取得最大的经济效益,使产品在市场上具有较强的竞争力。零件总成本包括材料本身的价格与生产有关的其它一切费用。
  在满足零件对使用性能与工艺性能要求的前提下,能用铸铁不采用钢,能用非合金钢不用合金钢,能用硅锰钢不用铬镍钢,能用型材不用锻件、加工件,且尽量用加工性能好的材料。能正火使用的零件就不必调质处理。需要进行技术协作时,要选择加工技术好、加工费用低的工厂。材料来源要广,尽量采用符合我国资源情况的材料,如含铝超硬高速钢 (W6Mo5Cr3V2Al)具有与含钴高速钢(W18Cr4V2Co8)相似的性能,但是价格便宜。9Mn2V钢不含铬元素,性能与CrWMn钢相近,拉刀、长绞刀、长丝锥可采用来代替。
  非金属材料的资源丰富,性能也在不断提高,应用范围不断扩大,尤其是发展较快的聚合物具有很多优异的性能,在某些场合可代替金属材料,既改善了使用性能,又可降低制造成本和使用维护费用。因此,在保证使用性能的前提下,能够用非金属材料代替金属材料时,尽量使用非金属材料。
  零件的总成本包括原材料价格、零件的加工制造费用、管理费用、试验研究费和维修费等。在金属材料中,碳钢和铸铁(尤其是球墨铸铁)的价格比较低廉,并有较好的工艺性,所以在满足使用性能的条件下应优先选用。低合金钢的强度比碳钢高,总的经济效益也比较显著,有扩大使用的趋势。
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