7.1机械工程材料合理选用的基本原则

•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级第7章机械工程材料的合理选用RationalSelectionandApplicationofMechanicalEngineeringMaterials主要问题提示(Keyquestionsandclues)•1.您能分析与说明机械工程材料合理选用的基本原则吗？•2.气轮机叶片常见的失效形式有哪些？叶片材料的选择主要取决于什么，请结合材料的选择说明之。•3.如何进行齿轮、轴类这两类典型零件的合理选材分析呢？您能正确制定其加工工艺路线及相应的热处理工艺吗？从比较这两类典型零件的选材特点，可以得出何种结论呢？•4.您熟悉金属材料常见的三种加工工艺路线吗？学习重点与方法提示（Hintsforthemainpointsandmethodstobestudied）•本章是该课程教学的第4个重点，它实际上是前述各章知识内容的综合应用，也是学习本课程的落脚点——即初步做到能正确、合理地选用工程材料，安排其加工工艺路线的能力。•因此，本章教学的重点为机械零件合理选材的基本原则与典型零件（齿轮和轴类）选材综合分析的思路与方法。•本章学习方法提示：紧紧把握贯串材料科学的主线索（材料的成分－组织结构－加工工艺－失效分析－性能－应用），综合运用前述各章知识内容，熟记合理选材的基本原则；•以典型机械零件（齿轮、轴类）选材分析为例，初步学会综合分析问题、解决问题的思路与方法。•有条件情况下，请结合工厂调查研究，尝试分析一种典型机械零件（如车刀，某汽车发动机曲轴等）的合理选材与正确制定其加工工艺路线。7.1机械工程材料合理选用的基本原则FundamentalsofRationalSelectionandapplicationforMechanicalEngineeringMaterials•7.1.1充分考虑材料的使用性能原则(Fullyconsideringusabilityfundamentalsofengineeringmaterials)•7.1.2必须兼顾材料的工艺性能原则(Technologicalpropertiesfundamentalsmustbetakencareoftheneeds)•7.1.3注重选材的经济性原则(Consideringeconomicfundamentalsofmaterialsselectiontobeimportant)•7.1.4走可持续发展之路，选择生态环境材料（绿色材料）（Insistingonacontinuousdevelopmentalwayandselectingecologicalecomaterials）7.1.1充分考虑材料的使用性能原则(Fullyconsideringusabilityfundamentalsofengineeringmaterials)•零件的使用性能是保证工作时安全可靠、经久耐用的必要条件。在大多数情况下是选材时首要考虑的问题，而一般机械零件使用时又主要考虑其中力学性能。其基本思路如图0.1所示,主要考虑以下使用性能指标。•1.分析零件的工作条件，初步确定零件的使用性能指标•零件工作条件的分析包括以下三方面内容。•（1）零件的受力情况(即载荷形式、类型、大小和分布等)要判明是受拉伸、压缩、扭转、剪切或弯曲载荷中的哪一种；是静、动还是交变载荷;载荷的大小及分布状况（均匀分布或有较大的局部应力集中）等。•（2）零件的工作环境主要指温度和环境介质的性质，是否有腐蚀性等。•（3）零件特殊性能要求如电、磁、热等及密度、外观、色泽等，都要加以分析、对比。•在上述工作条件分析基础上确定零件的使用性能。例如静载时，材料对弹性或塑性变形抗力是主要使用性能;交变载荷时，疲劳抗力是主要使用性能等。但上述分析带有一定预估主观性，难免会对零件实际工作条件下的某些因素估计不足，甚至由于人为忽略某些因素而产生一定偏差，为此还须进行失效分析。0.1贯穿《机械工程材料》全课程的“纲”→7.1.1充分考虑材料的使用性能原则(Fullyconsideringusabilityfundamentalsofengineeringmaterials)•2.对零件进行失效分析，最终确定其主要的使用性能指标•失效分析的目的就是要找出产生失效的主导因素，为较准确地确定零件主要使用性能提供经过实践检验的可靠依据。例如，长期以来，人们认为发动机曲轴的主要使用性能是高的冲击抗力和耐磨性，必须选用45钢。而失效分析结果表明，曲轴的失效方式主要是疲劳断裂，其主要使用性能应是疲劳抗力。所以，以疲劳强度为主要失效抗力指标来设计、制造曲轴，其质量和寿命显著提高，而且在一定条件下可选用球墨铸铁来制造。0.1贯穿《机械工程材料》全课程的“纲”7.1.1充分考虑材料的使用性能原则(Fullyconsideringusabilityfundamentalsofengineeringmaterials)•3.将零件使用性能转化为材料的使用性能指标•在零件工作条件和失效分析的基础上确定了零件的使用性能要求，然后将其转化为某些可测量的实验室性能指标，如强度、硬度、韧性、耐磨性等具体数值。这是选材最关键最困难的一步。确定具体性能指标后即可利用手册或实验数据进行选材。•（1）根据力学性能选材应充分考虑的几点•①材料的性能与加工、处理条件的关系材料的力学性能不仅决定于化学成分，且也决定于其加工处理后状态。因此在选材的同时，需考虑相应加工、处理条件，特别是热处理工艺，确定热处理技术要求，以确保零件质量，充分发挥材料潜力。•②材料的尺寸效应指材料截面大小不同，即使热处理相同，其力学性能也会产生很大差异。随截面尺寸增大，材料的力学性能将下降，这种现象称为材料的“尺寸效应”。金属材料，特别是钢材的尺寸效应尤为显著，随尺寸加大，其强度(Rm、ReL)、塑性(A、Z)、冲击吸收功（AK）均下降，尤以韧度下降最为明显。淬透性越低的钢，尺寸效应就越明显。•③材料的缺口敏感性实验所用试样形状简单且多为光滑试样。但实际使用零件中，如台阶、键槽、螺纹、焊缝、刀痕、裂纹、夹杂等都是不可避免的，其皆为“缺口”。在复杂应力下，这些缺口处将产生严重的应力集中。因此，光滑试样拉伸试验时，可表现出高强度与足够塑性，而实际使用时就表现为低强度、高脆性。且材料越硬、应力越复杂，表现越敏感。例如，正火45钢光滑试样的弯曲疲劳极限为280MPa，而用其制造带直角键槽轴的弯曲疲劳极限则为140MPa；若改成圆角键槽的轴，其弯曲疲劳极限则为220MPa。因此在应用性能指标时，必须结合零件的实际条件修正。必要时，可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。3.将零件使用性能转化为材料的使用性能指标（1）根据力学性能选材应充分考虑的几点•④硬度值在设计中的作用由于硬度值的测定方法既简便又不破坏零件，并且在确定条件下与某些力学性能有大致的固定关系，所以在设计和实际生产过程中，往往用硬度值作为控制材料性能和质量检验标准。但应明确，它也有很大的局限性。例如，硬度对材料的组织不够敏感，经不同处理的材料可获得相同的硬度值，而其它力学性能却相差很大，因而不能确保零件的使用安全。所以，设计中在给出硬度值的同时，还必须对处理工艺(主要是热处理工艺)作出明确的规定。•（2）还应注意特殊条件下工作零件应具备特殊性能要求除根据力学性能选材外，对于特殊条件下工作(如高温和腐蚀介质中等特殊条件下工作)的零件还要求材料具有特殊的物理、化学性能(如优良的化学稳定性即抗氧化性和耐腐蚀性)等。•4.热处理技术条件的标注•根据零件的工作特性，提出热处理技术条件。图纸上要求书写相应的工艺名称，如调质、正火、退火等。并标注其硬度值范围，其波动范围一般为:C级洛氏硬度HRC在5个单位左右，布氏硬度在30～40个单位左右。7.1.2必须兼顾材料的工艺性能原则(Technologicalpropertiesfundamentalsmustbetakencareoftheneeds)•所谓材料的工艺性能，即指材料加工成零件的难易程度，它也应是选材时必须考虑的重要问题。选用工艺性能良好的材料，是确保产品质量、提高加工效率、降低工艺成本的重要条件之一。它包括材料(零件)的加工工艺路线和材料的工艺性能两个方面。•1.工程材料的加工工艺路线•设计者通常根据零件的形状、最终性能要求、尺寸精度及表面粗糙度的要求，以及按照使用性能初选出来的材料，综合考虑，制定出零件的加工工艺路线方案。常见工程材料一般加工工艺路线概括如下:•（1）聚合物材料•聚合物材料(有机物原料或型材)→成型加工（热压、注塑、热挤、喷射、真空成形等）→切削加工，或热处理、焊接等→零件。•（2）陶瓷材料•陶瓷材料(氧化物、碳化物、氮化物等粉末)→成型加工（配料→压制→烧结）→磨削加工，或热处理→零件。1.工程材料的加工工艺路线•（3）金属材料•按零件形状及性能要求可以有不同的加工工艺路线，大致分为三类。•①性能要求不高的一般零件(如铸铁、碳钢、低碳低合金钢件等)：坯料（冷冲压、铸或锻、焊接或型材）→热处理（正火或退火）→机械加工(切削)→零件；•②性能要求较高的机械零件(如合金钢、高强铝合金等)：坯料（型材或锻造）→预先热处理（正火或退火）→粗机械(切削)加工→最终热处理（淬、回火，或固溶+时效，或表面热处理等）→精加工→零件；•③性能要求较高的精密零件(如合金钢制造的精密丝杠、镗床主轴等)：坯料（型材或锻造）→预先热处理（正火或退火）→粗机械加工→最终热处理（淬、回火，或固溶+时效，或表面热处理）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件。•性能要求较高的零件用材，多采用合金钢或优质合金钢来制造，这些材料的工艺性能一般都较差，因此必须十分重视其工艺性能的分析。真空成形2.工程材料的工艺性能分析•当用聚合物材料制造零件时，其主要工艺为成型加工，且工艺性能良好，所用工具为成型摸，具体成型方法如注射成型法、挤压成型法、模压成型法、吹塑成型法、真空成型法等。聚合物一般也易于进行切削加工，但因其导热性较差，在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化（热塑性塑料）和烧焦（热固性塑料）现象。少数情况下，聚合物还可焊接与热处理，其工艺简单易行。注射成形挤压成形吹塑成形层压成形2.工程材料的工艺性能分析•陶瓷材料硬而脆且导热性较差，其制品加工工艺路线亦较简单。主要为成型（包括高温烧结），根据陶瓷制品的材料、性能要求、形状尺寸精度及生产率不同，可选用粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型等方法。陶瓷材料的切削加工性能极差，除极少数陶瓷外（如氮化硼陶瓷），其它陶瓷均不可切削加工。陶瓷虽可磨削加工，但磨削性能也不佳，且必选用超硬材料砂轮（如金刚石砂轮）。陶瓷也可热处理，但因导热性与耐热冲击性差，故加热与冷却时应小心，否则极易产生裂纹。陶瓷材料滚压成形注浆成形热压注成形等静压成形2.工程材料的工艺性能分析•金属材料，特别是钢的加工工艺复杂，工艺性能问题较为突出，故对其工艺性能的要求较高。金属材料的加工工艺性能主要包括:•（1）铸造性能它包括流动性、收缩性、偏析倾向等。从二元相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。所以铸造铝和铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，而铸铁又优于铸钢；在钢的范围内，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用作铸件。因此，对于承载不大、受力简单而结构复杂、尤其是有复杂内腔结构的零部件，如机床床身，发动机气缸等，常选用铸件。•（2）压力加工（锻压）性能主要指冷、热压力加工时的塑性和变形抗力及可热塑性加工的温度范围、抗氧化性和加热、冷却要求等。变形铝合金和铜合金、低碳钢和低碳合金钢的塑性好，有较好的冷压加工性，铸铁和铸铝合金完全不能进行冷、热压力加工，高碳合金钢如高速钢，Cr12MoV钢等不能进行冷压力加工，其热压力加工性能也较差，高温合金的热压力加工性能则更差。•（3）焊接性能系指在生产条件下接受焊接的能力，称为可焊性，一般用焊缝处出现裂纹、脆性、气孔等缺陷的倾向来衡量。