机械零件的选材

机械零件的选材
在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择材料是一项十分重要的工作。

机械零件的设计不单是结构设计，还应包括材料和工艺的设计，故从事机械设计与制造的工程技术人员，必须掌握各种材料的特性，会正确选择和使用，并能初步分析机器及零件使用过程中出现的各种材料问题。

1、工程材料的强化方式：
固溶强化、加工硬化、细化组织强化、第二相强化、相变强化、复合强化。

2、工程材料的韧化途径：
细化晶粒、调整化学成分、形变热处理、低碳马氏体强韧化。

一、选材的基本原则
＊满足机件的使用性能要求
＊较好的加工工艺性
＊较好的经济性
1、材料的使用性能应能满足使用要求
使用性能与选材材料的使用性能是选材时考虑的最主要根据——首先要准确地判断零件所要求的主要使用性能。

（1）从工作条件及失效形式的分析提出使用性能要求
①承受载荷的类型及大小——如承受持久作用的静载荷，对弹性或塑性变形的抗力是最主要的使用性能；承受交变载荷，则疲劳抗力是重要的使用性能。

②工作环境——温度、介质的性质等
③特殊要求的性能——电、热、磁、比重、外观等
失效分析为正确选材提供了重要依据，其目的是找出零件损坏的原因。

如失效分析证明零件损坏确系选材不当所致，则可通过选择合适的材料来防止失效。

（2）从使用性能要求提出机械、物理、化学等性能要求使用性能要求→可测的实验室性能指标→初选
一般根据设计手册的数据选材，应注意：
﹡材料的性能与加工、处理条件有密切的关系。

﹡材料的性能与加工处理时试样毛坯的尺寸有很大关系。

﹡材料的化学成分、加工处理的工艺参数、性能都有一个允许的波动范围
只要零件的尺寸、处理条件与手册所给的相同，按手册性能选材是偏安全的
手册一般给出：σs 、σb 、δ、ψ、ak
目前工程上往往用硬度来作为零件的质量检验标准（简单、非破坏性、硬度与其他性能之间有大致固定的关系），此时还须对处理工艺（主要是热处理工艺）作出明确规定。

2、材料的工艺性应满足加工要求
材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然是选材时必须考虑的重要问题。

在选材中，同使用性能比较，工艺性能处
于次要地位，但在某些情况下，如大量生产时，工艺性能则可能成为选材考虑的主要依据。

实际选材时，一般是从零件的工艺路线中提出对材料的工艺性能要求。

金属零件按其形状、性能要求，可有很多种不同的加工工艺路线。

钢铁零件的工艺路线大体可分为三类：
①性能要求不高的一般零件（一般用铸铁、碳钢制造）
毛坯→正火或退火→机械加工→零件
②性能要求较高的一般零件（合金钢、高强度铝合金）
毛坯→预先热处理（正火或退火）→粗加工→最终热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等）→精加工
③要求较高的精密零件
毛坯→预先热处理（正火或退火）→粗加工→热处理（淬火回火、固溶时效、化学处理等）→半精加工→稳定化处理→精加工→稳定化处理→零件
高耐磨性者还须进行氮化处理
金属材料的加工工艺性能有：
铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。

如果设计的是铸件，最好选择共晶合金；设计锻件、冲压件，最好选择固溶体的合金；设计焊接件，则不应选用铸铁、铜合金、
铝合金，应选低碳钢或低碳合金钢；绝大部分机械零件都要经过切削加工，一般将钢铁材料的硬度控制在160~230HBS 。

制造高强度及大截面、形状复杂的零件，须选用合金钢。

3、材料的价格和总成本应经济、低廉
经济性是选材必须考虑的重要问题。

选材的经济性不单指选用的材料本身的价格应便宜，更重要的是应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状况和供应情况，其品种、规格应尽量少而集中。

零件的总成本包括：材料的价格、零件自重、零件寿命、零件加工费用、试验研究费、维修费用等
另外还应考虑可持续性（环保、资源等）
一般的说，在满足零件机械性能的前提下，选用碳钢、铸铁可降低成本。

现在用球墨铸铁代替锻钢制造曲轴、齿轮等重要零件，不仅降低了成本，而且节约了加工工时，延长了使用寿命。

由于低合金钢强度比碳钢高，工艺性能接近碳钢，故在有些情况下，选用低合金钢往往经济效益比较显著。

二、选材的一般一般步骤及具体方法
1、零件材料选择的步骤
1）在分析零件的工作条件、形状尺寸与应力状态后，确定零件的技术条件。

2）通过分析或试验，结合同类零件失效分析结果，找出零件在实际使用中的主要和次要失效抗力指标，以此作为选材的依据。

3）根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，通过比较选择合适材料。

4）审核所选材料的生产经济性。

5）试验、投产。

2、零件选材的具体方法简介
新设计的关键零件通常应进行力学性能试验；按力学性能选材，具体方法有以下三种类别：
1）以综合力学性能为主进行选材；P257-258
2）以疲劳强度为主进行选材；P258
3）以磨损为主进行选材。

P258-260
典型零件的选材实例分析
一、工程材料应用概括
金属、陶瓷和高分子材料是三类最重要的工程材料，各有特性，故各有其最合适的用途。

高分子材料——强度、刚度、疲劳强度、冲击韧性均较低，不耐高温。

目前还很少用于制造重要的机器结构零件。

但因其减振性、减摩性、耐蚀性好，比重很小，常制轻载传动齿轮、轴承、密封垫圈等。

陶瓷材料——性太脆，不能用于制造重要的受力构件。

但其化学稳定性、热硬性好，硬度高，常用于制造高温下工作的零件如燃烧器、喷嘴等，及切削刀具、某些耐磨零件、石油化工容器等耐蚀件。

金属材料具有最优良的综合机械性能，强度高、韧性好、疲劳抗力也高，可用来制造各种重要的机器零件和工程结构，钢铁目前仍是最重要的结构材料。

二、机床零件用材分析
其工作条件较好、受力较小，故大多数零件选材时，刚度是要考虑的主要问题。

机床大部分零件不必采用高级材料制造，而是采用碳钢和铸铁。

1、机床主轴
①轻载主轴（如普通车床主轴）——一般用45钢，经调质或正火，在要求耐磨部位采用高频表面淬火
②中载主轴（如铣床主轴）——一般用40Cr、45钢或球
墨铸铁，经调质处理，耐磨部位表面淬火强化。

③重载主轴（如组合机床主轴）——一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火、回火处理
④高精度主轴（如精密镗床主轴）——一般用38CrMoAl钢制造，经调质处理后进行氮化处理及尺寸稳定化处理
2、机床齿轮
①轻载齿轮——45钢，正火或调质
②中载齿轮（主传动系统及进给系统中的齿轮）——45钢经正火或调质处理加高频表面淬火强化或40Cr钢经调质处理加高频表面淬火强化
③重载齿轮——20Cr或20CrMnTi ，经渗碳加淬火、低温回火
3、机床导轨
常用灰铸铁HT200或高磷耐磨铸铁等制造，可进行表面淬火处理，要进行长期的稳定尺寸的人工时效处理
三、汽车零件用材分析
工作条件比机床复杂得多：受力非常复杂，常受较大的冲击和过载；工作环境恶劣，要在变化很大的温度、湿度及尘土飞
扬的条件下工作。

采用低合金高强钢，可提高材料的比强度，从而减轻汽车自重，提高重量利用系数（载重量/自重），降低油耗和汽车成本。

汽车的结构大体分为四部分：
发动机部分（汽缸体、活塞、连杆、曲轴、进排气阀等）
底盘部分（离合器、变速箱、传动轴、车架、轮胎、方向盘、制动片、气泵等）
车身部分（驾驶室、车厢等）
电气部分（起动、点火、照明、讯号等）
发动机零件用材：
缸体、缸盖、飞轮——HT200去应力退火；或用ZL104做缸体、缸盖，须淬火+时效处理
曲轴——QT600-02或锻钢，经表面淬火或氮化
活塞销——20、20Cr、20CrMnTi经渗碳、淬火、低温回火
活塞——ZL108、ZL110经淬火+时效
气门弹簧——65Mn、50CrVA经淬火+中温回火
北京牌吉普车后桥圆锥齿轮——20CrMnTi 经渗碳、淬火、低温回火，渗碳层1.2~1.6mm ，齿面硬HRC58~62，心部硬度HRC33~48
工艺路线：
下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨
削加工。