机械工程中钢材选用探讨_詹武

机械工程中钢材选用探讨
詹武
(天津轻工业学院机械工程系,天津300222)
摘 要:
分析了合理选用工程材料的重要性,探讨了材料选用的原则,并提出了材料所要求的
性能-组织结构-选材及热处理工艺选用的设计思路、流程;还阐述了选材的方法及步骤;最后对结构件和工具件的选材设计进行了讨论。

关键词:
工程材料选用;材料选择设计思路及流程;选材的方法与步骤
中图分类号:T G141 文献标识码:B 文章编号:1000-3738(2001)12-0020-03
Exploration of Material Selection in Mechanical Engineering
ZHAN Wu
(T ianjin Light -Industry University ,T ianjin 300222,China)
Abstract:T his paper analyzes the importance of properly selecting the engineering materials,explores the general
principles of mater ial selection and produces t he desig n ideas and technolog ical process,namely,perfo rmance r equired by materia-l corresponding microsturcute -pro per selection of mater ial and heat treatment process.It also ex pounds the method and pr ocedure of material select ion and is concluded with t he ex ploration on the selection and desig n of constructional com -po nents and tool components.
Key words:engineer ing material selectio n;design idea and technolgo cal process of material selection;method and
procedure of material selection
1 引 言
工程材料的选择应用于产品的设计、制造、仿制、维修等场合。

它是获得好的产品的可靠保证,合
理地选择材料可使产品成本具有竞争力。

因此要达到优良的产品质量和经济性的途径之一是从多种可用的工程材料中,选择一种性能较佳的材料。

2 工程材料合理选用的原则
材料的选用要遵循/使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性应合理0的原则。

要求所选材料应贮备有足够的性能潜力,经热处理后能满足工作时的性能要求。

使用性能包括:力学性能(强度、塑性、韧性、硬度等)、化学性能(耐蚀性、抗氧化性)、物理性能(电、磁、光、声、热等性能)。

要求所选材料在加工制造时,首先能便于制造(尤其是在成批大量生产时),同时必须保证产品质量。

工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、
收稿日期:2000-12-04;修订日期:2001-04-07作者简介:詹武(1942-),男,副教授
热处理性能、切削加工性等。

材料选择应考虑我国的资源状况,不用或代用稀缺元素的材料,少用进口材料。

应考虑本地区、本单位对所选材料供应的可能性,充分注意市场现实供求状况。

并且希望品种规格尽量少而集中,便于采购管理。

所要求选择的材料在制造零件时,生产简单、成品率高、寿命长、成本低。

要统筹考虑产品的总成本与材料的一次成本的关系,产品的总成本应考虑以下因素:材料的价格M ;零件的自重W ;零件的寿命I ;零件的加工费用P ;试验研究费用R ;维修费用A 。

当总成本很高时,M 相对很低时要提高M ,应选价格较贵、性能较好的材料比较合理。

要符合价值工程原理:价值=功能/成本。

价值不仅包含材料的价格,还包含材料的功能和使用寿命等含义,所以能够比较全面反映选材的经济性。

3 材料选用的设计思路
3.1 性能-结构-选材-加工之间的关系
材料的性能与结构有着相互依存的关系,材料的性能取决于材料的组织结构,而组织结构又随选
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20#第25卷第12期2001年12月机 械 工 程 材 料
M aterials for Mechanical Engineering Vol.25 No.12Dec.2001
材和热处理及其他加工工艺的不同而变化。

利用这一原理可应用于实际选择材料和加工工艺。

其关系可表示为:材料要求的性能)))相对应的组织结构)))选择适当的材料、热处理及其它加工工艺。

这就是选材的设计思路,按照这一思路可逐步选出所需材料。

3.2选材设计的内容
(1)对零件提出什么样的性能要求。

(2)什么样的组织结构才能满足零件的性能要求。

(3)获得这样的组织结构,需选用什么样的材料,配合什么样的热处理及其它加工工艺。

3.3选材与选择热处理和其它加工工艺应该并行
(1)因为选材只是使材料获得足够性能潜力的贮备,但还没有发挥潜力,达到实际要求的性能。

(2)选择热处理工艺,可使材料贮备的性能潜力转化(处理)为实际的性能水平。

只有选材和选取热处理工艺同时进行,才能预测是否达到所要求的使用及工艺性能。

(3)选择铸、锻、焊等加工工艺与选材也是密切相连的,这些工艺也影响最后的实际性能。

并且这些工艺的可行性、加工质量的好坏、成本的高低均与选材有关,因此两者必须同时进行。

4选材设计的流程
工件实
际使用目标y
提出对
材料的
性能要
求
y
提出相
应的材
料组织
结构
y
初选材
料牌号
y
试验、调
整最后
选定材
料|{{|
确定材
料的类
别
y
材料的
组织结
构分析
y
选择相
应热处
理及其
它工艺
5选材的步骤
5.1明确工件实际使用目标
了解工件的功能、工作可靠性、寿命期限、成本要求等。

5.2分析工作条件、失效形式、加工方法等对选材
的影响
(1)工件的工作条件:受力状况包括受力的大小、受力的分布、受力的速度、受力的周期等;工作温度有高温、室温、低温之分;环境中腐蚀情况。

(2)工件的失效形式;包括磨损失效、断裂失效、变形失效、疲劳失效等。

(3)还需要考虑工件的可靠性、寿命、加工等因素对选材的影响。

5.3提出性能(力学及工艺性能)要求
性能的提出要有主有次,抓住主要矛盾。

性能指标要考虑尺寸效应的影响,确定性能指标可通过经验、类比、计算、试验等方法。

5.4确定所选材料的类别
材料类别包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料。

每一大类又分若干类别。

5.5提出与要求性能相对应的材料组织结构
分析有那些组织结构符合或接近所要求的性能,可提出多个方案。

5.6初步选择材料牌号及相应热处理与其它加工
工艺
什么样的组织结构需要配合什么样的热处理工艺或其它加工工艺。

可提出所有可供选择的方案,再淘汰掉明显不合理的设想,把注意力集中到看上去是现实的设想,考虑过去经验和现实生产条件、成本及供应,不断分析、研究、筛选、确定初步材料选用方案。

5.7评价、试验、调整、确定最佳材料
6结构件的选材设计
6.1结构件的性能要求
结构零件主要起到承载受力、传递运动、传递动力、改变运行方向等作用。

为了选材的方便,可把结构件的性能要求分解成两部分,见表1
表1结构件的性能
Table1Property of constructional components
整体性能局部性能
要求综合力学性能良好(强
韧性优),交变载荷时抗疲劳
性能要好
要求局部高强度、高耐磨性、
或要求其他的特殊性能
在加工制造时,整体性能可把整体结构采取整体处理获得,而局部性能可在局部部位进行热处理达到。

6.2结构件的选材设计(见表2)
6.3结构件选材设计举例
铣床、C6160车床主轴,M7475磨床主轴的选
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表2结构件的选材设计
Table2Material selection design of constructional components
性能组织结构设计选用材料选择热处理工艺
整体性能良好
综合
力学
性能
抗疲
劳性
好
S(索氏体)
S回(回火索氏体)
M板(板条马氏体)
T回(回火屈氏体)
B下(下贝氏体)
渗碳、氮、碳氮共渗组织
滚压、喷丸后压应力表层
M回、M板、B下
中碳钢(碳素或合金钢)
中碳钢(碳素或合金钢)
低碳或中碳钢
中、高碳钢
中、高碳钢
渗碳、氮、碳氮渗材料
中碳钢(碳素或合金钢)
参考上述选材
正火
调质
淬火(或高温均匀化淬火)
淬火+中温回火
等温淬火
表面渗碳、渗氮、碳氮共渗
表层滚压或喷丸处理
参考上述所选工艺
局部性能硬而
耐磨
等
局部表层M回
渗C、N、C-N、B、Cr层
局部硬质合金、工程陶瓷
中碳钢(碳素或合金钢)
相应渗元素材料
硬质合金、工程陶瓷等
局部火焰淬火或感应淬火
局部渗C、N、C-N、B、
局部装硬质合金工程陶瓷
材:
(1)工作条件:在滑动轴承支持下工作;中等或重载荷;转速较高;较高交变冲击。

(2)性能要求:整体综合力学性能及疲劳抗力高;局部的轴颈及锥体部分高硬度耐磨。

(3)组织结构设计:整体为S回;局部的轴颈及锥体部分表层为M回。

(4)选材:40Cr;45MnB;40M nVB。

(5)热处理:锻造)退火(或正火))调质(840 ~860e油淬+540~620e回火,220~280HB))轴颈及锥体部分高频淬火(860~880e)+回火(160~ 280e),表层40~55HRC。

7工具件的选材设计
7.1工具件的性能要求
工具件主要用作为刃具、量具、模具等工具零件,在选材时常常把它的性能要求分解为工作部分性能和其它部分性能来考虑,见表3。

加工制造时,可采用整体结构整体处理加局部处理,或采用组合结构分开制造及处理,而后组装。

表3工具件的性能
Table3Property of tool components
工件部分性能其它部分性能
主要要求高硬度、耐磨;其次起支撑、装拆作用;硬度
是一定强韧性、热硬性、抗咬合性可适当下降,强韧性适当增加
7.2工具件的选材设计(见表4)
7.3工具件选材设计举例
车刀、刨刀、镗刀的选材:
(1)工作条件:受很大的切削力和摩擦磨损;局部温度500~600e;冲击、交变载荷。

(2)性能要求:工作部分(切削部位)高硬度(> 62HRC)、高耐磨性、热硬性好;其它部分足够强韧性;工艺性较好、工作时不氧化、不粘结、化学稳定性好。

(3)结构设计:工作部位为M回+未溶碳化物,其它部位为S回或T回。

(4)选材:W6Mo5Cr4V2Al;W10Mo4Cr4V3Al; W6Mo5Cr4V2;W18Cr4V。

(5)热处理:锻造)球化退火)淬火(1200~ 1280e)+回火(550~620e)。

刃部64~69HRC;其它部分可降低硬度,适当提高强韧性。

表4工具件的选材设计
Table4Material selection design of tool components
性能组织结构设计选用材料选择热处理工艺
工作部分高硬
度及
耐磨
性等
M回+碳化物
M回
B下
M板
耐磨铸铁耐磨钢组织
硬质合金工程陶瓷组织
高碳钢(碳素或合金钢)
中碳钢(碳素或合金钢)
中、高碳钢或合金钢
低、中碳钢或合金钢
耐磨铸铁或ZGM n13
硬质合金、工程陶瓷
淬火+低温回火
火焰淬火或感应淬火
等温淬火
淬火(或高温均匀化淬火)
白口化等处理、水韧处理
相应加工处理
其他部分
强韧
性好
参考结构件组织结构整体材料或选组合材料其他部分强韧化处理#
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