第十章 工程材料与热加工工艺的选用

使用性能选材原则
4．材料的预选 根据对零部件材料性能指标数据的要求查阅有关手册 ，找到合适的材料，根据这些材料的大致应用范围进 行判断、选材。 除了根据力学性能选材之外，对于在高温和腐蚀介质 中工作的零件还要求材料具有优良的化学稳定性，即 抗氧化性和耐腐蚀性；此外，有些零件要求具有特殊 性能，如电性能、磁性能或热性能等，这时就应根据 材料的物理性能和化学性能进行选材。
疲劳断裂
屈强比、疲劳强度
连杆
拉、压
循环、冲 击
断裂
综合力学性能
轴承
压
循环、冲 击
磨损、麻点剥落、疲劳 断裂
硬度、按触疲劳强度
冷作模具
复杂
循环、冲 击
磨损、断裂
硬度、足够的强度和韧 性
使用性能选材原则
2、分析零部件的失效原因，确定主要使用性能
对零部件使用性能的要求，往往是多项的。例如传动 轴，要求其具有高的疲劳强度、韧性和轴颈的耐磨性。 因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致 失效的主导因素，准确确定出零部件所必需的主要使 用性能。例如，曲轴在工作时承受冲击、交变等载荷 作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳 断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要 使用性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也 可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。
第十章 工程材料与热加工工艺的选用
第一节 零件的失效分析 第二节 材料与成形工艺的选择原则
第一节 零件的失效分析
一、失效与失效分析
所谓失效是指工程结构或零部件在使用过程中， 由于尺寸、形状或材料组织与性能等的变化而失去所 具有的效能的现象。
一般来说，零件有下列情况之一时，即认定为失 效：零件完全破坏，不能继续工作；虽能工作，但不 能保证安全；虽保证安全，但不能保证精度或起不到 预定的作用。
工艺性能选材原则
（二）工艺性能原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何 零部件都要通过一定的加工工艺才能制造出来。 因此在满足使用性能选材的同时，必须兼顾材料 的工艺性能。工艺性能的好坏，直接影响零部件 的质量、生产效率和成本。一般在选材中，材料 的工艺性能与使用性能相比，处于次要地位。但 有时正是从工艺性能考虑，使得某些使用性能合 格的材料不得不被放弃，此时工艺性能成为选择 材料的主导因素。
经济性能选材原则
表10-2 我国常用金属材料的相对价格
二、成形方法选择原则
（一）适用性原则 适用性原则指材料的成形方法要满足零件的使用 性能和工艺性能要求。 1．满足使用性能 零件的使用性能要求体现在对其形状、尺寸、加 工精度、表面粗糙度等外部质量，以及对其化学 成分、组织结构、力学性能、物理性能、化学性 能等内部质量的要求上。满足零件的使用性能要 求是保证零件完成规定功能的必要条件，是材料 成形方法选择应考虑的首要问题。
使用性能选材原则
使用性能简要分类
使用性能要求的简单分类
分类
典型性能
用途举例
力学性能
强度
刚度 韧性
各机械装置、承载结构零件，如齿轮、轴、螺栓、连 杆等
物理性能
密度
航天航空、运动机械
导热性
热交换器、隔热保温装置
导电性
电机电器、输变电设备
化学性能
耐热性 耐蚀性
ຫໍສະໝຸດ Baidu
热工动力机械与加热设备、化工设备、海洋平台、船 舶与户外结构
三、零件失效的原因
造成零件失效的原因是多 方面的，其主要原因有以 下几个方面： （一）零件设计不合理 （二）选材不当 （三）加工工艺不合理 （四）装配及使用不正确
零件失效的主要原因 设计思想有误 设计 工作条件分析错误 结构外形不合理 材料 选材不当 材质低劣（冶金缺陷） 加工 各种热加工缺陷 各种冷加工缺陷 安装不良 使用 维护不善 操作不当 过载使用
5．低温脆性断裂失效
3．低应力脆性断裂失效 6．蠕变断裂失效
二、零件的失效形式
（二）变形失效 在外力作用下零件发生整体或局部的过量弹性变 形或塑性变形导致整个机器或设备无法正常工作， 或者能正常工作但保证不了产品质量的现象，称 之为变形失效。 1.弹性变形失效 2.塑性变形失效
二、零件的失效形式
功能特性 电磁、声、光、热等性能 功能器件，敏感元件，如太阳能电池、压电器件等
使用性能选材原则
1、分析零部件的工作条件，确定使用性能
零部件的工作条件是复杂的。工作条件分析包括受力 状态（如拉、压、弯、扭、剪切等）、载荷性质（静 载荷、动载荷、交变载荷）、载荷大小及分布、工作 温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑 剂、海水、酸、碱、盐）、对零部件的特殊性能要求 （电、磁、热）等。在对工作条件进行全面分析的基 础上确定零部件的使用性能。
四、失效分析过程
零件失效的原因是多种多样的，实际情况往往非 常复杂，一个零件的失效可能是多种因素共同作 用的结果。因此，必须根据零件损坏特征仔细调 查研究，分析判断，找出主要原因。 失效分析过程是一项系统工程，必须对零件设计、 选材、工艺和安装使用等各方面进行系统分析， 才能找出失效原因。失效分析的过程如下： （一）现场调查研究 （二）整理分析 （三）试验分析 （四）综合分析得出结论
环保性原则
（三）环保性原则
环保性原则是指在材料成形过程中能量耗费少， CO2产生少；贵重资源用量少；废弃物少，再生处 理容易，能够实现再循环；不使用、不产生对环 境有害的物质。材料成形方法的选择必须考虑环 境保护问题，尽可能循环利用，对废弃物进行综 合治理，使生产过程中资源得到最大限度的利用 ，符合低碳经济发展方向。
适用性原则
表10-3 几种成形加工方法的材料利用率与单位能耗
适用性原则
2．加工费用
尽量选择加工成本较低的成形方法。例如，制造内腔 较大的零件时，采用铸造或旋压加工成型比采用实心 锻件经切削加工制造内腔要便宜。对于形状复杂的零 件如果能采用焊接结构，可比整体锻造后机械加工成 形更为方便。
经济性原则
二、零件的失效形式
零件失效形式多种多样，通常按零件的工作条件 及失效的宏观表现和规律将失效分为：断裂失效、 变形失效、表面损伤失效及材料老化失效等。
（一）断裂失效
断裂失效是机械零件的主要失效形式，指零件在 工作过程中完全断裂而导致整个机械设备无法工 作的现象。
1．韧性断裂失效
4．环境断裂
2．疲劳断裂失效
第二节 材料与成形工艺的选择原则
研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一 就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相应 的加工方法的最佳组合。由于所能采用的材料和加工 方法很多，因而材料的选用通常是一个复杂而困难的 判断、优化过程。在掌握各种工程材料性能的基础上， 正确、合理地选择和使用材料是从事工程结构和机械 零件设计与制造工程技术人员的一项重要任务。
工艺性能选材原则
1．金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指金属适应某种加工工艺的 能力。金属材料的加工工艺复杂，要求的工艺性能 较多，主要有机械加工性能、材料的成形性能（铸 造、压力加工、焊接）和热处理性能（淬透性、变 形、氧化和脱碳倾向等）。
工艺性能选材原则
2．高分子材料工艺性能 高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成形加工 ，成形加工方法也比较多。高分子材料的切削加工 性能尚好，但由于高分子材料的导热性差，在切削 过程中易使工件温度急剧升高，使热塑性塑料变软 ，使热固性塑料烧焦。
一、材料选择原则
（一）使用性能原则 使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件， 它是选材的最主要依据。使用性能主要是指零件 在使用状态下应具有的力学性能、物理性能和化 学性能。对于机械零件，最重要的使用性能是力 学性能，对零部件力学性能的要求，一般是在分 析零部件的工作条件（温度、受力状态、环境介 质等）和失效形式的基础上提出来的。根据使用 性能选材的步骤如下：
几种常用零部件的工作条件及对性能要求
工作条件
零部件 承受应力 载荷性质
失效形式
主要力学性能
紧固螺栓 拉、剪 静 过量变形、断裂
强度、塑性
传动齿轮
压、弯
循环、冲 磨损、麻点、剥落、疲 表面硬度、疲劳强度、
击 劳断裂
心部韧性
传动轴
弯、剪
循环、冲 击
疲劳断裂、过量变形、 轴颈磨损
综合力学性能
弹簧
弯、剪
循环、冲 击
经济性原则
2．满足工艺性能 工艺性能包括铸造性能、可锻性、可焊性、热处理性 能及切削加工性能等。满足工艺性能是指所选择的成 形方法与毛坯的材料和结构之间相适应。成形加工工 艺性的好坏影响到零件加工的难易程度、生产效率及 成本等。故选择成形方法时，必须注意零件材料和结 构所能适应的加工工艺性。
经济性原则
（三）表面损伤失效 由于磨损、疲劳、腐蚀等原因，使零部件表面失 去正常工作所必须的形状、尺寸或表面粗糙度造 成的失效，称为表面损伤失效。 1.磨损失效 2.腐蚀失效 3.接触疲劳失效
二、零件的失效形式
（四）材料的老化 高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬 或变软、变粘等现象，从而失去原有性能指标的 现象，称为高分子材料的老化。老化是高分子材 料不可避免的。
工艺性能选材原则
3．陶瓷材料的工艺性能 陶瓷材料的加工工艺也比较简单，主要工艺是成形 。按零部件的形状、尺寸精度和性能要求的不同， 可采用不同的成形加工方法（粉浆、热压、挤压、 可塑）。陶瓷材料的切削加工性差，除了采用碳化 硅或金刚石砂轮进行磨削加工外，几乎不能进行任 何切削加工。
经济性能选材原则
（二）经济性原则 在所选择的成形方法满足适应性原则的前提下， 应对可选的成形方案进行经济分析，选择成本低 廉的方案。 1．材料的利用率 前面介绍了材料价格对选材的影响，在关注材料 价格的同时，也要致力于提高材料的利用率。成 形方法选择应尽量使毛坯尺寸、形状与成品零件 相近，从而减少加工余量，提高材料的利用率， 减少机械加工工作量。
（三）经济性能原则 选材的经济性原则是在满足使用性能和工艺性能 要求的前提下，采用便宜的材料，使零部件的总 成本，包括材料的价格、加工费、试验研究费、 维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重， 据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价 格的30%～70%，因此设计人员要十分关心材料的 市场价格。
使用性能选材原则
3．将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指 标的要求 有了对零部件使用性能的要求，还不能马上进行选材 ，还需要通过分析、计算或模拟试验将使用性能要求 转化成可测量的实验室性能指标。根据零部件的尺寸 及工作时所承受的载荷，计算出应力分布，再由工作 应力、使用寿命或安全性与材料性能指标的关系，确 定性能指标的具体数值。
3．实际生产条件
现有生产条件是指生产产品的设备能力，人员技术水 平及外协可能性等。在一般情况下，应正确分析企业 的实际生产条件和工艺水平，充分利用本企业的现有 条件完成生产任务。例如生产重型机械产品时（例如 万吨水压机），当现场没有大容量的炼钢炉和大吨位 的起重运输设备的条件下，可以适当改变零件的加工 方式，选用铸造与焊接联合成形的工艺，即首先将大 件分成几小块铸造后，再用焊接拼焊成大铸件。当生 产条件不能满足产品生产的要求时，可选择对原有设 备进行适当的技术改造或与外企业进行协作解决。
第十章 结束!