材料工程设计第2讲

10.经济性与选材

材料的经济性是选材的主要原则之一，它涉及到材料成本的高低， 供应是否充分，加工过程是否复杂，成品率的高低以及同一产品中 使用材料种类的多少。包括了材料的成本、产品的冷热加工成本、 使用成泵以及资源与环境成本。 材料成本：一般用单位重量成本（如碳素结构钢）或单位体积成本 （如：某些聚合物材料）来表示的材料的成本，也称为材料的一次。 有人以成本、体积、抗拉强度为基础对材料进行对比选用，有人以 成本、体积、比强度为基础对材料进行对比选用。可以看出，在要 求较高比强度的应用场合，很多聚合物、混凝土、木材和镁合金铸 件比结构钢更便宜。在满足材料使用性能的前提条件下，尽量选用 成本较低的材料，将使用贵金属材料减少到最低限度。如：用聚合 物塑料代替金属，用轻金属代替重金属。此外材料资源的相对稳定 性，材料在制造过程中的利用率，材料的工艺成本，回用性及回收 成本都将影响到零件的成本。
图2-1 性能成本综合选材发流程
3.使用性能与选材




材料的使用性能（service feature╱performance)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，它是零件完成规定功能对材料的基本要求。在大多数 情况下，这是选材首先应该考虑的问题。 实际零件的服役条件是较为复杂的，对力学性能的要求有 多种形式。零件使用过程中对力学性能的要求是在分析零 件服役条件和失效形式的基础上提出的 从受力状态来分，有拉伸、压、弯、扭等应力；从载荷性 质来分，有静载荷、动载荷；从工作温度来分，有低温、 室温、高温、交变温度等；从环境介质来看，有加润滑剂 的，有 酸、碱、盐、淡水、粉末等环境介质。对于功能 材料，还要考虑物理性要求，如电导性、磁导性、热导性、 热膨胀性、„„等。 通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确立零件对 使用性能的具体要求。

9.选材的工艺性因素

当工艺性能和力学性能相悖时，原则上应是先考虑材料的使用 性能，但有时在满足材料工作的最低使用性能要求前提下，选 择工艺性能更好的材料，而舍弃某些力学性能更优越及使用性 能更优秀的材料。这对于大批量生产的零件尤为重要。在大批 量生产时，工艺周期的长短、工艺质量及稳定性、加工费用的 高低、常常是决定选材的关键因素。 尽量选用工艺简单的材料。如： 冷拔硬化钢料具有良好的强度、 韧性，加工成型后一般不需热处理，且其还有良好的切削性能； 自动加工机床选用易切钢，可以延长刀具寿命，提高生产率、 改善零件的表面粗糙度；用低碳钢淬火（低碳马氏体）代替中 碳钢调质，热处理工艺性大大改善，不易淬火变形和开裂、不 易脱碳，其加工工艺性也可得到改善； 在机械制造业中还常常 考虑以铁代钢、铸代锻、以焊代铆、大大简化工艺，同时还降 低了成本。


6.克服性能选材的复杂性和不确定性的途径

实际材料性能数据的散乱性主要是由于在生产过程中由于各种因素造成的 材质缺陷不确定性造成的，因此，在选材时，必须提出对材质进行分析的技 术规定，明确材料基本成分和杂质的含量，以及各式各样的宏观、微观以至 超微观缺陷，弄清这些材质因素对材料失效抗力指标的影响程度。 克服第二方面的“不正确性”的途径，在于使试验室的试验结果与服役状 态下的性能紧密联系起来。表2-1列出的几种典型机器零件的服役条件、常 见失效方式及选材的主要抗力指标仅仅是一个粗略的概括，对于某一特定机 器中的特定零件而言，还需要视具体情况作具体分析。 对一个零件失效形式和服役性能确定的最好是通过实际运转考验，真实零 件进行超载荷破坏性试验（如：曲轴的超载、超速试验，汽轮机叶片的飞 逸试验等），以实际零件作为试样模拟服役条件的实验室试验（如：汽车 齿轮的台架疲劳试验、钢轨的疲劳试验等）。但这三种试验所得结果只能评 定材料在制造零件时的特有性态，不能代替材料本身的基本机械性能试验。 只有与材料性能试验相结合，才能提出对这种零件而言那几种机械性能指标 是主要失效抗力指标，并验证设计时用于评价材料的主要失效抗力指标是否 恰当。
齿 轮 螺旋弹簧 板弹簧
疲劳冲击 疲劳 疲劳
磨损
脆断、表面变化、疲劳、磨损尺寸变化 过量变形、脆断、疲劳、腐蚀 过量变形、脆断、疲劳、腐蚀
滚动轴承
疲劳冲击
压接触
磨损
脆断、表面变化、疲劳、尺寸变化、腐蚀
接触疲劳、耐磨性、耐蚀性
扭转弯曲疲劳强度、耐磨性、 循环韧性 拉压疲劳
曲 轴
疲劳冲击
弯扭
磨损
脆断、表面变化、疲劳、尺寸变化、咬蚀


7.性能选材举例





设计大型载重汽车的发动机曲轴时，考虑到曲轴所承受的负荷 主要为扭转和弯曲的交变应力。 以扭转为主，如果失效的主要原因不是过度变形，而是疲劳断 裂，同时考虑到曲轴形状是有一定变化并有油孔存在，那么应 该以缺口扭转疲劳断裂抗力为设计计算及选用材料的主要依据。 进一步考虑到扭转疲劳行为在一定程度上与尺寸因素和表面因 素有关，而试验室扭转疲劳试棒的尺寸远小于曲轴的尺寸，表 面是经过磨光的，因此，选材时应提出尺寸因素和加工表面因 素的要求。 若再进一步考虑到曲轴在运转中可能发生扭转振动甚至达到谐 振，而曲轴的形状不允许采取外部消振的措施，这就要依靠材 料本身的循环韧性来达到消振的目的，因此可以提出循环韧性 作为另一附加条件。 综合考虑选用稀土球磨铸铁作为曲轴材料。此外为了保证轴颈 的耐磨性，可以对轴颈工作面进行强化处理，如：高频淬火、 氮化等。
连 杆
疲劳冲击
拉压
脆断
5.性能选材的复杂性和不确部位的力学分析正确，所选材料的许用 应力正确，据以提供许用应力的机械性能（失效抗力指标）正确，则可以制 造出来的零件在服役过程中不致发生由于机械损伤而造成的失效现象，也就 是说应该经得起考验。 但事实上不一定如此，其原因是以上所提到的所谓“正确”都是相对而言的， 其中许多未知因素往往是事先估计不到的。运用安全系数就是对古籍不足的 补偿，但安全系数大小的规定是有条件的。 从材料角度来说，有两方面是造成不正确的因素。其一是实际材料和理想材 料的差异，可归结为材料的质量问题，主要表现为材料性能数据的散乱性。 所谓高质量的材料，其性能数据的散乱性小。其二，材料的机械性能指标是 依据实验室中对试棒的试样获得的，但实际机器零件的机械性能可能与试棒 有很大出入。这是由于试棒的应力状态、应力应变在材料中的分布尺寸因素、 环境模拟、载荷模拟以及加工工艺等与实际零件都有差异，而试验过程的时 间因素与真实零件服役过程也有很大差异。因此，在材料工程设计过程中依 据材料的性能选材时，必须清楚和明确这些差异，并通过一些的技术规定和 必要的技术手段尽量减少这些差异。
4.典型机器零件的服役条件和主要失效抗力指标





轴类零件主要承受的弯曲和扭转负荷，并可能受到一定的冲击，因此， 对于轴类零件用材料必须具有良好的弯扭复合疲劳强度及韧性。为了防 止轴颈部位的迅速磨损，还应具备一定的表面硬度。 对弹簧来说，螺旋弹簧主要承受扭转负荷，而板簧则主要承受弯曲负荷。 其主要失效方式是疲劳断裂和过量变形，因此对弹簧钢的要求，应满足 高弹性极限和高的疲劳强度的要求。 滚动轴承在工作中承受极高的交变，滚动体与套圈之间工作接触面积很 小，产生极大地接触应力，因而要求材料具有高的接触疲劳强度，极高 且均匀的硬度和耐磨性，其次还有一定的韧性和淬透性，并在大气和润 滑介质中有一定的抗蚀能力。 齿轮在运转过程中，每个齿要承受一定的弯曲应力，齿的表面一方面要 受压应力的作用，另一方面齿在啮合过程中受到接触疲劳和磨损的作用。 如果载荷不稳定，齿牙也可能受到一定的冲击。制造齿轮的材料应具有 足够的弯曲疲劳强度、高的接触疲劳强度和好的耐磨性，同时还要兼顾 韧性的要求。 有以上可以看出，不同的机器零件，它们的服役条件和失效形式不同， 失效抗力指标不同，对材料的性能的要求成为零件选材的重要依据。
表2-1 典型机器零件的服役条件、常见的失效形式及材料选择的主要抗力指标
服役条件 零件类型 常见失效形式 主要失效抗力指标
负荷类型
紧固螺丝 轴类零件 静、疲劳 疲劳冲击
应力状态
拉弯切 弯扭 压弯 接触 扭 弯扭
其他
过量变形、塑断、脆断、疲劳、咬蚀、腐蚀 磨损 脆断、表面变化、疲劳、咬蚀、轴颈磨损 疲劳、屈服及剪切强度 弯扭疲劳强度 弯曲、接触疲劳、耐磨性及心 部强度 扭转疲劳强度、弹性极限 弯曲疲劳、弹性极限
金属材料：选矿、冶炼、成型 材料的制 备与生产 无机非金属材料：制粉、混料、成形、烧结 有机高分子材料：原料制备、加工成型 性能选材法
材料 工程
材料的选用
成本选材料法
多目标选材法
材料到零件的加工成型
材料的使用及失效分析
材料的研究与开发仅在研究领域进行 材料的大批量生产形成了专业化 材料的选用和成型加工工艺及设备的 设计成为材料工程重要任务之一 产品的使用情况及其失效分析 许多工作与材料工程相关


机械零件所用材料的材质不但对其使用性能，而且对其工艺性能都有很大的影响， 选材时应特别注意。如：钢种杂质S会影响材料锻造工艺性(有热脆性）,但S可改 善刚的切削加工性；钢种杂质P使钢 “冷脆”，影响冲压和焊接工艺性，但P可 改善刚的耐大气腐蚀性能；沸腾钢的冲压性能不如镇静钢，故形状复杂的冲出件 不能选用沸腾钢；渗碳钢最好选本质细晶粒钢，否则需要重新加热淬火以细化晶 粒，来改善性能；普通结构钢的含碳量范围较宽，淬透性比较大，不宜作热处理； 过热敏感性较大的钢，要求严格控制加热温度和保温时间，大型零件不宜采用这 类钢；Al、Cu、Mg等非铁合金中杂质和特定的合金元素对其零件的工艺性也有很 大影响；高分子材料中固化剂、填充剂的性能、数量对其成形性影响较大；陶瓷 材料中的杂质对其烧结成型性的影响可能是巨大的，如：氮化铝中的SiO2、MgO、 Na2O等杂质（或添加剂）对其零件的烧结温度、烧结速度和材料的致密性有极大 影响作用。 在零件制作过程中，各工序之间是互相联系、相辅相成的。选材时应考虑各工序 工艺之间的相互联系和结合，充分考虑材料、前后工艺之间相容性，以适应新生 产技术要求。如：大多数钢制零件加工时，其预备热处理会对后面的机械加工， 最终热处理等工序产生重要影响；在生产中常常把铸件、锻件用焊接的方法联成 一体，成为铸、锻、焊结构；将高能表面热处理方法纳入零件生产自动线；采用 冷塑性变形（冷轧、；冷挤、冷冲压、冷镦等）和热挤压成型取代部分机械加工， 在一定程度大大提高了零件的使用性能。