项目7 常用机械零件的材料选择
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项目7 常用机械零件的材料选择
1 任务7.1零件的失效形式 2 任务7.2零件毛坯热处理技术条件 3 任务7.3典型零件的选材 4
项目导读
❖ 机械零件和工具使用的材料，其种类繁多，因 此如何合理地选择材料，就成为一项重要的工作。 每个机械零件或工具不仅要符合一定的外形和尺寸 ，更重要的是要根据零件或工具的服役条件包括工 作环境、应力状态和载荷性质等，选用合适的材料 和热处理工艺，以保证零件或工具的正常工作。若 材料选用不当或热处理不合理，有时会造成零件的 成本较高或加工困难；有时可能使机械不能正常运 转或使设备的寿命缩短，甚至引起机械设备损坏和 人身事故。
7.1.2机械零件的选材原则
❖ 正确选材是机械零件设计的一项重要任务，它 必须使选用的材料保证零件在使用过程中具有 良好的工作能力，保证零件便于加工制造，同 时保证零件的总成本尽可能低。优异的使用性 能、良好的加工工艺性能和便宜的价格是机械 零件选材的最基本原则。
❖ 1.选材的原则 ❖ 选择材料的原则首先是要满足使用性能要求，
其次再考虑加工工艺性和经济性原则。
❖ (1)使用性原则 ❖ ①分析零件工作条件，提出使用性能的要求。 ❖ ②常用力学性能判据在选材中的作用
❖ (1)使用性原则
❖ ①分析零件工作条件，提出使用性能的要求。
❖ ②常用力学性能判据在选材中的作用
❖ a.屈服强度σs抗拉强度σb和疲劳强度σ-1比较 直观，通常直接用于定量的设计计算。σs用于 承受拉、压或剪切零件计算。σb可用于脆性 材料或承载简单的一般零件计算。
❖ 一般轴、杆、套类零件在工作时，往往同时承 受静、动载荷的作用，对这类零件的力学性能 要求是综合力学性能要好。可根据零件受力的 大小选择中碳钢或合金调质钢（如45、40Cr、 40MnB等）进行正火或调质处理。
❖ ②腐蚀失效
❖ 腐蚀失效是由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件或工具的失效。大多 数腐蚀都发生在表面，或从表面开始，因此被归类于表面损伤失效。
❖ ③表面疲劳失效
❖ 表面疲劳失效是相互接触的两个运动表面（特别是滚动接触），在工作 过程中承受交变接触应力的作用，使表面层材料发生疲劳破坏而脱落， 造成零件或工具的失效。
❖ ②锻压性能 常用塑性和变形抗力来综合评定。塑性好，则易成形， 加工面质量 好，不易产生裂纹；变形抗力小，金属易于充满模膛，不易于产生缺陷。通常， 碳钢比合金 钢锻压性能好，低碳钢锻压性能优于高碳钢。
❖ ③焊接性能 常用碳当量WCE 来评定。WCE＜0.4%的材料焊接性能好，不易产 生裂纹，气孔等缺陷，且焊接工艺简单，焊缝质量好。低碳钢和低合金结构钢焊 接性能良好，碳与合金元素含量越高，焊接性越差。
❖ (3)经济性原则
❖ 经济性原则是指所选用的材料加工成零件后能否做到成本低廉、价格便 宜，在满足使用性和工艺性原则的前提下，尽量降低零件总成本，以提 高经济效益。材料的经济性一方面反映在原材料的价格上，另一方面还 反映在工艺成本上，选材时还应考虑工厂的生产特点，设备条件，技术 水平等现实情况，在确保满足零件主要要求的前提下，兼顾其余要求， 综合考虑进行选材。材料的经济性主要从以下几方面考虑
❖ （2）断裂失效
❖ 断裂是机械零件或工具失效的主要形式。根据零件或工具断裂前变形量 的大小和断口形状，断裂可分为脆性断裂和塑性（或韧性）断裂两种。 断裂前零件或工具几何尺寸几乎不发生变化，即没有明显的塑性变形， 断口较齐平，其断面常呈细颗粒状，这种断裂称为脆性断裂。塑性断裂 是零件或工具在断裂前产生明显的变形，即零件或工具的尺寸发生明显 的变化，一般断面减小，且断口常呈纤维特征。
❖ b.塑性和韧性判据一般不直接用于设计计算。
❖ c.硬度与强度之间存在一定关系.
❖ ③选用材料性能判据数值应注意的问题
❖ (2)工艺性原则
❖ 工艺性原则是指所选用的材料能否保证顺利地加工制造零件。工艺性好坏，对零 件加工难易程度，生产率，生产成本影响很大。
❖ ①铸造性能 常用流动性，收缩率来综合评定。不同材料铸造性能不同，例如铸 造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，铸铁中，灰铸铁铸造性能最 好。同种材料中，成分靠近共晶点的合金铸造性能好。
❖ 知识目标： 1．了解零件的失效分析。 2．掌握零件选材的原则、方法及基本步骤. 3．掌握典型常用零件的选材及热处理。
❖ 能力目标：Hale Waihona Puke Baidu过学习零件材料的选择实例，具 有合理选择毛坯（或零件）材料和成形方法的 能力。
❖ 2.零件的失效形式
❖ 机械零件的失效形式通常按失效模式和其它相应的失效机理分类主要有 变形失效、断裂失效、表面损伤失效等几种类型。
❖ ④切削加工性能 常用允许的最高切削速度、切削力大小、加工面Ra值大小、断 屑难易程度和刀具磨损来综合评定。通常，材料硬度值在170～230HBS范围内， 切削加工性能好。
❖ ⑤热处理工艺性 常用淬透性、淬硬性、变形开裂倾向性、耐回火性和氧化脱碳 倾向性评定，通常，碳钢淬透性差，强度较低，加热时易过热，淬火时易变形开 裂，而合金钢的淬透性优于碳钢。
❖ ①材料本身价格应低廉，特别对大批量生产的零件更应考虑价格因素。
❖ ②材料加工费用 不同材料加工工艺不同，成本相差较大。
❖ ③材料利用率 在加工中尽量采用少、无切削加工，以便有效利用材料。
❖ ④合理代用 应尽可能用廉价材料代替昂贵材料。
❖ ⑤节约稀有材料。
❖2. 选材的方法
❖ (1)以综合机械性能为主的选材
❖ （3）表面损伤失效
❖ 零件或工具在工作过程中，可能会由于机械和（或）化学的作用，使工 件表面及表面附近的材料受到严重损伤，以致不能工作，这种基本上局 限于表面层的失效形式，称为表面损伤失效。
❖ ①磨损失效
❖ 磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式 逐渐磨损，而使零件或工具的尺寸不断变小的一种失效方式。
❖ （1）变形失效
❖ 在使用状态下，零件或工具总要受到各种载荷作用，在载荷的作用下零 件或工具都要发生不同程度的变形，不论弹性变形或塑性变形，都会造 成零件或工具尺寸和形状的改变，这就会影响到零件或工具的正确使用 位置，破坏零件或部件之间相互配合的位置和配合关系，可能使零件或 机械设备不能正常工作。
1 任务7.1零件的失效形式 2 任务7.2零件毛坯热处理技术条件 3 任务7.3典型零件的选材 4
项目导读
❖ 机械零件和工具使用的材料，其种类繁多，因 此如何合理地选择材料，就成为一项重要的工作。 每个机械零件或工具不仅要符合一定的外形和尺寸 ，更重要的是要根据零件或工具的服役条件包括工 作环境、应力状态和载荷性质等，选用合适的材料 和热处理工艺，以保证零件或工具的正常工作。若 材料选用不当或热处理不合理，有时会造成零件的 成本较高或加工困难；有时可能使机械不能正常运 转或使设备的寿命缩短，甚至引起机械设备损坏和 人身事故。
7.1.2机械零件的选材原则
❖ 正确选材是机械零件设计的一项重要任务，它 必须使选用的材料保证零件在使用过程中具有 良好的工作能力，保证零件便于加工制造，同 时保证零件的总成本尽可能低。优异的使用性 能、良好的加工工艺性能和便宜的价格是机械 零件选材的最基本原则。
❖ 1.选材的原则 ❖ 选择材料的原则首先是要满足使用性能要求，
其次再考虑加工工艺性和经济性原则。
❖ (1)使用性原则 ❖ ①分析零件工作条件，提出使用性能的要求。 ❖ ②常用力学性能判据在选材中的作用
❖ (1)使用性原则
❖ ①分析零件工作条件，提出使用性能的要求。
❖ ②常用力学性能判据在选材中的作用
❖ a.屈服强度σs抗拉强度σb和疲劳强度σ-1比较 直观，通常直接用于定量的设计计算。σs用于 承受拉、压或剪切零件计算。σb可用于脆性 材料或承载简单的一般零件计算。
❖ 一般轴、杆、套类零件在工作时，往往同时承 受静、动载荷的作用，对这类零件的力学性能 要求是综合力学性能要好。可根据零件受力的 大小选择中碳钢或合金调质钢（如45、40Cr、 40MnB等）进行正火或调质处理。
❖ ②腐蚀失效
❖ 腐蚀失效是由于化学或电化学腐蚀作用造成的零件或工具的失效。大多 数腐蚀都发生在表面，或从表面开始，因此被归类于表面损伤失效。
❖ ③表面疲劳失效
❖ 表面疲劳失效是相互接触的两个运动表面（特别是滚动接触），在工作 过程中承受交变接触应力的作用，使表面层材料发生疲劳破坏而脱落， 造成零件或工具的失效。
❖ ②锻压性能 常用塑性和变形抗力来综合评定。塑性好，则易成形， 加工面质量 好，不易产生裂纹；变形抗力小，金属易于充满模膛，不易于产生缺陷。通常， 碳钢比合金 钢锻压性能好，低碳钢锻压性能优于高碳钢。
❖ ③焊接性能 常用碳当量WCE 来评定。WCE＜0.4%的材料焊接性能好，不易产 生裂纹，气孔等缺陷，且焊接工艺简单，焊缝质量好。低碳钢和低合金结构钢焊 接性能良好，碳与合金元素含量越高，焊接性越差。
❖ (3)经济性原则
❖ 经济性原则是指所选用的材料加工成零件后能否做到成本低廉、价格便 宜，在满足使用性和工艺性原则的前提下，尽量降低零件总成本，以提 高经济效益。材料的经济性一方面反映在原材料的价格上，另一方面还 反映在工艺成本上，选材时还应考虑工厂的生产特点，设备条件，技术 水平等现实情况，在确保满足零件主要要求的前提下，兼顾其余要求， 综合考虑进行选材。材料的经济性主要从以下几方面考虑
❖ （2）断裂失效
❖ 断裂是机械零件或工具失效的主要形式。根据零件或工具断裂前变形量 的大小和断口形状，断裂可分为脆性断裂和塑性（或韧性）断裂两种。 断裂前零件或工具几何尺寸几乎不发生变化，即没有明显的塑性变形， 断口较齐平，其断面常呈细颗粒状，这种断裂称为脆性断裂。塑性断裂 是零件或工具在断裂前产生明显的变形，即零件或工具的尺寸发生明显 的变化，一般断面减小，且断口常呈纤维特征。
❖ b.塑性和韧性判据一般不直接用于设计计算。
❖ c.硬度与强度之间存在一定关系.
❖ ③选用材料性能判据数值应注意的问题
❖ (2)工艺性原则
❖ 工艺性原则是指所选用的材料能否保证顺利地加工制造零件。工艺性好坏，对零 件加工难易程度，生产率，生产成本影响很大。
❖ ①铸造性能 常用流动性，收缩率来综合评定。不同材料铸造性能不同，例如铸 造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，铸铁中，灰铸铁铸造性能最 好。同种材料中，成分靠近共晶点的合金铸造性能好。
❖ 知识目标： 1．了解零件的失效分析。 2．掌握零件选材的原则、方法及基本步骤. 3．掌握典型常用零件的选材及热处理。
❖ 能力目标：Hale Waihona Puke Baidu过学习零件材料的选择实例，具 有合理选择毛坯（或零件）材料和成形方法的 能力。
❖ 2.零件的失效形式
❖ 机械零件的失效形式通常按失效模式和其它相应的失效机理分类主要有 变形失效、断裂失效、表面损伤失效等几种类型。
❖ ④切削加工性能 常用允许的最高切削速度、切削力大小、加工面Ra值大小、断 屑难易程度和刀具磨损来综合评定。通常，材料硬度值在170～230HBS范围内， 切削加工性能好。
❖ ⑤热处理工艺性 常用淬透性、淬硬性、变形开裂倾向性、耐回火性和氧化脱碳 倾向性评定，通常，碳钢淬透性差，强度较低，加热时易过热，淬火时易变形开 裂，而合金钢的淬透性优于碳钢。
❖ ①材料本身价格应低廉，特别对大批量生产的零件更应考虑价格因素。
❖ ②材料加工费用 不同材料加工工艺不同，成本相差较大。
❖ ③材料利用率 在加工中尽量采用少、无切削加工，以便有效利用材料。
❖ ④合理代用 应尽可能用廉价材料代替昂贵材料。
❖ ⑤节约稀有材料。
❖2. 选材的方法
❖ (1)以综合机械性能为主的选材
❖ （3）表面损伤失效
❖ 零件或工具在工作过程中，可能会由于机械和（或）化学的作用，使工 件表面及表面附近的材料受到严重损伤，以致不能工作，这种基本上局 限于表面层的失效形式，称为表面损伤失效。
❖ ①磨损失效
❖ 磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式 逐渐磨损，而使零件或工具的尺寸不断变小的一种失效方式。
❖ （1）变形失效
❖ 在使用状态下，零件或工具总要受到各种载荷作用，在载荷的作用下零 件或工具都要发生不同程度的变形，不论弹性变形或塑性变形，都会造 成零件或工具尺寸和形状的改变，这就会影响到零件或工具的正确使用 位置，破坏零件或部件之间相互配合的位置和配合关系，可能使零件或 机械设备不能正常工作。