机械零件用材料及成形工艺的选择

第14章机械零件用材料及成形工艺的选择

在进行产品设计时，会遇到零件材料选择的问题；在进行零部件生产过程中，会遇到怎样使材料成形的问题，材料及其成形工艺的选择是工程上的重要课题。材料好与坏，它不仅关系到机械零件的使用性能，也关系到零部件的加工制造难度，同时还关系到零件的成本，使用安全性等。在实际工程中，由于选材用材不当而给用户带来很多直接或间接的损失，也是常见的。因此，合理的材料选择，以及采取合适的成形工艺，是保证高质量产品的关键。另一方面，材料成本占零件成本的一半以上，合理的的选材，也可降低生产成本，提高经济效益。本章仅针对机械零件的的选材问题进行讨论。

在进行材料选择时，必须考虑现场使用时需要材料有哪些性能，它能够使用多长时间，它是如何失效的等。因此，选材与零件失效的关系十分密切。

14.1材料的失效形式

14.1.1 材料的使用条件

材料的使用条件总称为工况。工况研究是对材料进行各种研究的基础，也是失效研究及选材的基础。在研究材料时，不能把材料看成一个孤立的系统，在材料的使用和制造过程中，材料与环境之间始终有能量及物质的交换，因此要十分重视材料的使用环境，这就是要研究工况的原因；同时也必须重视制造材料的环境，这就是研究材料工艺性的原因。

下面我们首先来研究材料的使用环境，即使用工况。

工程材料的使用工况由以下几方面组成：

1.负荷情况

在使用过程中，工程材料负担着传递动力或承受载荷的任务，必然受到各种各样载荷的作用。一般地，按照加载速度，材料所受到的载荷可分为静载荷和动载荷。静载荷是指加载速率较为缓慢的，大小和方向不随时间而变化的载荷；动载荷则是指加载速度很大的载荷，或是大小和方向随时间而变化的载荷。动载荷主要有冲击载荷和交变载荷两种类型。材料所受到的各种载荷，按其作用方式又可分为，拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。材料所受的负荷具体体现为材料受到各种应力的作用，这些应力是拉应力、压应力、剪应力、切应力，扭矩、弯曲应力等。实际工程材料所受的应力往往是多种应力的复合。

所有的工程材料都是在各种应力组成的应力场下工作，没有不受力的工程材料。抗力能力是对工程材料的基本要求，力学性能是工程材料的首要性能。如各种工程结构都受到至少是重力的作用，轴和齿轮等传递动力的机件都受到压应力、剪应力、扭矩等力的作用，锤头受到冲击力的作用等。

2.使用环境温度

工程材料总是要在环境所决定的温度下使用。大多数材料都是在气温下工作的，但是气温也是随天气、地域和季节的不同而不断变化的。此外，也有在高温或低温下工作的材料。在实际工程中，要求材料具有适应高温或低温环境的能力。各种工业炉用材，都必须能耐高温；各种制冷设备用材，都必须能耐低温；有些时候，材料还应能耐剧烈的温度变化。

3.使用介质

材料的使用介质也是材料的使用环境中必不可少的一部分，材料的使用介质有大气、淡水、海水、土壤、含泥砂的水、各种酸碱盐的溶液等。

绝大多数材料都是在大气环境中工作。大气是成分复杂的混合物。其中氮气和氧气占98%，其它组分是水蒸汽，二氧化碳，惰性气体、灰尘等。其中氧、水蒸汽、二氧化碳参与材料的腐蚀过程，灰尘对高速运动的部件有一些摩擦作用。在工业大气中还含有SO2、SO

3、Cl2、HCl、NO、NO2、NH3、H2S等组分。这些组分对材料有较强的腐蚀作用。

淡水一般指河水、地下水、湖水等含盐量低的天然水，其总固溶物含量小于0.1%，PH 值在6.5～8.5%。淡水是主要的工业用水，它对工程材料有一定的腐蚀作用。若淡水有含有大量的泥砂，就会对运动的材料产生强烈的磨损作用。

海水中含有约3.5%的盐，其中大部分是NaCl。海水对材料有较强的腐蚀作用。海水中的泥砂，生物、溶解的气体等都对材料的腐蚀作用产生一定的影响。

在化工环境下，材料往往在各种酸碱盐溶液中使用，主要是水溶液，也有其它溶液。在化工溶液中使用的材料，必须考虑材料的耐腐蚀性。

埋设在地下的油气水管路等都与土壤接触。土壤主要由土粒、水和空气组成，是多相组织。土粒的成分和尺寸在不同的地方有很大的差异。土壤的水中常溶有H+、Cl-、SO42-等物质，对材料有腐蚀作用。在土壤中运动的零件，土壤对其有很大的磨损作用。土壤中常有生物及有机物质，同样对材料的使用产生影响。

4.其它方面

材料的使用工况还有来自环境的如声、光、电、磁等各种作用，它们对材料使用性能的影响，一般在功能材料中讨论，这里就不细讲了。

14.1.2 .材料的失效及其判据

1.材料的失效

正如人有生老病死一样，工程产品也有失效的时候。工业的发展，技术的进步，正是人们不断与产品失效作斗争的历史。

由于材料本身是不能单独使用的，它总是要做成机械零件来完成自己的任命。材料与零部件的关系如同布料与衣服的关系，虽然衣服各式各样，却都是由布料制作的；另一方面，任何布料都必须通过制作衣服等形式来体现自己的价值。因此在很大程度上，材料的失效都是通过机械零件失效的形式来体现的。机械零件失效了，整个零件一旦报废，也就意味着材料的失效。因此，分析材料的失效与分析机械零件的失效要结合起来，不能单一地分析材料失效。

在材料的使用过程中，发生了一系列的变化，主要是材料形状和性能的改变，在它们达不到使用性能要求时，就称为材料失效。材料的使用性能包括如下一系列性能：力学性能，物理性能、化学性能等。在使用过程中，材料的任何一方面性能达不到使用要求，也就意味着材料的失效。如在高温工况下，钢铁材料的强度不断降低，在其不能达到所要求的强度指标时，材料就失效了。再如，橡胶材料在使用过程中发生硬化失去弹力。这些都是材料本身性能发生变化而失效的。

在更多的时候，工程材料的失效并不是材料本身的性能达不到要求，而是由于材料的形状尺寸在力或其它的作用下改变，使零件达不到所要求的功能，而引起失效。机械零件失效了，也就意味着材料的失效。在使用过程中如果发生了以下三种情况中的任何一种，即认为该零件已失效：①完全破坏不能使用；②虽然能工作但不能满意地起到预定的作用；③损伤不严重，但继续工作不安全。

材料的失效实际上是由以下三方面因素所决定的：

(1)使用条件因素同一材料，在不同的使用环境下，其使用寿命是不同的；不同的使用条件，对材料的性能要求是不一样的。

(2)材料本身的性能不同材料有不同的性能，材料本身所具有的性能是材料应用的基础。

(3)用户的期望值材料能不能用，好用不好用，其标准都是由用户来定的。当材料的性能或机件的功能达到人的要求时，材料才能用；反之，当材料的性能或机件的功能达不到用户的要求时，材料就被判为失效而报废。