工程材料课程设计

第一部分、课程设计参考资料

一、机械零件的选材

选材是机械零件设计中不可缺少的工作，材料选择合理与否直接影响到产品的质量、寿命和生产成本。机械零件选材的一般原则是：

1. 所选材料应具有满意的使用性能，除特殊要求某些物理性能、化学性能之外，一般主

要要求的是力学性能，即材料抵抗外加载荷而不致失效的抗力---失效抗力。

2.材料应具有良好的或可行的加工性能。

3. 材料的价格或成本应尽可能低廉。

<一>机械零件选材应满足使用性能要求

使用性能—指零件在工作时应具备的力学、物理和化学性能。

1、分析零件的工作条件，确定使用性能。

工作条件主要是指：零件的受力情况，包括受力形式，如载荷形式（拉、压、弯曲等），载荷性质（如静载、动载、交变载荷）及承受摩擦的状况；环境状况，如工作温度、介质等；特殊要求如导热性、导磁性等。

2、进行失效分析，确定使用性能。

3、从零件使用性能要求提出对材料的性能的要求。

明确了零件的使用性能后，把使用性能的要求，通过分析、计算量化成具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据大致应用范围选材。

常见的力学性能指标有HRC或HBS，σs , σb；非常规力学性能指标如KIC及腐蚀介质中的力学性能;对特殊性能要求的零件，如电性能、磁性能、热性能等。

4、机械零件按使用要求选材的基本步骤

（1）分析零件的工作条件与环境，确定零件的技术要求。

（2）通过分析实验，结合同类零件失效分析结果提出失效抗力指标，并以此作为选材的基本依据。

（3）根据力学计算，确定零件的主要力学指标。

（4）决定热处理及其他表面强化方法。

（5）试验、投产。对关键零件批量生产前要进行试验、初步确定材料选择，热处理方法是否合理，热加工性能好坏。满意后可批量生产。

5、机械零件选材应注意的几个问题

（1）尺寸效应。尺寸效应是指钢材截面大小不同，即使热处理状态相同，其力学性能也有差别效应。随着材料截面尺寸增大，钢材的力学性能下降。尺寸效应不仅与冶金质量有关，而且还与淬透性有关。

（2）力学性能与加工状态、处理条件有关。不同的加工状态（如铸造、锻造、不同热处理，有否压力加工）其力学性能差别。

（3）材料的力学性能对同一牌号的材料来说，由于其成分是在一定范围内变化，因此其力学性能也是有一定的波动范围。

<二>机械零件选材应满足加工工艺性要求

材料的工艺性是指材料适应某种加工工艺的能力。所选材料一般应先制成与成品形状相近似的各种毛坯（例如铸件、锻件、焊接件），再经切削加工和热处理，最终形成零件，因此，材料应满足这些不同工艺的要求。材料的工艺性通常指以下几个方面：

1.铸造性能：包括流动性、收缩性、偏析和吸气性等。由于接近共晶成分的合金铸造性能良好，因此铸造合金的成分一般选在共晶成分附近。

2.压力加工性能：包括冷压力加工（冷冲压、冷轧、冷挤压）和热压力加工（如锻造、热轧、热挤压等）时材料的塑性和变形抗力有可热加工的温度范围、抗氧化性和加热、

冷却要求。变形铝合金、铜合金、低碳钢的压力加工性能好、而高碳钢就差。

3. 焊接性能：焊缝处形成冷裂或热裂及形成气孔的倾向，低碳钢的焊接性能好，高碳钢及铸铁的焊接性能差。。

4. 切削加工性能：指材料的切削加工性、磨削加工性等，一般用切削抗力、零件的表面粗糙度值的大小、刀具磨损和切削排除的难易程度来衡量其好坏。

5.热处理工艺性：包括淬透性、淬硬性、回火稳定性、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向等

<三>机械零件选材应兼顾经济性

1.材料价格：一般材料成本约占零件成本的30～70%。

2. 材料的加工费用：一般加工费约占零件成本的30%左右，生产批量越小，所占比例越高。

二、机械零件毛坯的选择

毛坯的选择是机械设计与制造中的一项重要任务。毛坯与零件的制造除直接用型材加工外,主要由铸造、锻压及焊接三种制造工艺方法制成。

1．影响毛坯选择的因素

毛坯选用液态成形的铸件或塑性变形的锻件、薄板冲压件或焊接连接的冲压—焊结构、轧制—焊结构、铸--焊的焊件。应取决于以下六个方面：

（1）零件选用的材质，基本决定了毛坯的种类。零件的材质是根据设计要求的使用性能、金属材料的工艺性能及其经济性能的综合考虑选定的。

（2）零件的结构形状，决定了毛坯的制造方法。例如薄壁复杂件只能用铸造（最好为压力铸造），大截面简单件不宜用铸造，适用于自由锻。特大的薄壁结构宜用焊接结构。（3）零件的生产类型，对毛坯的选择也起决定作用。

（4）零件不加工表面的精度与粗糙度不仅决定于毛坯类型，而且可进一步选用精密铸造

或精密锻造等少余量或无余量的精密零件或毛坯。

（5）工厂现有设备、技术力量及生产能力，可改变原定的毛坯选定方案。例如大型件原可采用整体铸件，但受设备、厂房限制只能采用以小拼大的铸-焊结构；复杂程度高的铸件由于技术力量与生产能力的影响，只能化难为易采用铸—焊结构。有些情况甚至将铸件改为锻件。

（6）当毛坯几种制造方法均可制造时，应选用最佳经济方案。

2.检验毛坯选择是否合理的标准

（1）使用性：满足零件使用要求。

（2）工艺性：加工方便，易获优质产品。

（3）经济性：成本最低，消耗最少。

（2）选接近零件形状的模锻件

<一>铸造毛坯

（1）必须能制出与零件形状相近的，并保证尺寸正确、轮廓清晰。

（2）必须具备熔炼设备，能熔炼出质量与温度合适的金属。

（3）熔炼金属应平稳地进入型腔，不与铸型发生反应；气体、夹渣易于排除，铸型充满不产生冷隔及浇铸不足现象。

（4）设计的铸件在冷却凝固时，不产生铸造应力、裂纹及变形。缩孔可以切除获完整的毛坯。

（5）必须方便地从铸型中取出铸件。

（6）必须能清除铸件内外型砂及芯砂、浇冒系统及附在铸件上的一切多余部分

<二>锻造毛坯

凡受重载、交变载荷、高速旋转的重要零件，不适宜采用铸造毛坯，因为铸造毛坯缺陷