机械材料的选用
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机械材料的选用
1、材料选择的根据
材料的种类繁多,而且性质互异,因此无论铁金属和非铁金属材料,或者随后即将讨论的非金属材料自然都有不同的应用场合。
一项产品在选用材料时,会因使用场合(例如:强度的要求、环境的因素、成本的考虑等)而不同,而各种材料由于结构的不同,也有其适当的用途,因此如何使材料的应用能适材适所,就是材料选用的最大准则。
本章将提出材料选择的几个重要考虑因素,并举实例具体说明。
(一)材料的规格要符合使用的需求
选择材料最基本的考虑,就在满足产品的特性及要求,例如﹕抗拉强度、切削性、耐蚀性等。
许多材料似乎都可以满足使用的需求,但是如果选择具有正字标记或符合国家标准的材料,例如:我国的CNS 日本的JIS 美国的ASTM、SAE、AISI、UNS 德国的DIN 等,由于其化学成分及机械性质都经过试验,有一定的保证,因此质量将更有保障。
(二)材料的价格要合理
价格是选择材料的另一个重要因素。
因为优秀的材料如果价格高昂,产品的成本势必提高,竞争力就会降低。
因此如果材料不是唯一的选择,那么价格合理的同级材料或以开发新产品替代都是不错的解决方案。
(三)材料的质量要一致
产品如果是单一的就不必考虑一致性的问题,但是如果是属于大量生产的东西,材料的供应就必须稳定而且质量一定才行,否则因产品不良造成退货或是赔偿,无论是金钱及信誉的损失可能都将难以弥补,因此在选择材料供应之初,材料质量的一致和来源的稳定性也是重要的考虑因素。
2、钢铁材料的选用
以上提到的是材料选用的原则。
而钢铁材料由于在机械上使用广泛,因此必须针对其特性考虑。
钢铁材料的选用,常遭遇的还有三个问题:(一)使用碳钢或合金钢(二)局部或全部淬火(三)用铸造品或锻造品。
碳钢的价钱便宜,但合金钢易于淬火、硬化深度大、抗回火软化佳。
承受的负荷则关系局部或全部淬火,负荷大的零件以全部淬火为宜,表面淬火则可承受耐疲劳及磨耗的场合。
锻造与铸造在制造一直是竞争不止,传统的铸造品虽可以制造复杂或有内孔的零件,但被认为偏析、气孔、韧性差,锻造品则较强韧,但铸造技术及材料的进步,己可以达到均质、强韧,加以铸造有一次成型的优点,因此目前铸件占较有利的趋势。
3、应用实例
(一)引擎材料的选用
机械产生动力来自于引擎,常见的引擎如:空压机、汽机车、电机原动力厂等。
引擎各部份零件承受不同的负荷、温度等工作条件,因此有不同的材料选择考虑。
以下仅以其中较重要的汽缸体、曲柄轴及进排气阀加以说明。
1.1.汽缸体
汽缸由于形状复杂,又有冷却管路,因此只能用铸造方式,汽缸由于要求良好强度大、耐磨、耐蚀、导热性佳、膨胀系数低。
因此灰铸铁就是很好的选择,唯一问题是比重稍大。
如果需要轻量化,使动力提高,就可以考虑铝合金。
唯铝合金的磨耗性较差,这一点也要考虑。
2.2.曲柄轴
虽然曲柄轴的形状也很复杂,不过也并不是非用铸造不可,曲柄轴的受力很大,因此锻造钢品是传统上的选择,不过延性铸钢(球墨铸铁)的发展,使得铸造品在中小型汽车上也占一席之地。
如果使用锻钢,必须考虑硬化能的问题,因此常用的有铬钼钢(SAE 4140)或中碳钢SAE 1035及SAE 1050。
3.3.进排气阀
进排气门最重要的是耐高温和耐腐蚀,尤其是排气阀的工作温度,往往700℃以上,而且必须承受燃料燃烧后产生的水气和腐蚀性铅化合物,因此采用耐热钢是最初的考虑,其后陆续有使用沃斯田铁系不锈钢或英高镍(Inconel)者。
(二)材料的取代和新材料的选用
由于材料的改良和新材料的不断发展,许多制品原来使用的材料,可以替代而性能更佳,价格更便宜。
以日常应用来说,例如:二十年前的眼镜框,使用白铜或镀层,其后因为腐蚀问题而改用不锈钢,至今更因为钛的轻量化、高强度比且耐蚀而再度取代。
近年来由于航天工业,轻量及高强度的要求,因此在机件上钛的使用也很广,而外装上,复合材料(尤其是碳纤维和玻璃纤维强化塑料)则大量的应用。
另外,为了极高速航具和航天飞机的需要,工程陶瓷应用在承受高温的部分的包覆(Ceramic Tiles)更是不可或缺。