常用机械工程材料选用
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一般
一般
一般
低
低
高
低
3. 陶瓷材料的工艺性能 成形后，受陶瓷加工性能的局限，除了可以用碳化 硅或金刚石砂轮磨削加工外，几乎不能进行任何其 它加工。因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其 加工性能的限制。
陶瓷材料的加工工艺路线
表 工 艺
陶瓷材料成形工艺的比较 优 点 缺 点 可做形状复杂件、 收缩大，尺寸精 薄壁件，成本低 度低，生产率低 可做形状复杂件， 设备较复杂，成 有高密度和高强 本高 度，精度较高 成本低，生产率 不能做薄壁件， 高 形状要对称 尺寸精度高，可 成本高 做形状复杂件
粉浆成形
压制成形 挤压成形 可塑成形
三、经济性原则---根本原则 产品成本与性能的关系：
产品成本分析
1. 基本材料的成本 材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（ 3070%）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手 段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材 料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到 80%）。
5
3
低合金工具钢
高速钢 硬质合金
3-4
16-20 150-200
铸造铝合金、 铜合金 普通黄铜 锡青铜、铝青 铜 钛合金 （工程塑料）
8-10
13-17
19
50-80 5-15
基本材料的价格的影响因素： 1.提炼和制取的成本 2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 3.材料的提纯、合金化（合成）成本 4.加工增值成本 5.供求关系所造成的价格波动
二、工艺性能原则： 1. 金属材料的工艺性能
金属零件的加工工艺路线
性能、质量要求不高的零件 毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能 均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理 （淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料 的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。
高分子材料的加工工艺路线
表
高分子材料主要成形工艺特点
尺寸精 度 好 非常好 模具 费用 高 很高 生产率 中等 高
工 艺 适用材 形 状 表面光 料 洁度 热压 范围较 复杂 很好 成形 广 形状 喷射 热塑性 复杂 很好 成形 塑料 形状
Leabharlann Baidu
热挤 成形 真空 成形
热塑性 塑料 热塑性 塑料
棒类
棒类
好
第七章 材料选择概述
选材的动机： 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。
§7.1 选材的基本原则及方法
§7.2 典型零件选材及工艺分析
§7.1选材的基本原则
1.使用性能原则----首要原则 2.工艺性能原则 3.经济性原则----根本原则 4.环境与资源原则
常见工程材料价格
材 料 铂 金 钨 钛合金 价格（美元/t） 材 料 硼―环氧树脂复 合材料 价格（美元/t） 900,000,000 330,000 200,000 2400~3300 26,000,000 工业金刚石 19,100,000 26,000 10,190~12,720
碳纤维复材料 （CFRP）
环境状况 温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无 腐蚀或摩擦作用）。 特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 2. 进行失效分析 失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析 常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。
几种常用零件的工作条件和失效形式如下:
工作条件 零件 应力种 类 载荷性 受载状 质 态
3．零件性能要求的指标化 将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性 能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）,再根据工 作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数 值。 (1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式 不同。 (2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理 的配合。
在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室 指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。
一、性能原则----首要原则 1. 分析零件的工作条件 1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计 算载荷引起的应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。 2)考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态 综合作用，提出更为复杂的性能要求。 3)最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。 受力状况: 载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等）， 载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载 荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。
常用失效形 式
过量变形， 断裂 疲劳断裂， 过量变形， 轴颈磨损
性能要求
螺栓
传动轴
拉、剪
弯、扭
静载
──
强度，塑性
综合力学性 能
循环， 轴颈摩 冲击 擦
传动齿 轮
压、弯
弹簧
扭、弯
表面高强度 断齿，磨损， 循环， 摩擦， 及疲劳极限， 疲劳断裂， 冲击 振动 心部强度及 接触疲劳 韧性 弹性极限， 交变， 弹性失稳， 振动 屈强比，疲 冲击 疲劳破坏 劳极限
性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠） 毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理 （淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）─→半精加工─→稳定化 处理（或氮化）─→精加工─→稳定化处理─→零件。 加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材 料的工艺性能。
2. 高分子材料的工艺性能
玻璃纤维复合材 料（GFRP）
黄铜（型材）
铝合金（型材） 低碳钢（型材）
1650~2336 尼龙66
2000~2440 环氧树脂 440~480 天然橡胶
3289
1650 1430
铸铁
硬质合金
260 Al2O3
66,000 玻璃
1100-1760
1500
我国常用金属材料的相对价格
材 料 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 合 金 结 构 钢 （ Cr-Ni 钢 除 外 ） 铬镍合金结构钢 （中合金钢） 滚珠轴承钢 相对价格 材 料 1 铬不锈钢 1.3-1.5 铬镍不锈钢 1.7-2.5 灰口铸铁 相对价格 5 15 1.4
一般
一般
低
低
高
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3. 陶瓷材料的工艺性能 成形后，受陶瓷加工性能的局限，除了可以用碳化 硅或金刚石砂轮磨削加工外，几乎不能进行任何其 它加工。因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其 加工性能的限制。
陶瓷材料的加工工艺路线
表 工 艺
陶瓷材料成形工艺的比较 优 点 缺 点 可做形状复杂件、 收缩大，尺寸精 薄壁件，成本低 度低，生产率低 可做形状复杂件， 设备较复杂，成 有高密度和高强 本高 度，精度较高 成本低，生产率 不能做薄壁件， 高 形状要对称 尺寸精度高，可 成本高 做形状复杂件
粉浆成形
压制成形 挤压成形 可塑成形
三、经济性原则---根本原则 产品成本与性能的关系：
产品成本分析
1. 基本材料的成本 材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（ 3070%）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手 段之一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材 料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到 80%）。
5
3
低合金工具钢
高速钢 硬质合金
3-4
16-20 150-200
铸造铝合金、 铜合金 普通黄铜 锡青铜、铝青 铜 钛合金 （工程塑料）
8-10
13-17
19
50-80 5-15
基本材料的价格的影响因素： 1.提炼和制取的成本 2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 3.材料的提纯、合金化（合成）成本 4.加工增值成本 5.供求关系所造成的价格波动
二、工艺性能原则： 1. 金属材料的工艺性能
金属零件的加工工艺路线
性能、质量要求不高的零件 毛坯─→正火或退火─→切削加工─→零件。 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能 均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理 （淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）─→精加工─→零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料 的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。
高分子材料的加工工艺路线
表
高分子材料主要成形工艺特点
尺寸精 度 好 非常好 模具 费用 高 很高 生产率 中等 高
工 艺 适用材 形 状 表面光 料 洁度 热压 范围较 复杂 很好 成形 广 形状 喷射 热塑性 复杂 很好 成形 塑料 形状
Leabharlann Baidu
热挤 成形 真空 成形
热塑性 塑料 热塑性 塑料
棒类
棒类
好
第七章 材料选择概述
选材的动机： 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。
§7.1 选材的基本原则及方法
§7.2 典型零件选材及工艺分析
§7.1选材的基本原则
1.使用性能原则----首要原则 2.工艺性能原则 3.经济性原则----根本原则 4.环境与资源原则
常见工程材料价格
材 料 铂 金 钨 钛合金 价格（美元/t） 材 料 硼―环氧树脂复 合材料 价格（美元/t） 900,000,000 330,000 200,000 2400~3300 26,000,000 工业金刚石 19,100,000 26,000 10,190~12,720
碳纤维复材料 （CFRP）
环境状况 温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无 腐蚀或摩擦作用）。 特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 2. 进行失效分析 失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析 常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。
几种常用零件的工作条件和失效形式如下:
工作条件 零件 应力种 类 载荷性 受载状 质 态
3．零件性能要求的指标化 将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性 能指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）,再根据工 作应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数 值。 (1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式 不同。 (2)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理 的配合。
在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室 指标、手册性能数据、经验关系式的局限性。
一、性能原则----首要原则 1. 分析零件的工作条件 1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计 算载荷引起的应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。 2)考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状态 综合作用，提出更为复杂的性能要求。 3)最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。 受力状况: 载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等）， 载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），载 荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。
常用失效形 式
过量变形， 断裂 疲劳断裂， 过量变形， 轴颈磨损
性能要求
螺栓
传动轴
拉、剪
弯、扭
静载
──
强度，塑性
综合力学性 能
循环， 轴颈摩 冲击 擦
传动齿 轮
压、弯
弹簧
扭、弯
表面高强度 断齿，磨损， 循环， 摩擦， 及疲劳极限， 疲劳断裂， 冲击 振动 心部强度及 接触疲劳 韧性 弹性极限， 交变， 弹性失稳， 振动 屈强比，疲 冲击 疲劳破坏 劳极限
性能和质量要求极高的零件（如精密丝杠） 毛坯─→预先热处理（正火、退火）─→粗加工─→最终热处理 （淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）─→半精加工─→稳定化 处理（或氮化）─→精加工─→稳定化处理─→零件。 加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材 料的工艺性能。
2. 高分子材料的工艺性能
玻璃纤维复合材 料（GFRP）
黄铜（型材）
铝合金（型材） 低碳钢（型材）
1650~2336 尼龙66
2000~2440 环氧树脂 440~480 天然橡胶
3289
1650 1430
铸铁
硬质合金
260 Al2O3
66,000 玻璃
1100-1760
1500
我国常用金属材料的相对价格
材 料 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 合 金 结 构 钢 （ Cr-Ni 钢 除 外 ） 铬镍合金结构钢 （中合金钢） 滚珠轴承钢 相对价格 材 料 1 铬不锈钢 1.3-1.5 铬镍不锈钢 1.7-2.5 灰口铸铁 相对价格 5 15 1.4