机械工程材料 教学课件 ppt 作者 罗中平 主编14 第十一章 机械零件的选材和应用.pptVIP

/24 第二节 材料选择的步骤与方法 一、材料选择的基本步骤 机械零件选材的一般方法、步骤是： 1.根据零件的工作条件与失效方式提出零件材料的主要性能指标与技术条件。 2.根据提出的主要性能指标和技术条件结合工艺性和经济性综合考虑，借助有关的材料手册进行初选。 3.对预选材料进行计算以确定是否满足使用性能要求。 4.根据计算的结果进行材料的二次选择，初步确定所选材料与成形工艺。 5.综合评价，确定材料牌号，决定成形工艺和热处理方法。 6.必要时，通过试验与小批量试生产最终选定适用的材料。 以上材料选择步骤只是一般过程，并非一成不变。实际工作中，往往根据具体情况，侧重于其中某个或某些步骤。 二、材料选择的具体方法和依据 1.依据零件的结构特征选择 轴类零件一般常采用锻造成形，材料为中碳非合金钢如45钢或中碳合金钢如40Cr；异形轴也可采用球墨铸铁毛坯；特殊要求的轴也可采用特殊性能钢。 盘套类零件以齿轮应用最为广泛，以中碳钢锻造或铸造为多。小齿轮可用圆钢为原料，也可采用冲压甚至直接冷挤压成形。 箱体类零件以灰铸铁铸件最多。支架类零件批量小时可采用低碳钢型材用焊接获得。 2.依据最大经济性选择 为获得最大的经济性，对零件材料的选择要具体分析。如简单形状的螺钉螺栓等零件，不仅要考虑材料的相对价格，而且要注意加工方法和加工性能。如大批量制造标准螺钉，一般采用冷镦钢，使用冷镦、搓丝方法制造。许多零件都具有两种或两种以上的成形和加工方法的可能性，增加了选择的复杂性。如生产一个小齿轮，可以从棒料切削而成，也可以采用小余量锻造齿坯，还可以用粉末冶金制造。在全部方案中，最终选择应在比较全部成本的基础上确定。 3.依据力学性能要求选择 (1)以综合力学性能为主的选材 在机械制造生产中，有相当多的结构零件按照这种方法选择材料。如一般轴类、连杆、重要螺栓和低速轻载齿轮，它们工作时承受循环载荷与冲击载荷，失效主要是过量变形和断裂(大多数是疲劳断裂)，要求材料具有较好的综合力学性能，既要有较高的强度和疲劳极限，还要有良好的塑性和韧性，以增强零件抵抗过载和断裂的能力。 对于一般零件，可选用调质或正火的中碳钢、淬火并低温回火状态的低碳钢、正火或等温淬火状态的球墨铸铁等材料。如果是重要的零件，尤其是要求整个截面性能均匀一致的零件，则可选用合金调质钢或经控制锻造的合金非调质钢或超高强钢等。对于受力较小并要求有较高比强度或比刚度的零件，可考虑选用变形铝合金、镁合金或工程塑料、复合材料等。 (2)以抗磨损性能为主的选材 磨损是工程普遍存在的现象，机械零件在接触状态下运动时的相互摩擦，零件加工过程中被加工材料与工模具之间的相互摩擦等，都会导致磨损产生。因此，有不少零件是以磨损为主要失效形式的。但对于在不同使用条件下工作的要求耐磨的零件，选材时还应进行具体分析，大致有以下三类情况。 一类是受力较小、也不受大的冲击或振动，但摩擦较剧烈的零件，如钻套、顶尖、冷冲模、切削刀具、量具等，主要要求高硬度，保证高的耐磨性。一般多选用经淬火及低温回火的高碳钢或高碳合金钢；有时还可选用硬质合金或陶瓷材料等；铸件则可选用耐磨铸铁，如白口铸铁、冷硬铸铁等。 另一类是同时受磨损与交变应力或冲击载荷的零件，它们的主要失效形式除磨损外，还可能是过量变形或断裂。对同一零件的表面和心部具有不同的性能(表硬里韧)。选材时应根据零件工作条件，优先考虑满足心部强韧性要求的材料，然后再用相应的表面硬化方法满足耐磨性要求。如机床齿轮、凸轮轴，选用中碳钢或中碳合金钢，正火或调质后表面淬火或渗氮。汽车变速箱齿轮、花键轴套等零件，因在较高的冲击载荷下工作，对心部的塑性韧性要求高，可选用低碳钢或低碳合金钢，经渗碳淬火及低温回火处理。 再一类是在耐磨的同时，还要求有良好的减摩性的摩擦副零件，如滑动轴承、轴套、某些涡轮和齿轮等。常用的材料有轴承合金、青铜、灰铸铁和工程塑料等。 (3)以抗疲劳为主的选材 在交变应力下工作的零件，如发动机曲轴、滚动轴承、弹簧等，最主要的失效形式是疲劳破坏，在选材时应着重考虑抗疲劳性能。一般可选用低碳钢或低碳合金钢经淬火及低温回火，中碳钢或中碳合金钢经调质或淬火及中温回火，超高强钢经等温淬火及低温回火，来获得较高的抗疲劳性能。 由于疲劳裂纹往往产生于零件的表层，因此进行表面强化处理是提高疲劳抗力的有效方法