第六節(jié)材料的選擇一、材料選擇應(yīng)注意的主要問題針對(duì)具體的應(yīng)用條件選擇合適的機(jī)械零件材料時(shí)，需要考慮的主要問題有三：①所選材料的特性和在承載或溫度或其它環(huán)境因素變化條件下的行為能否滿足零件在工作時(shí)所遇到的各種情況下的要求，包括使用壽命方面的要求，這是材料的工作能力，常常表現(xiàn)為承載能力的問題；②所選材料是否容易加工，適合所設(shè)計(jì)的零件的可能的加工條件，這是材料的加工工藝性能問題；③用所選材料制成的零件，其材料費(fèi)和由材料引出的加工費(fèi)是否較低而在零件成本中占的百分?jǐn)?shù)比較合理，這是材料的經(jīng)濟(jì)性問題。1(—)材料的工作能力問題1、不同零件所要求的材料使用主要有：強(qiáng)度、剛度、耐磨性、美觀的要求。2、選材時(shí)首要任務(wù)：準(zhǔn)確地判斷零件所要求的主要使用性能。3、零件工作情況、工作條件的分析：1）分析零件工作所承受載荷的類型、大小、方向，以及隨時(shí)間的變化，包括沖擊性載荷與振動(dòng)載荷等；2）摸清由載荷引起的零件內(nèi)力反應(yīng)，變形和應(yīng)力，以及它們的分布與集中情況等。在此基礎(chǔ)上．分析零件可能的失效形式，并從防止失效出發(fā)，明確對(duì)材料使用性能的要求。3）零件的工作環(huán)境因素，如溫度和介質(zhì)的性質(zhì)(如鹽霧)和對(duì)材料的特殊性能。如絕緣性、導(dǎo)電性、磁性、導(dǎo)熱性、熱膨脹特性等的要求，也是選擇零件材料時(shí)的重要使用性能依據(jù)。2(二)材料的工藝性能的問題選擇零件的材料時(shí)，對(duì)材料的工藝性能要比使用性能處于次要地位．但也是—個(gè)重要的考慮因素．它關(guān)系列零件的制造是否可能、難易和經(jīng)濟(jì)。金屬零件的工藝路線大體分為三類：1．力學(xué)性能要求不高的一般零件毛坯→正火或退火→機(jī)械加工→零件。毛坯一般用鑄鐵或碳鋼。如果采用型材直接加工成零件，則因材料出廠前已經(jīng)過退火及正火，就不必再經(jīng)過熱處理了。這類零件由于對(duì)力學(xué)性能要求不高，一般用比較普通的材料，其加工性能都很好。32．力學(xué)性能要求較高的一般零件毛坯→正火或退火→粗加工→最后熱處理(淬火、回火或滲碳處理等)→精加工預(yù)先熱處理中的正火(低、中碳鋼)或退火(中、高碳鋼)的主要作用是消除組織缺陷和改善機(jī)械加工性能，例如各種合金鋼、高強(qiáng)度合金制造的齒輪軸等均采用這種工藝。3．要求較高的精密零件這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要求有相當(dāng)高的尺寸精度和較低的表面粗糙度。由于加工工藝一般比較復(fù)雜，性能與尺寸要求很高，零件所用材料的工藝性能應(yīng)充分保證。4此外，選擇材料時(shí)，根據(jù)毛坯制造工藝要考慮材料的鍛造性能、鑄造性能、焊接性能等。例如需要焊接的零件要選用低碳鋼。以上以金屬材料為例的注意各項(xiàng)，對(duì)塑料等材料的選用也是基本適用的。(三)材料的經(jīng)濟(jì)性問題材料的經(jīng)濟(jì)性不僅是指材料本身價(jià)格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選用的材料來制造零件時(shí)。有助于產(chǎn)品的總成本降至最低，同時(shí)所選材料應(yīng)符合國(guó)家資源狀況和供應(yīng)情況等。5二、常用材料機(jī)械結(jié)構(gòu)常用材料有鑄鋼、鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵、有色金屬、非金屬材料和復(fù)合材料等。1、鑄鋼鑄鋼主要用于制造承受重載的大型零件。由于內(nèi)部組織不如軋制或鍛造鋼件，其強(qiáng)度略低于普通鍛鋼．但其杭彎強(qiáng)度約為灰鑄鐵的二倍，抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，抗扭強(qiáng)度約高50％．其減震性和減摩性均較灰鑄鐵略差。目前大都采用正火、回火作為最終熱處理。按用途可分為一般用途的普通碳素鑄鋼、低合金鑄鋼、耐腐蝕鑄鋼和耐熱鑄鋼等特殊用途鑄鋼。其中碳素鑄鋼應(yīng)用最廣，占鑄鋼總產(chǎn)量的80％以上。低碳素鑄鋼有良好的導(dǎo)磁性，常用于鑄造電磁吸盤和電機(jī)殼體以及各種形狀的機(jī)件，如機(jī)座、變速箱殼等。中碳素鑄鋼的綜合的機(jī)械性能比較全面，廣泛應(yīng)用于鑄造重要的機(jī)械零件如軋鋼機(jī)機(jī)架、機(jī)車車架、重型齒輪、聯(lián)軸器等。高碳素鑄鋼因韌性較差，很少應(yīng)用。6不銹耐酸鑄鋼可用于石油、化工、原子能工業(yè)中的流體機(jī)械的零件，如泵殼、閥、葉輪、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪或葉片、螺旋槳、離心鑄件等。一般工程用國(guó)產(chǎn)鑄鋼有五種牌號(hào)，其力學(xué)性能見表6—l672、鋼鋼是機(jī)器制造中用得最廣泛的材料，常用的鋼材有碳素鋼、合金鋼，品種較多。選擇鋼材時(shí)，除了零件的使用要求外，還必須考慮材料的熱處理性能和機(jī)械加工性能。1）鋼的分類：在碳素鋼的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同要求再加人各種元素如Ni，Cr，Mo，W，V，Ti，B等，以改善各種性能，例如提高淬透性、耐磨性、硬度、沖擊韌性、斷裂韌性和高溫強(qiáng)度等。8常根據(jù)合金元素含量的多少，把合金鋼分為：低合金鋼（＜5％，中合金鋼(5％一10％)，以及高合金鋼(＞10％)。也可按用途分：①合金結(jié)構(gòu)鋼。這類鋼含碳量低，含合金元素不超過5％，有良好的韌性和可焊性，適合橋梁，船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、起重機(jī)等用。而在優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上增加某些元素而成的合金結(jié)構(gòu)鋼能制造重要的機(jī)械零件，常用的有20Cr．40Cr，35CrMo，18CrMnTi，40CrNiMo等可用于各類軸、齒輪、活塞銷等零件。這類零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?、才能達(dá)到所需的機(jī)械性能。②合金工具鋼。這類鋼主要用于制造刀具、量具和模具。③特殊性能合金鋼。這類鋼具有特殊的物理化學(xué)性能，如耐磨、耐蝕、導(dǎo)磁、抗磁等。ZGMn13是著名的耐磨鋼，用于回旋破碎機(jī)主軸，掘土機(jī)鏟齒、拖拉機(jī)履帶等零件。9例如：工具鋼中的刃具鋼：刃具鋼用于在工作中受到很大的切削力、摩擦與切削熱作用的產(chǎn)品，因而要具備高的硬度(60HRC以上)、耐磨性和高的熱硬性，還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和韌性，以防斷裂或崩刃。根據(jù)化學(xué)成分，刃具鋼可分為碳素工具鋼、低合金刃具鋼及高速鋼三類。A）碳素工具鋼含碳量在0.65％一1.35％的優(yōu)質(zhì)或高級(jí)優(yōu)質(zhì)高碳鋼。高碳含量可保證淬后有足夠的硬度。常用碳素工具鋼的牌號(hào)、熱處理及用途見表6—14。1011B）低合金刃具鋼低合金刃具鋼最高工作溫度不超過300℃。含碳量一般在0.8％一1.5％，以保證足夠的淬硬性和耐磨性。合金元素總含量通常不大于5％。主要加入元素鉻、硅、錳，以提高鋼的淬透性和強(qiáng)度。再輔以鎢和釩等，以形成碳化物、提高鋼的硬度、耐磨性和熱硬性。低合金刃具鋼的熱處理與軸承鋼相近。常用低合金刃具鋼的牌號(hào)、熱處理及用途列于表6—15。最常用的低合金刃具鋼是9SiCr、CrWMn、9Mn2V和CrW5。1213C）高速鋼高速鋼是一種含多種合金元素的高合金鋼，含碳量達(dá)0.7％一1.5％，并加入較多的鉻、鎢、釩等合金元素，其總含量達(dá)10％一25％。鉻能提高鋼的淬透性；鎢能提高熱硬性；釩不僅提高鋼的硬度和耐磨性，還能降低鋼的過熱傾向并細(xì)化晶粒。常用高速鋼的牌號(hào)、熱處理及用途見表6-16。其中W18Cr4V應(yīng)用最廣，常用來制造各種切削刀具，如車刀、銑刀、拉刀、創(chuàng)刀等，工作溫度可達(dá)600℃。14152）鋼的編號(hào)1617183）鋼的成分特點(diǎn)：19204）雜質(zhì)S、P的影響鋼中作為雜質(zhì)存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。Mn、Si一般是為脫氧加入鋼中的，它對(duì)鋼的力學(xué)性能有提高作用，能脫硫。硫和磷是隨煉鋼原材料進(jìn)入鋼中。硫與鐵形成化合物FeS。FeS與Fe形成低熔點(diǎn)晶，當(dāng)鋼進(jìn)行加熱時(shí)，會(huì)因共晶體熔化而脆化開裂，這稱為“熱脆”；磷溶于鐵素體會(huì)導(dǎo)致鋼在低溫時(shí)的塑性、韌性急劇下降，稱為“冷脆”。屬有害元素，應(yīng)子嚴(yán)格限制。生產(chǎn)上根據(jù)鋼中S、P含量，把鋼分為普通鋼(S＜0.055％、P＜0.045％)、優(yōu)質(zhì)鋼(S、P＜0.040％)、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(S＜0.030％、P＜0.035％)。硫、磷雖是有害元素，但在某些情況下卻有有益的一面，如硫與錳同時(shí)加入鋼中，形成的MnS會(huì)使切削時(shí)易于斷屑，這種鋼稱為易切削鋼。含磷和銅的低碳鋼可以提高鋼在大氣中的耐蝕性。215)鋼的型材加工煉成的鋼液可通過直接澆鑄成鑄鋼件，即形成結(jié)構(gòu)、形狀寸與零件大致相同的鑄造毛坯。但絕大部分都是先澆鑄成鋼錠后再經(jīng)塑性變形成形。少量鋼錠通過鍛造成形。更多的是經(jīng)軋制、擠壓和拉拔等方法制成各種鋼材，如鋼管、鋼板、型鋼、鋼絲等，如圖6—1所示。223、鑄鐵具有良好的鑄造性能、切削性能，容易獲得。但可焊性差．只能用鑄造方法來成形鑄件。缺點(diǎn)是強(qiáng)度較低。鑄鐵一般分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和特殊鑄鐵等?；诣T鐵的斷面呈暗灰色，強(qiáng)度較低，脆性較大，但耐磨性比較好，用于中等載荷下的結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜的薄壁件，使用溫度不能超過400℃；可鍛鑄鐵有較好的強(qiáng)度和塑性、耐磨性和減振性優(yōu)于普通碳素鋼，適于制造尺寸小、形狀復(fù)雜，不能用鑄鋼或鍛鋼制造的零件，如汽車前后輪殼、礦用輪、三通、低壓閥門等；球墨鑄鐵耐磨性非常突出，強(qiáng)度和普通碳素鋼接近．但塑性和韌性較鋼低，適合制造閥體、軸瓦、曲軸、凸輪軸等零件?；诣T鐵鑄件的抗拉強(qiáng)度見表6—12，球墨鑄鐵的力學(xué)性能見表6—13，可鍛鑄鐵的力學(xué)性能見表6l—14和6—15。23242526274、有色金屬常用的有色金屬有鋁、銅、鋅、錫、鉛、鎂等。純金屬強(qiáng)度低，一般不單獨(dú)用；而是以合金來制造零件。常用鋁合金和銅合金。(1)鋁合金具有以下特點(diǎn)：