摘要

 

本文首先介绍了机械零件的选材原则，对工业上应用最广泛的四大类典型工件(齿轮、轴类零件、弹簧和刃具)的工作条件、失效形式、性能要求及选材分析进行详细讲解，并举例说明典型工件的工艺路线。

 

机械零件选材原则

 

01 使用性能原则

 

使用性能

使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。

 

零件使用的工时条件

（1）受力状况  

 

主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。

 

（2）环境状况  

 

主要是温度特性、介质情况等。 

 

（3）特殊要求  

 

如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。

 

根据使用性能对零件进行选材的步骤

第一步:

 

通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求；

 

第二步:

 

利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标；

 

第三步:

 

根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；

 

第四步:

 

由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值； 

 

第五步:

 

利用手册根据使用性能选材。

 

常见零件的工作和失效形式

 

由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况：

 

1）材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。

 

2）材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。

 

3）材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。

 

02 工艺性能原则

 

材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。

 

 

1. 性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线

 

毛坯→正火或退火→切削加工→零件。

 

2. 性能要求较高的金属零件选材的工艺路线

 

毛坯→预先热处理(正火、退火)→粗加工→最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)→精加工→零件。

 

3. 性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线

 

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。

 

  这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。

 

03 经济性原则

 

材料的价格

零件材料的价格无疑应该尽量低。

 

材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%～70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。 

 

零件的总成本

零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。

 

国家的资源

随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。　

 

典型工件工艺路线设计详解

 

01 齿轮选材

 

1.齿轮的工作条件

 

(1) 由于传递扭矩，齿根承受很大的交变弯曲应力；

(2) 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受一定冲击载荷；

(3) 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的接触压应力及摩擦力的作用。

 

2.齿轮的失效形式

 

(1) 疲劳断裂  

 

主要从根部发生；

(2) 齿面磨损  

 

由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小；

 

(3) 齿面接触疲劳破坏  

 

在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)；

 

(4) 过载断裂  

 

主要是冲击载荷过大造成的断齿。

 

 

3.齿轮材料的性能要求

(1) 高的弯曲疲劳强度；

(2) 高的接触疲劳强度和耐磨性；

(3) 较高的强度和冲击韧性。

此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。

 

4.齿轮类零件的选材

  齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。

 

  从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的材料。

 

5.典型齿轮选材举例                     

 

 

 

02 轴类零件选材

 

1.轴类零件的工作条件

(1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力的复合作用；

(2) 轴与轴上零件有相对运动, 相互间存在摩擦和磨损；

(3) 轴在高速运转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷；

(4) 多数轴会承受一定的过载载荷。

 

2.轴类零件的失效方式

 

(1)长期交变载荷下的疲劳断裂（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）；

 

(2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂；

 

(3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。

 

 

3.轴类零件的性能要求

(1)良好的综合机械性能，足够强度、塑性和一定韧性, 以防过载断裂、冲击断裂；

(2)高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂；

(3)足够淬透性, 热处理后表面要有高硬度、高耐磨性, 以防磨损失效；

(4)良好切削加工性能, 价格便宜。

 

4.轴类零件材料及选材方法

  1）材料

 

  经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造（兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）；一般轴类零件使用碳钢（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。

 

  2）选择原则

 

  根据载荷大小、类型等决定。主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性高的钢种；受轴向载荷轴，因心部受力较大，应具有较高淬透性。

 

5.典型轴的选材

 

  3）机床主轴选材

 

  以C620车床主轴为例进行选材。 

 

  该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。但大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。

 

图23

 

  4）内燃机曲轴选材        

 

工作条件  

曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击等交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。

 

性能要求  

曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。

 

曲轴材料

锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢，如35、40、45、35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等；

 

铸造曲轴：铸钢、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。

 

 

 

  5）175A型农用柴油机曲轴选材  

 

 

性能要求  

农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。要求σb≥750 MPa, 整体硬度240 HBS～260 HBS, 轴颈表面硬度≥625 HV, δ≥2%,  ak≥150 kJ/m2。

 

曲轴材料 

QT700-2 n  

 

工艺路线   

铸造－高温正火－高温回火－切削加工－轴颈气体渗氮。

 

汽车发动机曲轴也可用45、40Cr钢制造，经过模锻、调质、切削加工后, 在轴颈部位进行表面淬火。

 

03 弹簧选材

 

弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是利用材料的弹性和弹簧本身的结构特点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。

 

弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。

 

 

1.弹簧有下列用途：

 

(1) 缓冲或减振  

 

  如汽车、拖拉机、火车中使用的悬挂弹簧。

 

(2) 定位  

 

  如机床及其夹具中利用弹簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。

 

(3) 复原  

 

  外力去除后自动恢复到原来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。

 

(4) 储存和释放能量  

 

  如钟表、玩具中的发条。

 

(5) 测力  

 

  如弹簧称、测力计中使用的弹簧。

 

2.弹簧的工作条件

 

(1) 弹簧在外力作用下压缩、拉伸、扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。

 

(2) 缓冲、减振或复原用的弹簧承受交变应力和冲击载荷的作用。

 

(3) 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用。

 

3.弹簧的失效形式

 

(1) 塑性变形  

 

  在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。

 

(2) 疲劳断裂  

 

  在交变应力作用下，弹簧表面缺陷(裂纹、折迭、刻痕、夹杂物)处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。

 

(3) 快速脆性断裂  

 

  某些弹簧存在材料缺陷(如粗大夹杂物，过多脆性相)、加工缺陷(如折迭、划痕)、热处理缺陷(淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够)等，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。

 

(4) 腐蚀断裂及永久变形  

 

  在腐蚀性介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。

 

4.弹簧材料的性能要求

 

(1) 高的弹性极限σe和高的屈强比σs/σb   

 

  弹簧工作时不允许有永久变形，因此要求弹簧的工作应力不超过材料的弹性极限。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。对于承受重载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材料需要高的弹性极限。

 

  当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金弹簧钢丝的抗拉强度相差很小，但屈强比差别较大。65钢为0.7，60Si2Mn钢为0.75、50CrVA钢为0.9。屈强比高，弹簧可承受更高的应力。

 

(2) 高的疲劳强度  

 

  弯曲疲劳强度σ-1和扭转疲劳强度τ-1越大，则弹簧的抗疲劳性能越好。

 

(3) 好的材质和表面质量  

 

  夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好，缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断裂十分重要。

 

(4) 某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和耐热性    保证在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能。

 

5.弹簧的选材

 

  ①弹簧钢

 

根据生产特点的不同，分为两大类：

 

（1）热轧弹簧用材  

 

通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。 

 

（2）冷轧(拔)弹簧用材  

 

以盘条、钢丝或薄钢带(片)供应，用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。

 

 

  ②不锈钢

 

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 通过冷轧(拔)加工成带或丝材, 制造在腐蚀性介质中使用的弹簧。

 

  ③黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜  

 

具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质中工作的弹性元件。

 

6.典型弹簧钢选材

 

 

 

 

 

 

04 刃具选材

 

切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。

 

1.刃具的工作条件

 

(1) 刃具切削材料时，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力。某些刃具(如钻头、铰刀)还会受到较大的扭转应力作用。

 

(2) 刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃部温度可升到500 ºC～600 ºC。

 

(3) 机用刃具往往承受较大的冲击与震动。

 

2.刃具的失效形式

 

(1) 磨损  

 

由于摩擦，刃具刃部易磨损，这不但增加了切削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。

 

(2) 断裂  

 

刃具在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。

 

(3) 刃部软化  

 

由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。

 

3.刃具材料的性能要求

 

(1) 高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62 HRC；(2) 高的红硬性；

 

(3) 强韧性好；

 

(4) 高的淬透性。可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形和开裂。

 

4.刃具的选材

 

制造刃具的材料有碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等，根据刃具的使用条件和性能要求不同进行选用。

 

（1）简单的手用刃具  

 

手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。如T8、T10、T12钢等。碳素工具钢价格较低, 但淬透性差。

 

（2）低速切削、形状较复杂的刃具  

 

丝锥、板牙、拉刀等可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造。因钢中加入了Cr、W、Mn等元素, 使钢的淬透性和耐磨性大大提高, 耐热性和韧性也有所改善, 可在< 300 ºC的温度下使用。

 

（3）高速切削用的刃具

 

1) 用高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)制造  

 

  高速钢具有高硬度、高耐磨性、高的红硬性、好的强韧性和高的淬透性的特点, 因此在刃具制造中广泛使用, 用来制造车刀、铣刀、钻头和其它复杂、精密刀具。高速钢的硬度为62HRC～68HRC, 切削温度可达500 ºC～550 ºC, 价格较贵。

 

2) 硬质合金制造  

 

  硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物(TiC、WC)和金属用粉末冶金方法制成, 常用硬质合金的牌号有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬质合金的硬度很高(89HRA～94HRA), 耐磨性、耐热性好, 使用温度可达1000 ºC。它的切削速度比高速钢高几倍。硬质合金制造刀具时的工艺性比高速钢差。一般制成形状简单的刀头, 用钎焊的方法将刀头焊接在碳钢制造的刀杆或刀盘上。硬质合金刀具用于高速强力切削和难加工材料的切削。硬质合金的抗弯强度较低, 冲击韧性较差, 价格贵。

 

3) 用陶瓷制造  

 

  陶瓷硬度极高、耐磨性好、红硬性极高, 也用来制造刃具。热压氮化硅(Si3N4)陶瓷显微硬度为5000 HV, 耐热温度可达1400 ºC。立方氮化硼的显微硬度可达8000 HV～9000 HV, 允许的工作温度达1400 ºC～1500 ºC。陶瓷刀具一般为正方形、等边三角形的形状, 制成不重磨刀片, 装夹在夹具中使用。用于各种淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料的精加工和半精加工。陶瓷刀具抗冲击能力较低, 易崩刃。

 

5.刃具选材举例

 

 

 

 

 

小结

 

1.齿轮    

 

主要要求疲劳强度，特别是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据受力分析，齿轮类零件选用低、中碳钢或其合金钢，如机床齿轮用中碳钢或中碳合金钢，汽车齿轮用合金渗碳钢。

 

2.轴类零件     

 

要求强度并兼顾冲击韧性和表面耐磨性。轴一般用锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造，如机床主轴可选用45钢，内燃机曲轴主要用优质中碳钢或中碳合金钢制造。

 

3.弹簧    

 

主要要求高的弹性极限、高的屈强比和高的疲劳强度。弹簧一般选用碳素钢、合金弹簧钢和铜合金等金属材料制造，如汽车弹簧用65Mn、60Si2Mn钢制造，气门弹簧用50CrMn、55SiMnMoV等钢制造。

 

4.刃具     

 

主要要求硬度、耐磨性和红硬性。可根据不同的使用条件选用碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等，如手动刃具可用T8、T10等碳素工具钢，低速切削刃具可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造，高速切削刃具需选用高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2制造等。