摘要

 

本文首先介紹了機(jī)械零件的選材原則，對(duì)工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的四大類典型工件(齒輪、軸類零件、彈簧和刃具)的工作條件、失效形式、性能要求及選材分析進(jìn)行詳細(xì)講解，并舉例說明典型工件的工藝路線。

 

機(jī)械零件選材原則

 

01 使用性能原則

 

使用性能

使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能。對(duì)大量機(jī)器零件和工程構(gòu)件，則主要是機(jī)械性能。對(duì)一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿足使用要求。

 

零件使用的工時(shí)條件

（1）受力狀況  

 

主要是載荷的類型(例如動(dòng)載、靜載、循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等)和大??；載荷的形式；載荷的特點(diǎn)等。

 

（2）環(huán)境狀況  

 

主要是溫度特性、介質(zhì)情況等。 

 

（3）特殊要求  

 

如對(duì)導(dǎo)電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。

 

根據(jù)使用性能對(duì)零件進(jìn)行選材的步驟

第一步:

 

通過對(duì)零件工作條件和失效形式的全面分析，確定零件對(duì)使用性能的要求；

 

第二步:

 

利用使用性能與實(shí)驗(yàn)室性能的相應(yīng)關(guān)系，將使用性能具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室機(jī)械性能指標(biāo)；

 

第三步:

 

根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計(jì)算出零件中的應(yīng)力分布；

 

第四步:

 

由工作應(yīng)力、使用壽命或安全性與實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)的關(guān)系，確定對(duì)實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)要求的具體數(shù)值； 

 

第五步:

 

利用手冊(cè)根據(jù)使用性能選材。

 

常見零件的工作和失效形式

 

由于零件所要求的機(jī)械性能數(shù)據(jù)，不能簡單地同手冊(cè)、書本中所給出的完全等同相待，還必須注意以下情況：

 

1）材料的性能不單與化學(xué)成分有關(guān)，也與加工、處理后的狀態(tài)有關(guān)。

 

2）材料的性能與加工處理時(shí)試樣的尺寸有關(guān)，必須考慮零件尺寸與手冊(cè)中試樣尺寸的差別，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/span>

 

3）材料的化學(xué)成分、加工處理的工藝參數(shù)本身都有一定波動(dòng)范圍。

 

02 工藝性能原則

 

材料的工藝性能應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求，這是選材必須考慮的問題。

 

 

1. 性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝路線

 

毛坯→正火或退火→切削加工→零件。

 

2. 性能要求較高的金屬零件選材的工藝路線

 

毛坯→預(yù)先熱處理(正火、退火)→粗加工→最終熱處理(淬火、回火，固溶時(shí)效或滲碳處理等)→精加工→零件。

 

3. 性能要求較高的精密金屬零件選材的工藝路線

 

毛坯→預(yù)先熱處理(正火、退火)→粗加工→最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時(shí)效或滲碳)→半精加工→穩(wěn)定化處理或氮化→精加工→穩(wěn)定化處理→零件。

 

  這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要有很高的尺寸精度和表面光潔度。

 

03 經(jīng)濟(jì)性原則

 

材料的價(jià)格

零件材料的價(jià)格無疑應(yīng)該盡量低。

 

材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在許多工業(yè)部門中可占產(chǎn)品價(jià)格的30%～70%，因此設(shè)計(jì)人員要十分關(guān)心材料的市場價(jià)格。 

 

零件的總成本

零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān)。

 

國家的資源

隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時(shí)必須對(duì)此有所考慮，特別是對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，所用材料應(yīng)該來源豐富并顧及我國資源狀況。另外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料?！?/span>

 

典型工件工藝路線設(shè)計(jì)詳解

 

01 齒輪選材

 

1.齒輪的工作條件

 

(1) 由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力；

(2) 換擋、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部承受一定沖擊載荷；

(3) 齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。

 

2.齒輪的失效形式

 

(1) 疲勞斷裂  

 

主要從根部發(fā)生；

(2) 齒面磨損  

 

由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變??；

 

(3) 齒面接觸疲勞破壞  

 

在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展，引起點(diǎn)狀剝落(或稱麻點(diǎn))；

 

(4) 過載斷裂  

 

主要是沖擊載荷過大造成的斷齒。

 

 

3.齒輪材料的性能要求

(1) 高的彎曲疲勞強(qiáng)度；

(2) 高的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性；

(3) 較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。

此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。

 

4.齒輪類零件的選材

  齒輪材料要求的性能主要是疲勞強(qiáng)度，尤其是彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。表面硬度越高，疲勞強(qiáng)度也越高。齒心應(yīng)有足夠的沖擊韌性，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。

 

  從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或其合金鋼。它們經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，表面有高的強(qiáng)度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。此外，這類鋼的工藝性能好，經(jīng)濟(jì)上也較合理，所以是比較理想的材料。

 

5.典型齒輪選材舉例                     

 

 

 

02 軸類零件選材

 

1.軸類零件的工作條件

(1) 工作時(shí)主要受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的復(fù)合作用；

(2) 軸與軸上零件有相對(duì)運(yùn)動(dòng), 相互間存在摩擦和磨損；

(3) 軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng), 使軸承受沖擊載荷；

(4) 多數(shù)軸會(huì)承受一定的過載載荷。

 

2.軸類零件的失效方式

 

(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂（包括扭轉(zhuǎn)疲勞和彎曲疲勞斷裂）；

 

(2)大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂；

 

(3)與其它零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的表面過度磨損。

 

 

3.軸類零件的性能要求

(1)良好的綜合機(jī)械性能，足夠強(qiáng)度、塑性和一定韌性, 以防過載斷裂、沖擊斷裂；

(2)高疲勞強(qiáng)度, 對(duì)應(yīng)力集中敏感性低, 以防疲勞斷裂；

(3)足夠淬透性, 熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性, 以防磨損失效；

(4)良好切削加工性能, 價(jià)格便宜。

 

4.軸類零件材料及選材方法

  1）材料

 

  經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強(qiáng)度和韌性，同時(shí)考慮疲勞抗力）；一般軸類零件使用碳鋼（便宜，有一定綜合機(jī)械性能、對(duì)應(yīng)力集中敏感性較小），如35、40、45、50鋼，經(jīng)正火、調(diào)質(zhì)或表面淬火熱處理改善性能；載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時(shí)采用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨鑄鐵和高強(qiáng)度灰鑄鐵作曲軸的材料。

 

  2）選擇原則

 

  根據(jù)載荷大小、類型等決定。主要受扭轉(zhuǎn)、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種；受軸向載荷軸，因心部受力較大，應(yīng)具有較高淬透性。

 

5.典型軸的選材

 

  3）機(jī)床主軸選材

 

  以C620車床主軸為例進(jìn)行選材。 

 

  該主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力作用，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機(jī)械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。

 

圖23

 

  4）內(nèi)燃機(jī)曲軸選材        

 

工作條件  

曲軸受彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、拉壓、沖擊等交變應(yīng)力，還可造成曲軸的扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)，產(chǎn)生附加應(yīng)力；應(yīng)力分布不均勻；曲軸頸與軸承有滑動(dòng)摩擦。

 

性能要求  

曲軸的失效形式主要是疲勞斷裂和軸頸嚴(yán)重磨損。因此材料要有高強(qiáng)度、一定的沖擊韌性、足夠彎曲、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度和剛度，軸頸表面有高硬度和耐磨性。

 

曲軸材料

鍛鋼曲軸：優(yōu)質(zhì)中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr, 35CrMo鋼等；

 

鑄造曲軸：鑄鋼、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。

 

 

 

  5）175A型農(nóng)用柴油機(jī)曲軸選材  

 

 

性能要求  

農(nóng)用柴油機(jī)曲軸功率和承受載荷不大；但滑動(dòng)軸承中工作軸頸部要有較高硬度及耐磨。要求σb≥750 MPa, 整體硬度240 HBS～260 HBS, 軸頸表面硬度≥625 HV, δ≥2%,  ak≥150 kJ/m2。

 

曲軸材料 

QT700-2 n  

 

工藝路線   

鑄造－高溫正火－高溫回火－切削加工－軸頸氣體滲氮。

 

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸也可用45、40Cr鋼制造，經(jīng)過模鍛、調(diào)質(zhì)、切削加工后, 在軸頸部位進(jìn)行表面淬火。

 

03 彈簧選材

 

彈簧是一種重要的機(jī)械零件。它的基本作用是利用材料的彈性和彈簧本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在載荷作用產(chǎn)生下變形時(shí)，把機(jī)械功或動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫兡?；在恢?fù)變形時(shí)，把形變能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能或機(jī)械功。

 

彈簧按形狀分主要有螺旋彈簧(壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)彈簧)、板彈簧、片彈簧和蝸卷彈簧幾種。

 

 

1.彈簧有下列用途：

 

(1) 緩沖或減振  

 

  如汽車、拖拉機(jī)、火車中使用的懸掛彈簧。

 

(2) 定位  

 

  如機(jī)床及其夾具中利用彈簧將定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

 

(3) 復(fù)原  

 

  外力去除后自動(dòng)恢復(fù)到原來位置，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣門彈簧。

 

(4) 儲(chǔ)存和釋放能量  

 

  如鐘表、玩具中的發(fā)條。

 

(5) 測(cè)力  

 

  如彈簧稱、測(cè)力計(jì)中使用的彈簧。

 

2.彈簧的工作條件

 

(1) 彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)時(shí)，材料將承受彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

 

(2) 緩沖、減振或復(fù)原用的彈簧承受交變應(yīng)力和沖擊載荷的作用。

 

(3) 某些彈簧受到腐蝕介質(zhì)和高溫的作用。

 

3.彈簧的失效形式

 

(1) 塑性變形  

 

  在外載荷作用下，材料內(nèi)部產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超過材料本身的屈服應(yīng)力后，彈簧發(fā)生塑性變形。外載荷去掉后，彈簧不能恢復(fù)到原始尺寸和形狀。

 

(2) 疲勞斷裂  

 

  在交變應(yīng)力作用下，彈簧表面缺陷(裂紋、折迭、刻痕、夾雜物)處產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴(kuò)展后造成斷裂失效。

 

(3) 快速脆性斷裂  

 

  某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)、加工缺陷(如折迭、劃痕)、熱處理缺陷(淬火溫度過高導(dǎo)致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠)等，當(dāng)受到過大的沖擊載荷時(shí)，發(fā)生突然脆性斷裂。

 

(4) 腐蝕斷裂及永久變形  

 

  在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂失效。高溫使彈簧材料的彈性模量和承載能力下降，高溫下使用的彈簧易出現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛，產(chǎn)生永久變形。

 

4.彈簧材料的性能要求

 

(1) 高的彈性極限σe和高的屈強(qiáng)比σs/σb   

 

  彈簧工作時(shí)不允許有永久變形，因此要求彈簧的工作應(yīng)力不超過材料的彈性極限。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。對(duì)于承受重載荷的彈簧，如汽車用板簧、火車用螺旋彈簧等，其材料需要高的彈性極限。

 

  當(dāng)材料直徑相同時(shí)，碳素彈簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的抗拉強(qiáng)度相差很小，但屈強(qiáng)比差別較大。65鋼為0.7，60Si2Mn鋼為0.75、50CrVA鋼為0.9。屈強(qiáng)比高，彈簧可承受更高的應(yīng)力。

 

(2) 高的疲勞強(qiáng)度  

 

  彎曲疲勞強(qiáng)度σ-1和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度τ-1越大，則彈簧的抗疲勞性能越好。

 

(3) 好的材質(zhì)和表面質(zhì)量  

 

  夾雜物含量少，晶粒細(xì)小，表面質(zhì)量好，缺陷少，對(duì)于提高彈簧的疲勞壽命和抗脆性斷裂十分重要。

 

(4) 某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性    保證在腐蝕性介質(zhì)和高溫條件下的使用性能。

 

5.彈簧的選材

 

  ①彈簧鋼

 

根據(jù)生產(chǎn)特點(diǎn)的不同，分為兩大類：

 

（1）熱軋彈簧用材  

 

通過熱軋方法加工成園鋼、方鋼、盤條、扁鋼，制造尺寸較大，承載較重的螺旋彈簧或板簧。彈簧熱成型后要進(jìn)行淬火及回火處理。 

 

（2）冷軋(拔)彈簧用材  

 

以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應(yīng)，用來制作小型冷成型螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧等。

 

 

  ②不銹鋼

 

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 通過冷軋(拔)加工成帶或絲材, 制造在腐蝕性介質(zhì)中使用的彈簧。

 

  ③黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅  

 

具有良好的導(dǎo)電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性，用于制造電器、儀表彈簧及在腐蝕性介質(zhì)中工作的彈性元件。

 

6.典型彈簧鋼選材

 

 

 

 

 

 

04 刃具選材

 

切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統(tǒng)稱為刃具。

 

1.刃具的工作條件

 

(1) 刃具切削材料時(shí)，受到被切削材料的強(qiáng)烈擠壓，刃部受到很大的彎曲應(yīng)力。某些刃具(如鉆頭、鉸刀)還會(huì)受到較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用。

 

(2) 刃具刃部與被切削材料強(qiáng)烈摩擦，刃部溫度可升到500 ºC～600 ºC。

 

(3) 機(jī)用刃具往往承受較大的沖擊與震動(dòng)。

 

2.刃具的失效形式

 

(1) 磨損  

 

由于摩擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低切削零件表面質(zhì)量，也由于刃部形狀變化，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

 

(2) 斷裂  

 

刃具在沖擊力及震動(dòng)的作用下折斷或崩刃。

 

(3) 刃部軟化  

 

由于刃部溫度升高，若刃具材料的紅硬性低或高溫性能不足，使刃部硬度顯著下降，喪失切削加工能力。

 

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) 高的紅硬性；

 

(3) 強(qiáng)韌性好；

 

(4) 高的淬透性?？刹捎幂^低的冷速淬火，以防止刃具變形和開裂。

 

4.刃具的選材

 

制造刃具的材料有碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷等，根據(jù)刃具的使用條件和性能要求不同進(jìn)行選用。

 

（1）簡單的手用刃具  

 

手鋸鋸條、銼刀、木工用刨刀、鑿子等簡單、低速的手用刃具紅硬性和強(qiáng)韌性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具鋼制造。如T8、T10、T12鋼等。碳素工具鋼價(jià)格較低, 但淬透性差。

 

（2）低速切削、形狀較復(fù)雜的刃具  

 

絲錐、板牙、拉刀等可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造。因鋼中加入了Cr、W、Mn等元素, 使鋼的淬透性和耐磨性大大提高, 耐熱性和韌性也有所改善, 可在< 300 ºC的溫度下使用。

 

（3）高速切削用的刃具

 

1) 用高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)制造  

 

  高速鋼具有高硬度、高耐磨性、高的紅硬性、好的強(qiáng)韌性和高的淬透性的特點(diǎn), 因此在刃具制造中廣泛使用, 用來制造車刀、銑刀、鉆頭和其它復(fù)雜、精密刀具。高速鋼的硬度為62HRC～68HRC, 切削溫度可達(dá)500 ºC～550 ºC, 價(jià)格較貴。

 

2) 硬質(zhì)合金制造  

 

  硬質(zhì)合金是由硬度和熔點(diǎn)很高的碳化物(TiC、WC)和金屬用粉末冶金方法制成, 常用硬質(zhì)合金的牌號(hào)有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬質(zhì)合金的硬度很高(89HRA～94HRA), 耐磨性、耐熱性好, 使用溫度可達(dá)1000 ºC。它的切削速度比高速鋼高幾倍。硬質(zhì)合金制造刀具時(shí)的工藝性比高速鋼差。一般制成形狀簡單的刀頭, 用釬焊的方法將刀頭焊接在碳鋼制造的刀桿或刀盤上。硬質(zhì)合金刀具用于高速強(qiáng)力切削和難加工材料的切削。硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度較低, 沖擊韌性較差, 價(jià)格貴。

 

3) 用陶瓷制造  

 

  陶瓷硬度極高、耐磨性好、紅硬性極高, 也用來制造刃具。熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷顯微硬度為5000 HV, 耐熱溫度可達(dá)1400 ºC。立方氮化硼的顯微硬度可達(dá)8000 HV～9000 HV, 允許的工作溫度達(dá)1400 ºC～1500 ºC。陶瓷刀具一般為正方形、等邊三角形的形狀, 制成不重磨刀片, 裝夾在夾具中使用。用于各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料的精加工和半精加工。陶瓷刀具抗沖擊能力較低, 易崩刃。

 

5.刃具選材舉例

 

 

 

 

 

小結(jié)

 

1.齒輪    

 

主要要求疲勞強(qiáng)度，特別是彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。根據(jù)受力分析，齒輪類零件選用低、中碳鋼或其合金鋼，如機(jī)床齒輪用中碳鋼或中碳合金鋼，汽車齒輪用合金滲碳鋼。

 

2.軸類零件     

 

要求強(qiáng)度并兼顧沖擊韌性和表面耐磨性。軸一般用鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造，如機(jī)床主軸可選用45鋼，內(nèi)燃機(jī)曲軸主要用優(yōu)質(zhì)中碳鋼或中碳合金鋼制造。

 

3.彈簧    

 

主要要求高的彈性極限、高的屈強(qiáng)比和高的疲勞強(qiáng)度。彈簧一般選用碳素鋼、合金彈簧鋼和銅合金等金屬材料制造，如汽車彈簧用65Mn、60Si2Mn鋼制造，氣門彈簧用50CrMn、55SiMnMoV等鋼制造。

 

4.刃具     

 

主要要求硬度、耐磨性和紅硬性?？筛鶕?jù)不同的使用條件選用碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷等，如手動(dòng)刃具可用T8、T10等碳素工具鋼，低速切削刃具可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造，高速切削刃具需選用高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2制造等。