淺談機(jī)械零件制造的材料及其選擇原則

唐葉金

摘 要：文章介紹了機(jī)械零件制造材料的各種力學(xué)性能、基本特性、毛坯狀態(tài)以及選擇材料的一般原則，適合于機(jī)械行業(yè)設(shè)計(jì)、材料檢測(cè)專(zhuān)責(zé)工程技術(shù)人員、材料檢驗(yàn)人員參考。

關(guān)鍵詞：黑色金屬；力學(xué)性能；基本特性；選擇原則

引言

機(jī)械零件所用的材料是多種多樣的，但是金屬材料，尤其是黑色金屬材料，應(yīng)用得最多最廣?，F(xiàn)只就黑色金屬材料的一些強(qiáng)度性能、基本特性、毛坯狀態(tài)以及選擇材料的一般原則等略加介紹。

1 黑色金屬材料的力學(xué)性能及基本特性

1.1 材料的強(qiáng)度及塑性

1.1.1 黑色金屬材料強(qiáng)度

表示黑色金屬材料強(qiáng)度的指標(biāo)有：強(qiáng)度極限Rm、屈服極限Rel、疲勞極限Rr等。我們知道，材料在變形過(guò)程中有無(wú)屈服現(xiàn)象，是劃分材料為塑性或脆性的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在材料機(jī)械性能試驗(yàn)時(shí)不產(chǎn)生屈服現(xiàn)象和塑性變形的，稱為脆性材料；有明顯屈服現(xiàn)象的，稱為塑性材料。材料斷裂時(shí)，塑性材料和脆性材料的斷口特征也是有顯著的區(qū)別的。塑性材料總是伴隨著顯著的屈服現(xiàn)象，斷口高低不平、呈纖維狀、發(fā)暗，斷裂時(shí)力與軸線幾乎成45°；但脆性材料幾乎無(wú)塑性變形，斷口齊平、呈結(jié)晶狀、發(fā)亮。

1.1.2 衡量塑性高低的數(shù)量指標(biāo)

衡量塑性高低的數(shù)量指標(biāo)通常有兩個(gè)：延伸率A及斷面收縮率Z。延伸率愈大，試樣斷裂前產(chǎn)生的頸縮現(xiàn)象愈顯著，因而塑性也就愈高。同樣，斷面收縮率愈高的材料，塑性也就愈高。

1.1.3 影響材料強(qiáng)度及塑性的因素

（1）溫度。手冊(cè)上列出的材料強(qiáng)度及塑性指標(biāo)的數(shù)值，都是在常溫下測(cè)定出來(lái)的。這對(duì)于絕大多數(shù)設(shè)備零件的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是足夠應(yīng)用的。但是對(duì)處在高溫下（通常認(rèn)為工作溫度約在母體金屬熔點(diǎn)絕對(duì)溫度的四分之一以上時(shí)均屬高溫。鋼材>450K，鋁合金>570K，銅合金>350K）工作的零件；或者處于低溫工作的零件，那些常溫下的數(shù)據(jù)就不適用了。

在高溫下，鋼材性能的變化趨勢(shì)是強(qiáng)度降低而塑性增高。

在低溫下，鋼材性能的變化趨勢(shì)是強(qiáng)度增加而塑性降低。隨著溫度的降低，屈服極限Rel比強(qiáng)度極限Rm增長(zhǎng)得快，甚至在某一溫度時(shí)可以等于強(qiáng)度極限Rm。這就是說(shuō)，到了一定低溫后，材料就不再有屈服極限了，即材料就變成脆性的了，這種現(xiàn)象稱為冷脆。

（2）變形速度。手冊(cè)中列出的性能數(shù)據(jù)，是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)得出的，其試驗(yàn)應(yīng)變速度都很小，約為0.001s-1的數(shù)量級(jí)或者更低。但在實(shí)際零件上，受沖擊時(shí)，應(yīng)變速度要比以上數(shù)值大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。隨著應(yīng)變速度的增加，延伸率A無(wú)變化，亦即材料的塑性無(wú)變化，但強(qiáng)度極限Rm及屈服極限Rel均不斷增加，特別是屈服極限Rel增長(zhǎng)得更快一些，以致于幾乎接近強(qiáng)度極限Rm，這就說(shuō)明在試件達(dá)到破壞以前，材料的彈性范圍也要擴(kuò)大。材料性能的這種趨向，說(shuō)明按手冊(cè)中的資料來(lái)進(jìn)行應(yīng)變速度較大的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，是偏于安全的。

（3）冷作硬化。凡是在冷狀態(tài)下以塑性變形來(lái)對(duì)鋼材進(jìn)行加工時(shí)（例如冷拉、冷鍛、冷擠壓等），均可使材料的塑性降低和強(qiáng)度增高。因此，用冷塑性加工原材料制成的零件，一般有較高的靜強(qiáng)度。

1.2 材料的韌性

材料在塑性變形范圍內(nèi)吸收能量的能力叫做材料的韌性。沖擊試驗(yàn)所得的沖擊吸收功Ak可作為衡量材料韌性大小的指標(biāo)，這是因?yàn)椴牧显趶椥宰冃畏秶鷥?nèi)所吸收的能量比在塑性變形范圍內(nèi)所吸收的要小很多。試樣斷口呈脆性破壞特征的材料均具有極低的沖擊值，即幾乎或完全無(wú)塑性變形；試樣斷口呈塑性破壞特征的材料，其沖擊值明顯高得很多。

同一種材料，在不同溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，沖擊吸收功Ak與溫度變化關(guān)系曲線圖（韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線）可以直觀反應(yīng)材料的韌性。在較高溫度下呈塑性斷裂的材料，在低溫下則呈脆性斷裂。如果零件材料的轉(zhuǎn)變溫度是在零件工作溫度的范圍以內(nèi)，則零件將不會(huì)具有可靠的韌性，故應(yīng)改選轉(zhuǎn)變溫度更低一些的材料。

1.3 材料的硬度

當(dāng)零件要承受表面磨損或因接觸變應(yīng)力而發(fā)生表面疲勞破壞時(shí)，零件材料的硬度，特別是表面硬度就具有重要的意義。根據(jù)測(cè)量硬度的方法的不同，對(duì)于黑色金屬來(lái)說(shuō)，通常用布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）來(lái)表示。各種不同硬度值的換算關(guān)系已有制成的表格，可以從機(jī)械材料手冊(cè)中查到。

1.4 黑色金屬毛坯供應(yīng)狀態(tài)

鑄造材料通常以塊狀原料供應(yīng)；普通碳素鋼及優(yōu)質(zhì)碳素鋼，通常用熱軋、冷軋或冷拉等方法制成型材供應(yīng)；合金鋼通常制成圓鋼、鋼管、鋼板和鋼絲等供應(yīng)；對(duì)于大型重要零件，可直接由鋼錠以鍛壓方法制造零件毛坯。

2 材料的選擇

從各種各樣的材料中選擇出合用的材料，是要受到多方面因素所制約的一項(xiàng)工作，以下僅提出一些選擇材料的一般原則，作為選材時(shí)的依據(jù)。

2.1 載荷的大小和性質(zhì)，應(yīng)力的大小、性質(zhì)及其分布狀況

這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點(diǎn)來(lái)考慮的，根據(jù)載荷大小和性質(zhì)的不同而選用不同的材料。脆性材料原則上只適用于在靜載荷下工作；在多少有些沖擊的情況下，從強(qiáng)度觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)以塑性材料為基本的材料。金屬材料的性能，一般可通過(guò)熱處理加以提高和改善，所以在選擇材料的品種時(shí)，應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖紙上注明。

2.2 零件的工作情況

在濕熱環(huán)境下工作的零件，應(yīng)具有良好的防銹和抗腐蝕的能力，可選用不銹鋼、銅合金。

在高、低溫環(huán)境下工作的零件，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力或者使配合松動(dòng)。

在有磨損環(huán)境下工作的零件，要提高零件的表面硬度，以增強(qiáng)其耐磨性，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。

2.3 零件的尺寸及重量

這個(gè)因素與材料的品種及毛坯制取方法、材料的強(qiáng)重比有關(guān)。用鑄造材料制毛坯時(shí)，一般可以不受尺寸及重量的限制，而鍛造材料則需注意鍛壓機(jī)械生產(chǎn)能力的限制；盡可能用強(qiáng)重比高的材料，就有利于減輕零件的重量。

2.4 零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材料的加工可能性

結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，宜用鑄造法澆鑄，或用板材沖壓出元件后再經(jīng)焊接而成；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件才可能用鍛造法制取毛坯。

2.5 材料的經(jīng)濟(jì)性

材料的經(jīng)濟(jì)性，表現(xiàn)在材料本身的相對(duì)價(jià)格、材料的加工費(fèi)用、材料的利用率、材料的稀有性等方面。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不用選價(jià)格高的材料；盡可能采用較少加工費(fèi)用的工藝方法達(dá)到使用要求；采用無(wú)屑或少屑毛坯可以提高材料的利用率；還可采用組合結(jié)構(gòu)來(lái)降低材料的費(fèi)用。

2.6 材料的供應(yīng)狀況

選材時(shí)還應(yīng)考慮到當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)狀況。為了簡(jiǎn)化材料的供應(yīng)和儲(chǔ)存的品種，對(duì)于小批量制造的零件，應(yīng)盡可能地減少同一部機(jī)器上使用的材料的品種和規(guī)格。

參考文獻(xiàn)

[1]西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研組.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].人民教育出版社.

[2]蔡亞翔，劉榮貴.實(shí)用金屬材料產(chǎn)品手冊(cè)[M].中國(guó)物質(zhì)出版社，2004.