關(guān)于典型機(jī)械零件材料的選擇

李世紅

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008)

0 引言

無論是機(jī)械設(shè)備、工程設(shè)施還是居家建筑，最根本的要求就是“物美價(jià)廉”，“經(jīng)久耐用”，而這就要求構(gòu)成這些設(shè)備、設(shè)施的基本元件——機(jī)械零件在使用時(shí)需要具有足夠的承載能力，同時(shí)充分重視其經(jīng)濟(jì)性。而典型零件的材料選擇對機(jī)械設(shè)備的使用性、安全性及經(jīng)濟(jì)性都有著重要的影響。所以了解其性能及其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對于材料的選擇是很有意義的。

1 典型零件及承載能力

在各種機(jī)械設(shè)備、工程結(jié)構(gòu)中都有若干機(jī)械零件，其中，軸類、齒輪類和箱體類零件是所有設(shè)備中最基本、最重要而又必不可少的典型零件，其承載能力直接影響著設(shè)備的安全可靠性，而衡量其承載能力的指標(biāo)有強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。強(qiáng)度是構(gòu)件在外力作用之下抗破壞的能力；剛度是構(gòu)件在外力作用下抗變形的能力；穩(wěn)定性是指壓桿在壓力的作用下保持原有直線狀態(tài)的能力。零件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性越好，則其承載能力就越強(qiáng)。

1.1 工程材料對零件承載能力的影響

各種機(jī)械零件在生產(chǎn)使用之前，為了保證其安全有效地工作，必須根據(jù)相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在強(qiáng)度條件中均有一重要參數(shù)，就是許用應(yīng)力σ，許用應(yīng)力的大小直接與選用的材料有關(guān)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前各種機(jī)械設(shè)備、車輛、飛機(jī)等所使用的材料，有90%以上是金屬材料。金屬材料的種類(化學(xué)成分)、組織形貌對零件的機(jī)械性能有著很大的影響，因此不同的材料對零件的承載能力及機(jī)械的安全性、壽命有著不同的影響。

1.2 常用金屬材料的種類及性能特點(diǎn)

工業(yè)上所使用的金屬材料，一般可分為黑色金屬和有色金屬2大類。黑色金屬主要有鋼、鑄鐵及其合金；有色金屬是指非鐵金屬及其合金，如鋁、銅、鎂等金屬。不同的金屬材料由于化學(xué)成分以及構(gòu)成元素的比例不同，而呈現(xiàn)出不同的機(jī)械性能。如表1所示。

表1 常用金屬材料的分類及性能

由表1可知，不同的金屬材料，其機(jī)械性能不同，承載能力也不一樣。在確定構(gòu)件材料時(shí)，一般應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：分析構(gòu)件、零件的工作條件→分析失效形式→進(jìn)行力學(xué)計(jì)算→選擇材料→決定熱處理方法→試驗(yàn)、投產(chǎn)。

1.3 零件的失效概念和形式

失效是指零件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料在組織與性能上發(fā)生變化而失去正常工作所具有的效能。

1.3.1 失效主要的3種情況

1)零件完全破壞，不能繼續(xù)工作。

2)雖能工作，但不能保證安全。

3)雖保證安全，但不能保精度或起不到預(yù)定的作用。

1.3.2 失效的主要形式為變形、斷裂和表面損傷等。

1)變形失效，過量變形失效是指零件在工作過程中產(chǎn)生超過允許值的變形量而導(dǎo)致整個機(jī)械設(shè)備無法正常工作，或者正常工作但零件質(zhì)量嚴(yán)重下降的現(xiàn)象。

2)斷裂失效，指零件在工作過程中完全斷裂而導(dǎo)致整個機(jī)械設(shè)備無法工作的現(xiàn)象。失效的斷裂以低應(yīng)力脆性斷失效、塑性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效、介質(zhì)加速失效的情況居多。

3)表面損傷失效，指機(jī)械零件因表面損傷而造成機(jī)械設(shè)備無法正常工作或失去精度的現(xiàn)象。主要包括磨損失效、腐蝕失效、接觸疲勞失效等。按表面疲勞損傷程度分麻點(diǎn)與剝落2種方式。

1.4 零件失效的原因分析

在零件的失效形式中斷裂是影響零件安全有效工作的最危險(xiǎn)形式。零件的失效形式與其工作條件有很大關(guān)系。零件的工作條件有：應(yīng)力情況(種類、大小、分布等)；載荷性質(zhì)(靜載荷、沖擊載荷；循環(huán)載荷)；溫度(低溫、常溫、高溫)；環(huán)境介質(zhì)(有無腐蝕性物質(zhì))等。為了保證零件具有足夠的承載能力，需要充分掌握各種材料的機(jī)械性能特點(diǎn)，準(zhǔn)確地分析零件的失效形式及原因，使其安全有效地工作。零件失效的原因有以下幾種情況：

1)設(shè)計(jì)問題。由于機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸設(shè)計(jì)不合理引起的。如尖角、尖棱等。

2)選材問題。對失效形式誤判或選材不能滿足工作條件的要求，或錯誤選擇材料。

3)加工工藝不當(dāng)。由于采用的工藝方法、工藝參數(shù)不正確，而造成各種缺陷。例如刀痕較深、粗糙度過大、磨削裂紋等，熱成形的過熱、過燒、帶狀組織等，熱處理工序中容易產(chǎn)生氧化、脫碳、淬火變形與開裂。

4)安裝使用不正確。安裝過緊、過松、或?qū)χ胁粶?zhǔn)、固定不緊，重心不穩(wěn)、密封不好等，都會造成零件失效。

2 金屬材料的組織形貌對承載能力的影響

除了構(gòu)件的化學(xué)成分(種類)，材料的組織形貌也對承載能力有著極其重要的影響，在機(jī)械零件的生產(chǎn)加工中，常用熱處理來改變零件的組織形貌，從而滿足設(shè)備對構(gòu)件的安全性能要求。具體情況如表2所示。

表2 C＝0.77%共析鋼熱處理狀態(tài)組織及性能

由表2可知，同種材料，由于其內(nèi)部組織狀態(tài)不同，所呈現(xiàn)的機(jī)械性能也就有很大的差別。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，零件材料確定后，還要安排合理的熱處理，例如，齒輪類零件，根據(jù)其工作條件和失效形式，要求其表面硬，心部韌，以達(dá)到表面耐磨，同時(shí)能抗沖擊。因此，通常選擇20Cr合金滲碳鋼，進(jìn)行滲碳+淬火+低溫回火處理，使其表面為高碳的回火馬氏體，心部為低碳組織。又如：軸類零件，根據(jù)其工作條件和失效形式，要求其要有很好的綜合機(jī)械性能，通常選擇40Cr，經(jīng)淬火+中溫回火，得到回火索氏體。經(jīng)過處理后，零件的承載能力就會有很大的提高，零件的安全性能得到極大的保證。

3 選用材料的一般原則

材料的選擇，不僅要考慮材料性能要適應(yīng)零件的工作條件，能經(jīng)久耐用，而且還要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以便提高機(jī)械零件的生產(chǎn)率，降低成本。

3.1 考慮材料的使用性能

材料所提供的使用性能(主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能)指標(biāo)對零件功能和壽命的滿足程度。零件在正常情況下，應(yīng)完成設(shè)計(jì)規(guī)定的功能并達(dá)到預(yù)期的使用壽命。零件選材時(shí)，主要以零件使用性能要求作為選材依據(jù)，一般零件都在受力條件下工作，因此常以力學(xué)性能要求作為選材依據(jù)。

3.1.1 根據(jù)零件受載情況選擇材料

根據(jù)零件受載情況來選擇不同的材料，主要有以下幾種原則：

1)脆性材料原則上只適合于靜載荷作用下工作；在動載荷情況下，以塑性材料為基本材料。

2)若零件的接觸應(yīng)力較高，則選用可進(jìn)行表面強(qiáng)化處理的材料。

3)若零件尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和重量又收到某些限制時(shí)，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。

4)若零件尺寸取決于剛度，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料。

3.1.2 根據(jù)零件工作情況選擇材料

根據(jù)零件工作情況選擇材料，主要有以下幾種原則：

1)在溫?zé)峄蛴懈g性物質(zhì)環(huán)境下工作的零件，其材料應(yīng)具有良好的防銹能力和耐腐蝕能力。

2)在高溫下工作的零件，應(yīng)選用耐熱材料。

3)滑動摩擦下工作的零件應(yīng)選用減摩性能好的材料?？磕Σ羵鬟f運(yùn)動和動力的零件應(yīng)選用摩擦系數(shù)大的材料。

零件工作條件、失效形式及要求的力學(xué)性能，如表3所示。

表3 典型零件工作條件、失效形式及要求的力學(xué)性能

3.2 考慮材料的工藝性能

零件選材應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝對材料工藝性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通過一定的加工工藝制造出來的。因此材料的工藝性能，即加工成零件的難易程度，自然應(yīng)是選材時(shí)必須考慮的重要問題。所以，熟悉材料的加工工藝過程及材料的工藝性能，對于正確選材是相當(dāng)重要的。材料的工藝性能主要包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。

3.2.1 鑄造性能

鑄造性能包含流動性、收縮性、疏松及偏析傾向、吸氣性、熔點(diǎn)高低等。常用材料鑄造性能的比較如表4所示。

表4 常用材料鑄造性能

3.2.2 壓力加工性能

壓力加工性能指材料的塑性和變形抗力等。常用材料鍛造性能的特點(diǎn)為：低碳鋼最好，中碳鋼次之，高碳鋼較差；低合金鋼可鍛性近于中碳鋼，高合金鋼的較差；鋁合金因鍛造溫度范圍窄，可鍛性并不很好；銅合金的可鍛性一般較好。

3.2.3 焊接性能

焊接性能包括焊接應(yīng)力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其他缺陷傾向等。常用材料焊接性能經(jīng)比較后結(jié)論為：銅合金和鋁合金的焊接性能較差；灰口鑄鐵基本上不能焊；低碳鋼和碳含量低于0.18%的合金鋼有較好的焊接性能，碳含量大于0.45%的碳鋼和碳含量大于0.35%的合金鋼的焊接性能較差。碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。

3.2.4 切削加工性能

切削加工性能指切削抗力、零件表面光潔度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。常用材料切削加工性比較，如表5所示。

表5 常用材料切削加工性

3.2.5 熱處理性能

熱處理性能指材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開裂傾向等。

與使用性能的要求相比，工藝性能處于次要地位；但在某些情況下，工藝性能也可成為主要考慮的因素。當(dāng)工藝性能和機(jī)械性能相矛盾時(shí)，有時(shí)正是工藝性能的考慮不得不放棄某些機(jī)械性能合格的材料，此點(diǎn)對于大批量生產(chǎn)的零件特別重要。因?yàn)樵诖罅可a(chǎn)時(shí)，工藝周期的長短和加工費(fèi)用的高低，常常是生產(chǎn)的關(guān)鍵。例如，為了提高生產(chǎn)效率，而采用自動機(jī)床實(shí)行大量生產(chǎn)時(shí)，零件的切削性能可成為選材時(shí)考慮的主要問題。此時(shí)，應(yīng)選用易切削鋼之類的材料，盡管它的某些性能并不是最好的。

3.3 考慮材料的經(jīng)濟(jì)性能

材料的經(jīng)濟(jì)性主要從材料價(jià)格、材料加工費(fèi)用以及使用過程的經(jīng)濟(jì)效益3個方面來考慮。

3.3.1 材料本身價(jià)格應(yīng)低

通常情況下材料的直接成本為產(chǎn)品價(jià)格的30%～70%。常用金屬材料相對于普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的相對價(jià)格，如表6所示。

表6 常用金屬材料的相對價(jià)格

3.3.2 材料加工費(fèi)用應(yīng)低

非金屬材料(如塑料)加工性能好于金屬材料，有色金屬的加工性能好于鋼，鋼的加工性能好于合金鋼。材料的加工費(fèi)用應(yīng)從以下幾個方面考慮：

1)成型方法。在滿足零件性能要求的前提下，能鑄代鍛，能焊代鍛。例汽車發(fā)動機(jī)曲軸，一直選用強(qiáng)韌性良好的鋼制鍛件，彎曲了的曲軸照樣不能使用，改成鑄造曲軸(球墨鑄鐵)使成本降低很多。從零件的生產(chǎn)的每一道工序都應(yīng)盡量減少。

2)加工工藝路線選用最佳工藝路線。常用熱處理相對于退火的相對加工費(fèi)用，如表7所示。

表7 常用熱處理的相對加工費(fèi)用

3)現(xiàn)有生產(chǎn)條件應(yīng)充分利用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備或進(jìn)行技術(shù)改造。能自己生產(chǎn)的不要外協(xié)。

4)高新材料利用率和再生利用率在加工中盡量采用少切屑(如精鑄、冷拉、模鍛等)和無切屑新工藝，有效利用材料。

3.2.3 考慮使用過程的經(jīng)濟(jì)效益

在選材時(shí)不能片面強(qiáng)調(diào)材料費(fèi)用及制造成本，還需對材料的使用壽命予以重視，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品必須達(dá)到安全使用條件。

4 典型零件的選材

軸類零件是機(jī)械設(shè)備中最主要零件之一，也是影響機(jī)械設(shè)備的精度和壽命的關(guān)鍵零件。其作用是支承回轉(zhuǎn)零件并傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩，是影響運(yùn)行精度和壽命的關(guān)鍵件。軸(如車床主軸、帶輪的軸等)，心軸(如火車軸輪、自行車、汽車的前軸等)和傳動軸(如車床上的光杠等)3類。各種軸的尺寸相差懸殊，如手表中擺動軸最小處只有Φ 0.085 mm，而汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸可達(dá)Φ 1 000 mm以上。主要用來承受各種載荷和傳遞動力。

4.1 軸類零件的選材考慮因素

1)軸類零件的工作條件：重要件，作用是支承回轉(zhuǎn)件并傳遞運(yùn)動和動力。影響精度和壽命。

2)軸類零件的失效形式：疲勞、過載斷裂、過量變形和軸頸過度磨損。

3)軸類零件的性能要求：選材有足夠的抗拉強(qiáng)度和剛度，適當(dāng)?shù)臎_擊韌性和高的疲勞強(qiáng)度，對軸頸處受磨擦部要高硬度和耐磨性。工藝上切削加工性和淬透性。

4)軸類零件的使用特點(diǎn)：經(jīng)鍛造或軋制的低碳、中碳鋼或合金鋼。

5)軸類零件的選材(機(jī)床主軸CA6140)：中速中等載荷，選用 45鋼。鍛后正火、調(diào)質(zhì)、局部淬火、回火。

4.2 齒輪類零件的選材考慮因素

1)工作條件：通過齒面接觸傳遞動力，兩齒面相互嚙合。即有滾動，又有滑動。在齒表面：受到交變接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。在齒根部：受到交變變曲應(yīng)力的作用。換擋：受到?jīng)_擊。安裝不良：齒面接觸不良。

2)失效形式：輪齒折斷、齒面損傷(主要)過程塑變，齒端磨損。

3)性能要求：高的疲勞強(qiáng)度(接觸)和抗拉強(qiáng)度、高的表面硬度和耐磨性適當(dāng)?shù)男牟繌?qiáng)度和足夠的韌性。小的淬火變形，良好的加工性。

4)用材特點(diǎn)：對硬度和耐磨性要求不很高，對沖擊韌度要求一般的中，低速和載荷不在的中，小型傳動齒輪。A調(diào)質(zhì)鋼，如車床、鉆床等變速齒輪、排輪、45、40g40MnB。HT工藝，調(diào)質(zhì)(或正火)再進(jìn)行表面淬火+低溫回火。要求高的運(yùn)動速度的用滲氮鋼、調(diào)質(zhì)后滲氮。B滲碳鋼，主要制高速、重載、沖擊較大的重要齒輪。如汽車、拖拉機(jī)變速箱齒輪。驅(qū)動橋齒輪，立式車床等。材料為20CrMnTi，20Cr，20CrMo，20CrMnMo 等。 HT，滲碳，淬火+低溫回火或噴丸。C鑄鋼和鑄鐵齒輪，鑄鋼，制力學(xué)性能要求較高。形狀復(fù)雜、難以鍛的大型齒輪、如起重機(jī)齒輪。材料，ZG270-150，ZG310-570，ZG340-640，ZG40Cr。 對耐磨性、疲勞強(qiáng)度較高，但沖擊載荷較小的齒輪，選用球墨鑄鐵，如QT500-07，QT600-03。沖擊載荷小的低精度、低速齒輪、可選用鑄鐵 如 HT200，HT250，HT300。 D 非鐵金屬齒輪，儀器、儀表及在腐蝕性介質(zhì)中工作的輕載齒輪。選用黃銅、鋁青銅、錫青銅等。E塑料齒輪，尼龍、ABS、聚甲醛等。

4.3 箱體類零件的選材考慮因素

常見零件：機(jī)床上的主軸箱、變速箱、進(jìn)給箱和溜板箱、內(nèi)燃機(jī)缸體和缸蓋、泵殼、床身、變速機(jī)箱體。性能要求：主要受應(yīng)力，也受一定的彎曲應(yīng)力和沖擊力。因此具有足夠的剛度、抗拉強(qiáng)度和良好的減震性。

1)對受力較大，要求高的抗拉強(qiáng)度，高韌性(或在高溫高壓下工作)的選鑄鋼。

2)對受力不大，且受靜壓力，不受沖擊的選用灰鑄鐵 HT150，HT200。

3)相對運(yùn)動件(存摩擦、磨損)應(yīng)選用抗拉強(qiáng)度較高的灰鑄鐵如 HT250或孕育鑄鐵，HT300，HT350。

4)受力不大，要求輕且熱導(dǎo)性好的小型箱體件，可選用鋁合金鑄造如 ZALSi5Cu1Mg(ZL105)和ZALCu5Mn(ZL201)。

5)受力小，耐蝕以輕件，選工程塑料，ABS有機(jī)玻璃、尼龍。

6)受力較大，形狀簡單件或單件，選用型鋼焊接如Q235或45鋼。

5 結(jié)語

介紹了幾種典型零件的性能，通過分析零件的各種失效原因，提出選用機(jī)械加工材料應(yīng)遵循的一般原則，有利于進(jìn)一步研究和探討提高零件構(gòu)件承載能力的方法，更好地保證機(jī)械設(shè)備及工程設(shè)施的安全性并延長其使用壽命。