機(jī)械工程中材料的選用探討

孫啟昆

摘 要：機(jī)械工程中材料的選用有著相當(dāng)重要的作用。文章從材料選用的原則、設(shè)計(jì)思路、流程、選材的方法步步深入地探討了材料的選用，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)工作起到一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；工程材料；選用

引言

機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、仿制、維修都需要運(yùn)用到工程材料，工程材料是機(jī)械中不可或缺的組成部分，也是節(jié)約機(jī)械所用成本的關(guān)鍵所在，所以怎樣在多種工程材料選擇既經(jīng)濟(jì)又有質(zhì)量保證的最佳材料是一個(gè)值得探討的問題。

1 工程材料合理選用的原則

在工程材料的選擇上應(yīng)該遵循工藝性能優(yōu)良、使用性能良好、充足地供貨來源、價(jià)格上合理等原則，才是比較優(yōu)質(zhì)的工程材料。選用的材料應(yīng)該具有與機(jī)械設(shè)備相適應(yīng)的能量，在經(jīng)過加熱處理后能夠在機(jī)械設(shè)備工作時(shí)適應(yīng)并配合，達(dá)到良好的工作狀態(tài)。材料在使用過程中表現(xiàn)出的性能主要有：材料的強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度等力學(xué)性能；耐蝕性、抗氧化性的化學(xué)性能；電、磁、光、聲、熱等的物理性能。材料應(yīng)該也必須符合保質(zhì)保量地完成機(jī)械加工制造。鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性等工藝性能也是不可忽視的。

節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)，在材料的選用上也應(yīng)該充分考慮到。我國是一個(gè)資源缺乏的國家，所以應(yīng)該選擇比較常見的材料，短缺的材料盡量少用，以便減少國家能源負(fù)擔(dān)。進(jìn)口材料也盡量少選擇。本地區(qū)蘊(yùn)藏較為豐富的原材料因?yàn)槠溆谐渥愕墓?yīng)量應(yīng)該作為選擇材料的首選。所需要的材料種類應(yīng)該偏重少并且集中，這樣利于采購和管理。

價(jià)格也是應(yīng)該考慮的因素之一，價(jià)格卻又不是單一，應(yīng)該多方面統(tǒng)籌規(guī)劃。生產(chǎn)過程簡單、成品率比較高并且成本比較低的材料是比較理想的。機(jī)械所生產(chǎn)出的產(chǎn)品的綜合成本應(yīng)該考慮多方面條件：零件的重量、材料的價(jià)格、試驗(yàn)研究費(fèi)用、零件的壽命、零件的加工費(fèi)用、維修費(fèi)用。如果綜合成本高位運(yùn)行時(shí)，材料的價(jià)格相對(duì)低時(shí)應(yīng)該適當(dāng)提高。價(jià)值工程原理是：價(jià)值=功能/成本。材料本身的價(jià)格、材料的性能和使用壽命都在價(jià)值的范疇之內(nèi)，在材料的選用上也應(yīng)該全盤考慮它的經(jīng)濟(jì)效益。

2 材料選用的設(shè)計(jì)思路

2.1 性能結(jié)構(gòu)-選材-加工之間的關(guān)系

為了更好地選擇材料，應(yīng)該了解材料性能和結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)部關(guān)系。材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)決定著材料的性能，材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)又受選材及其他加工工藝的影響，總之，兩者之間是相輔相成，相互依存的關(guān)系。這一關(guān)系可以直接應(yīng)用在實(shí)際的材料選用和工藝加工的工作中。材料要求的性能--相對(duì)應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)--選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、熱處理及其它加工工藝。依?jù)這樣的思路可以依次設(shè)計(jì)出需要的材料。

2.2 選材設(shè)計(jì)的內(nèi)容

2.2.1 對(duì)零件提出什么樣的性能要求。

2.2.2 什么樣的組織結(jié)構(gòu)才能滿足零件的性能要求。

2.2.3 獲得這樣的組織結(jié)構(gòu)，需選用什么樣的材料，配合什么樣的熱處理及其它加工工藝。

2.3 選材與選擇熱處理和其它加工工藝可以同時(shí)進(jìn)行

2.3.1 材料的選用其實(shí)只是使材料能夠有一個(gè)良好的性能儲(chǔ)備空間，卻沒有將潛力發(fā)揮出來，性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到。

2.3.2 經(jīng)過熱處理工藝，可以將實(shí)際的性能從材料儲(chǔ)備環(huán)節(jié)中轉(zhuǎn)化出來。將材料的選用和熱處理工藝同時(shí)操作，所要求的使用及工藝性能才能最大限度地預(yù)測(cè)出來。

2.3.3 除了熱處理工藝，像鑄、鍛、焊等其他工藝也和材料的選用有著莫大的關(guān)系，也將影響最終性能。另外，這些工藝在可操作性上、質(zhì)量的優(yōu)劣、成本的高低在很大程度上都與材料的選用相關(guān)，同時(shí)進(jìn)行方可見成效。

3 材料選用的設(shè)計(jì)流程

材料選用的設(shè)計(jì)流程大體如下：工件實(shí)際使用的目標(biāo)——材料的性能要求、確定材料的類別——材料的組織結(jié)構(gòu)并加以分析——選擇相應(yīng)熱處理或是其他工藝——試驗(yàn)、調(diào)整最后選定材料。

4 選材的步驟

4.1 明確工件實(shí)際使用目標(biāo)

了解工件的功能、工作可靠性、壽命期限、成本要求等。

4.2 分析工作條件、失效形式、加工方法等對(duì)選材的影響

工件的工作條件：受力大小、分布、速度、周期屬于受力狀況范圍內(nèi)；工作溫度有高溫、室溫、低溫之分；環(huán)境中腐蝕情況。磨損失效、斷裂失斂、變形失效、疲勞失效是工件的幾種失效形式。材料的選擇又受到工件的可靠性、壽命、加工等條件的制約，都應(yīng)該是考慮的范疇。

4.3 提出性能（力學(xué)及工藝性能）要求

性能的提出要有主有次，抓住主要矛盾。性能指標(biāo)要考慮尺寸效應(yīng)的影響，確定性能指標(biāo)可通過經(jīng)驗(yàn)、類比、計(jì)算、試驗(yàn)等方法。

4.4 確定所選材料的類別

金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料是材料的幾大類型，其中又有多個(gè)小類別包含于這幾大類中。

4.5 提出與要求性能相對(duì)應(yīng)的材料組織結(jié)構(gòu)

分析有哪些組織結(jié)構(gòu)符合或接近所要求的性能，可提出多個(gè)方案。

4.6 相應(yīng)熱處理與其它加工工藝

可以將所有可以組合而成的熱處理與其它加工工藝和與之匹配的組織結(jié)構(gòu)的方案總結(jié)歸納在一起，優(yōu)先考慮符合實(shí)際情況的方案，再綜合考慮成本、生產(chǎn)條件、補(bǔ)給情況和以往的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)等因素，再確定材料選用方案。

5 結(jié)構(gòu)件的選材設(shè)計(jì)

5.1 結(jié)構(gòu)件的性能要求

結(jié)構(gòu)零件主要起到承載受力、傳遞運(yùn)動(dòng)、傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)行方向等作用。為了選材的方便，可把結(jié)構(gòu)件的性能要求分解成兩部分，為整體性能和局部性能。在加工制造時(shí)，整體性能可把整體結(jié)構(gòu)采取整體處理獲得，而局部性能可在局部部位進(jìn)行熱處理達(dá)到。

5.2 結(jié)構(gòu)件的選材設(shè)計(jì)

銑床、C6160車床主軸，M7475磨床主軸的選材：（1）工作條件：在滑動(dòng)軸承支持下工作；中等或重載荷；轉(zhuǎn)速較高；較高交變沖擊（2）性能要求：整體綜合力學(xué)性能及疲勞抗力高；局部的軸頸及錐體部分高硬度耐磨。（3）組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：整體為S回；局部的軸頸及錐體部分表層為M回。（4）選材：40cr；45MnB；40MnVB。（5）熱處理：鍛造一退火（或正火）調(diào)質(zhì)（840～860℃油淬+540～620℃回火，220～280HB）一軸頸及錐體部分高頻淬火（860～880℃）+回火（160～280℃），表層40～55HRC。

6 工具件的選材設(shè)計(jì)

6.1 工具件的性能要求

工具件主要用作為刃具、量具、模具等工具零件，在選材時(shí)常常把它的性能要求分解為工作部分性能和其它部分性能來考慮。加工制造時(shí)，可采用整體結(jié)構(gòu)整體處理加局部處理，或采用組合結(jié)構(gòu)分開制造及處理，而后組裝。

6.2 工具件的選材設(shè)計(jì)

車刀、刨刀、鏜刀的選材。工作條件：受很大的切削力和摩擦磨損；局部溫度500～600℃；沖擊、交變載荷。性能要求：工作部分（切削部位）高硬度（>62 HRC）、高耐磨性、熱硬性好；其它部分足夠強(qiáng)韌性；工藝性較好、工作時(shí)不氧化、不粘結(jié)、化學(xué)穩(wěn)定性好。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：工作部位為M回+未溶碳化物，其它部位為S回或T回。熱處理：鍛造球化退火一淬火（1200～1280℃）+回火（550～620℃）。刃部64～69HRC；其它部分可降低硬度，適當(dāng)提高強(qiáng)韌性。

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