第6章 工程设计制造中的材料选择

一、内容提要

结构设计、工艺设计和材料选择是机械设计的三大组成部分。机器零件的正确选材和合理用材是机械工程师的基本任务之一，也是本课程的主要教学目的。而失效分析是科学选材的基础。

1．零件失效与失效类型

机器零件在工作中丧失规定功能即告失效。

失效的形式很多，根据性质分为变形、断裂、表面损伤和物理性能降低四大类型，零件具体失效形式与实际工作时的内外条件有关，而决定于其抗力最小者。

失效的原因主要在于设计、材料、加工和安装使用四个方面。

为了找到失效的真正原因，必须进行失效分析。失效分析包括逻辑推理和实验研究两个方面。实验研究就是详细地占有和分析设计、材料、工艺和安装使用的第一手资料，充分地收集并分析现场信息，系统地测试和分析各种宏观性能，全面地进行微观结构的检验和分析，从发现的蛛丝马迹中找出失效的真正根源。

通过失效分析找出导致失效的主导因素和可控因素，相应的采取对策，可以达到预防事故、保障安全的目的；加强企业全面质量管理，提高产品质量、降低成本的技术经济目的和改进操作、维修和设备管理工作，保证长期稳定和安全可靠地连续生产的目的；失效分析可以为诉讼、索赔、责任仲裁问题以及为确认犯罪事实和保险事务等提供证据；还可以对科学与技术决策指出方向。

2．零件设计中的材料选择

1）选材的一般原则

选材依据三大原则。第一，使用性能原则，这是主要原则，是为了保证零件完成规定功能。最重要的使用性能是力学性能，由工作条件（受力性质、环境状况和特殊要求等）和失效形式确定使用性能的要求，并根据实验研究的结果将其具体化为实验室力学性能指标，例如E、σs、σb、δ、KIC、HB等。第二，工艺性能原则，是为了保证零件实际加工的可行性。具体工艺性能由加工的工艺路线提出。在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。第三，经济性原则，保证零件生产和使用的总成本最低，总成本与零件的寿命、质量、加工、研究和维修费用以及材料价格等有关。

（1）材料的失效抗力可从下面几个方面研究：

① 零件服役条件与选材。分析零件服役条件。第一要考虑零件所承受载荷的性质（静载荷、冲击载荷、变动载荷）、加载次序（载荷谱）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪、接触等及各种复合应力状态）、载荷大小、分布形式、服役时间长短。第二要考虑零件工作温度、环境介质（空气中水分、腐蚀介质等）。通常根据工作条件，采用分析计算或实验应力测定方法，确定零件最主要的力学性能指标，以此来选择满足要求的材料。

② 失效分析与选材。通过失效分析可判断所提抗力指标是否恰当，选材是否合理。

对于新设计的重要零（部）件，有时需要对试制样品进行装机运载考核或模拟台实验，分析其失效原因。如确实因材料问题引起的失效，则由失效形式可确定零件的失效抗力指标。例如，失效分析表明，零件是因材料疲劳抗力低引起的疲劳断裂失效，则应改用承受疲劳抗力较高的材料或从工艺上采取一些表面强化措施，以提高材料的疲劳极限。

③ 根据抗力指标选材需注意的问题主要有：

材料性能指标与结构强度关系。材料性能指标一般是用形状比较简单、尺寸较小的标准试样以较简单的加载方法取得的，机械零件的结构强度是一个综合性能，它在很大程度上表示零件的承载能力、寿命与可靠性，它是由工作条件（应力、零件形状、尺寸、环境等）、材料（材料成分、组织、性能）、工艺（加工工艺方法及过程）诸因素所决定的。评定结构强度所用的性能指标是否正确，其重要标志是实验室试样的失效形式与实际零件服役条件下的失效形式要相似。考虑两者加载、尺寸等条件的不同，在应用手册上的性能数据时要考虑一定的安全系数，十分重要的零件或构件，要从预选材料制成的实际零件上取样实验或模拟工作条件实验，以验证所选性能指标及其大小是否恰当。

性能指标在设计中的作用。有些性能指标，如σs、σb、σ-1和Ke等可直接用于设计计算，可是有些指标δ、ψ和αk等不能直接用于设计计算，而是根据这些指标的数值大小，估计它们对零件失效的作用。一般认为，这些指标是保证安全性的。可是对于特定零件，这些指标的数值大小，要根据零件之间类比和零件使用安全等方面的经验来确定。正因为如此，有时因性能指标规定不恰当，不能充分发挥材料的潜力。例如为避免疲劳破坏，用降低强度、提高塑性和韧性的办法，使零件设计得又大又笨重，因而浪费材料。

对一定的材料，在特定的状态下，它的硬度与强度、塑性指标间存在一定的关系。对于一般的机械零件，图纸上只提出硬度要求，只要硬度达到规定的要求范围，σb、δ、甚至一定条件下的αk值也应具有相应的数值。只有重要的零件，才在图纸上标出其他指标的具体数值。

注意性能数据的实验条件。手册上所列的性能数据是用规定尺寸和形状的试样来测定的。试样尺寸不同，对σs、σb及ψ等性能指标影响不大，但对δ有影响，αk、σ-1和KIC等性能指标受试样尺寸和形状的影响更大。

手册上所列的性能数据是材料处于某种处理状态时测定的，同一牌号的材料，在不同的状态，它们的性能值不同。例如，同一牌号的材料，锻造与铸造状态的性能值小同；不仅未经冷变形与冷变形后的性能值不同，而且冷变形程度不同，其性能值也不一样；不同的热处理工艺也得到不同的性能值。所以，选用材料时必须注意它是在何种状态下的性能值，通常在设计图纸上除了标明材料牌号外，还在技术条件中注明对加工工艺的要求。

试样的取样部位对测定性能也有影响。例如，锻件在顺纤维方向的性能较好、铸件的心部晶粒比表层粗，因此，心部力学性能较差。所以，重要零件的锻、铸毛坯要在图纸上注明切取检验试样的部位。

（2）材料的工艺性能。机械零件都是由设计选用的工程材料，通过一定的加工方式制造出来的。金属材料有铸造、冷或热变形加工、焊接、机械加工、热处理等加工处理方式。陶瓷材料通过粉末压制烧结成形，有的还需进行磨削加工、热处理。高分子材料利用有机物原料，通过热压、注塑、热挤等方法成形，有的再进行切削加工、焊接等加工过程。

材料加工方法的不同，加工工艺性的优劣，不仅影响机械零件外观，还影响零件性能，甚至影响到生产率和成本。因此，选用的材料应具有良好的工艺性，至少要有可行的工艺性。几种主要加工方法的良好工艺性表现为：

① 铸造合金，应有高的流动性，小的缩松、缩孔、偏析和吸气氧化性倾向；

② 塑性加工材料，应有高的塑性和低的变形抗力；

③ 切削加工的材料，应有小的切削力，高的表面光洁度，切削处理容易，对刀具的磨损要小等；

④ 对热处理，要求材料对过热敏感性小，氧化和脱碳倾向小，淬透性高，变形和开裂倾向小等。

应当指出，材料在不同的状态具有不同的工艺性，而且某种工艺性好，不等于其他工艺性也好。例如，2Cr13马氏体不锈钢退火后切削加工性好，但焊接时容易开裂；奥氏体不锈钢塑性加工性好，但切削加工性差；镁合金和有些钛合金，冷变形性差，而在加热状态下则有良好的变形加工能力。

（3）经济性。在首先满足零件性能要求的前提下，选材应使总成本（包括材料和加工费用）尽可能的低，为此：

① 材料选用应考虑我国资源，例如尽可能选择那些以锰、硅、铜、稀土等元素完全或部分代替镍、铬等稀缺元素的合金；

② 应当考虑国内生产和供应情况，品种不宜过多；

③ 考虑选用节省材料和加工成本的工艺方法，如精铸、精锻等。

2）选材的内容

选材指选择材料的成分（牌号）、组织状态、冶金质量等。同时必须考虑相应的热处理方法，以满足使用性能的要求。

3）选材的步骤

（1）分析零件的工作条件。其包括：

① 应力情况，应力种类、大小及分布；

② 载荷性质，静载荷、冲击载荷和交变载荷；

③ 环境介质，腐蚀气氛，潮湿程度；

④ 摩擦条件。

（2）分析失效形式。失效分析的目的就是要找出零件失效的原因，并提出改进的措施，是零件选材的重要依据。

（3）确定零件的主要性能指标。据零件的工作条件和失效形式，提出相应的力学性能指标，所需的物理、化学性能。

（4）选择材料。根据以上三个方面的分析，确定材料牌号。

3．零件制造加工过程中的热处理选择和安排

1）选择热处理方案的依据

应根据所选材料，国内工艺水平、本单位热处理能力、设备状况和工人技术水平选择热处理方法。

2）热处理方案的选择

（1）要求综合力学性能的零件。对要求综合力学性能的零件，如中小轴类、花键轴、连杆、螺栓等，选用中碳钢或中碳合金钢，采用调质处理，也可以选用低碳钢或低碳合金钢，进行淬火得到板条状马氏体。这两种方法均可获得良好的综合力学性能。

（2）要求弹性的零件。对要求弹性的零件，可选用弹簧钢，成形后采用去应力退火或淬火后中温回火的热处理。

（3）要求耐磨的零件。对要求耐磨的零件，采用普通淬火、表面淬火、化学热处理。

① 要求高硬度、高耐磨性零件，如模具、量具等，一般选碳素工具钢、合金工具钢，采用淬火后低温回火的热处理，热处理后的硬度一般为 HRC58～64。

② 工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重的主轴，或中速中等载荷下工作的齿轮，一般选45号钢，采用调质或正火处理，在要求耐磨的轴颈部位及轮齿表面采用高频表面淬火。

③ 受中等载荷，磨损较严重，并有一定冲击载荷的轴类，或受中等载荷转速较高，精度要求较高的齿轮，一般选中碳合金钢，如40Cr，采用调质或正火处理后高频或中频表面淬火。

④ 工作载荷大，磨损及冲击都较严重的轴，或高速、重载、受冲击较大的齿轮，一般选合金渗碳钢，采用正火或调质处理后渗碳、淬火和低温回火，热处理后的表层硬度为HRC58～63。

⑤ 高精度主轴，或高速、重载，形状复杂要求热处理变形小的零件，可选用氮化钢（如38CrMoAlA），采用调质、氮化处理，氮化后表层硬度为 HV＞850。

3）热处理技术条件的标注

（1）标注的依据。零件的力学性能要求。

（2）标注的方法。一般采用热处理代号和硬度的平均值来表示，热处理代号见教材。标注的硬度值允许的波动范围一般为 HB±15, 。

（3）标注的内容。热处理名称，热处理后的力学性能指标及热处理部位，一般情况只标硬度，对化学热处理件要指出渗层深度（mm）和硬度，对重要件要标出硬度、强度、硬化层深度、塑性和韧性等。

4）工艺路线安排

（1）退火、正火。退火、正火安排在毛坯生产之后，切削加工之前。如：锻造→退火（正火）→机加工。

（2）调质。淬透性高的钢或有效尺寸小的零件可安排在机加工之前，其他情况安排在粗加工之后，精加工之前。如：下料→锻造（正火）→粗加工→调质→精加工。

（3）渗碳。要求全部渗碳的零件，安排在精加工之后，磨削之前，要求局部渗碳的零件，不能采取防渗措施的，将渗碳安排在精加工之前，渗碳后去掉不需渗碳部分的渗碳层，再进行淬火和回火。如：下料→锻造（正火）→粗加工→渗碳→精加工→淬火、低温回火→磨削。

（4）氮化。氮化安排在粗磨之后，对不能进行磨削的零件，如螺旋伞齿轮等，安排在精加工之后。如：下料→锻造→退火（正火）→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨。

（5）时效。中温时效安排在粗加工之后，精加工之前；低温时效安排在精加工之后。

5）典型零件选材及工艺路线分析

机器中几乎都有的三大类零件齿轮、轴和箱座的工作条件、失效形式、性能要求、选材分析和工艺路线。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；轴主要要求强度并兼顾冲击韧性和表面耐磨性；箱座主要受压应力，部分受一定的弯曲应力及工作时的动载作用力。

二、本章重点

（1）建立失效和失效分析的基本概念；

（2）熟悉机械零件选材的一般原则；

（3）掌握典型零件的选材、热处理方法及技术要求的确定，加工工艺路线的分析。