钢材选用原则：搞懂这几点，选材不踩坑

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多年深入研究金属材料工程专业有着的相关教学, 紧密结合实际应用, 参照其他专业人员达成的部分科研成果, 最终总算总结出了几条用于金属材料挑选工作开展, 普遍应严格执行的原则, 而且还以这些成果基础, 另行提出了针对平日里常能涉及、普遍使用的金属材料, 一套比较通用的选择办法。

前言

处于机械制造行业里, 不管要设计或者制造怎样的机器设备, 首先遭遇到的问题便是关于金属材料的选择事项, 因为任何材料都无法于同一时间拥有各个层面的优良性能, 所以, 金属材料的选择问题实际上就是发挥其长处, 避开其短处, 具体而言, 就是借助剖析零件的工作条件、失效形式、经济成本、制造工艺等几个方面的要求, 以推选最能契合要求且确切实行的材料, 金属材料的选择实则是一项系统工程, 极为复杂, 需要考量的方面过多, 是这样一款产品结构较为复杂的设备, 它的设计制造涉及这样诸多的环节, 从最初的概念构思, 到详细的图纸绘制, 再到零部件的加工制造, 每一步都包含金属构件与非金属构件的结合, 每款构件都有其独特的性能要求, 都需要精心挑选合适的材料, 这无疑极大地增加技术难度, 提升了对设计者的要求, 这一过程里, 需要考量的因素实在是太多了, 要顾及的方面实在是太繁杂了。本文就这个问题提出几个原则性的问题,以供大家参考。

问题的提出

具备不同类型各种的机器零件, 一旦进入服役流程, 就必然要承受一定数值规定的负荷, 其中部分零件还需要经受热负荷以及环境里介质的作用, 当诸般因素综合发挥作用后, 历经一定的时长, 机器零件没准就会出现过量变形甚至表面损伤, 更有甚者会产生断裂等失效状况, 用特定材料制造出来的机器零件的失效, 实际上就是在特定负荷, 以及环境介质的作用背景下, 形状呈现特定姿态的机件材料所出现的失效。

材料具备不一样的性能指标, 这些性能指标能够体现对不同形式失效的抗力。经由失效分析, 不但要提出致使材料失效的缘由, 而且要找出能够正确评判材料抵抗这种失效的性能指标判据, 依据对这些性能指标的需求, 我们便能针对机件的工作条件以及失效特点, 挑选最为适宜的材料成分与组织状态, 并且制定相应的工艺技术举措, 制造出既安全可靠, 又经济合理, 同时还能满足寿命要求的机器零件。

金属材料的选择原则

3.1 性能使用性原则:

依据零件的工作环境状况、力学负荷情形, 依照材料的性能指标去挑选对应的金属材料。通常来讲, 不同的钢种皆为满足某一性能而设计, 其化学成分、性能指标都存有一定的标准, 所以能够根据材料力学算得的性能指标选择相应的金属材料。这亦是最常用于采用的办法。要指出的是, 一般情况不可能恰好寻得最适配的材料, 那么能够选择更高一级的材料。

3.2 失效性选择原则:

在服役期间, 任何机件历经一定时长后, 会出现一定的使之不能继续正常运转、或者达到预期之所需、或者变得不安全可靠、丧失或者部分丧失了原本功能的破坏迹象, 该现象即为失效。剖析该材料的零件时, 要明确其如何发生失效, 失效拥有哪些主要缘由, 采取了怎样的对应举措, 再重新挑选材料。此方法并不适配于新型材料零件 之选取然而可以借由分析相关零件的失效特征予以比照开展。随后经过实验, 挑选适宜的材料, 这是当前较为先进的材料选择方式。‍。

3.3 加工工艺选择原则:

由任意金属材料制成的零件、部件, 是经各异加工工艺, 采取不同加工设备并通过不同加工得以生产制造的。如此, 在考量材料价格之际, 必然要考虑工艺加工成本。比如说, 部分塑料模具的材料成本仅占总成本的百分之五, 然而加工成本却超过百分之五十。尤其在零件体积较小时更是这般情况。所以, 在此种情形下, 应当充分顾及材料的工艺加工性, 用以降低加工成本。

3.4 加工批量原则:

加工批量对材料的选择有影响, 单件生产、小批量生产和大批量生产是不一样的, 大批量生产的零件, 因适用于自动化, 此时加工工艺专业化, 能采用成本低、加工性能好的材料, 单件生产的零件、小批量生产的零件, 因没有专业化加工设备, 所以加工工艺问题较突出, 这时选材就得格外注重考虑加工批量与工艺之间选择的问题。

3.5 经济原则:

选材的时候, 需要开展成本核算, 要考量材料自身成本, 以及加工所呈现工艺之成本, 同时还有市场所进行宣传时耗费的成本, 管理方面的成本, 再有包装时产生的成本, 运输过程里的成本, 借助成本核算, 去挑选出较为合算的材料, 这一原则构成了决定可不可以采用该材料的具有决定性的因素。

3.6 资源原则:

各个不同的国家有着各自不同的金属材料资源, 所以, 也就具备不同的、与之相应的国家政策, 在我们的国家, 应当尽可能采用我国富产的合金元素材料句号。

金属材料的选择方法

4.1 材料性能选择方法:

4.1.1 力学性能选择法

零件处在使用进程里, 需要去承受不一样的负荷情形, 按照零件所承接的负荷具备的特点情况, 进而择选有着相应力学性能表现的该金属材料。

由零件承受的负荷特点有所不同, 从而可划分成静负荷与动负荷这两类。静负荷涵盖拉伸、压缩、扭转、剪切以及弯曲等等情况；动负荷涉及对称、非对称样式的负荷, 与之对应的静负荷性能指标包含抗拉强度、抗压强度、抗扭转强度、抗剪切强度以及抗弯曲强度；与之对应的动负荷性能指标有塑性、韧性以及疲劳强度；若存在磨损状况, 尚且能够考虑硬度指标以及抗咬合指标。所以, 能够借助材料使用手册去查找相应的金属材料。

4.1.2 物理性能选择法

此外, 在依据材料性能挑选材料之际, 还应当把零件工作的环境因素考虑进去, 像高温、低温、冷热交替、腐蚀介质等情况, 如此一来, 能够按照金属材料的物理性能以及化学性能, 去选取那种可以抵御这些因素指标的金属材料。

有的物理性能当中, 存在着密度、熔点、比强度、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等这些得以衡量的指标；有的化学性能当中, 则有着抗氧化性、耐腐蚀性等这样的指标。比方说化工设备, 得去考虑选用具备耐腐蚀性的那种不锈钢材料, 按照耐腐蚀性以及强度所需, 能够采用铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、复相钢, 还有奥氏体不锈钢等。再比如说航空航天设备上面布置的零件, 就得去考量比强度这项指标, 要挑选密度低、强度高的金属材料, 像铝合金、钛合金等。当然,也可考虑非金属材料,但这不是我们讨论的范围。

4.1.3 化学性能选择法

4.2 工艺选择方法:

被挑选的材料应当跟零件运用的加工工艺相互适配, 像是材料自身是不是适合铸造工艺, 是不是适合锻造工艺, 是不是适合焊接工艺, 是不是适合切削工艺, 是不是适合磨削工艺, 是不是适合热处理工艺等工艺状况, 如此一来便能够采用契合工艺状况的材料。

4.2.1 铸造性

要是零件形状繁杂, 采用铸造工艺来制造, 那么在选择材料的时候, 就得考虑材料的铸造性能。铸造性的主要要求是流动性, 还有收缩性以及偏析程度。应当挑选接近共晶成分, 结晶温度范围窄, 收缩性和偏析程度小的材料。

4.2.2 可锻性

对于可锻性的要求而言是这样子的, 其一热锻变形抗力要小, 其二塑性得好其三锻造温度范围要宽, 其四锻裂以及析出网状碳化物的倾向要小等情况 , 而达成这些需要钢材其中的含碳量得以尽可能少, 合金元素含量也要尽可能少, 并且是不容易出现过热状况的材料。

4.2.3 焊接性

焊接性所指的是, 在采用特定的焊接工艺方法、工艺材料、工艺参数以及结构形式的条件情形下, 被焊材料获取优质焊接接头的难易程度状况。就钢而言, 焊接性能主要取决于钢材的化学成分部分, 尤其是其中的含碳量方面, 随着含碳量的不断增加, 可焊性的情况会变差, 所以, 选择焊接工艺制造的零件, 应当选用含碳量以及合金元素含量尽可能少的材料才行。

4.2.4 可切削性

具备被切削可能性的要求, 分别而言: 受到的切削力要小, 能够采用的切削用量得大, 刀具出现磨损的情况应小, 加工之后的表层必须非常光洁。想要获取优良的切削加工性能, 就得实施涉及热的处理, 针对那些对于表面质量有着较高要求的零部件, 能够挑选含有硫、钙等化学元素的容易切削的钢材。

4.2.5 可磨削性

当所选择的材料需要开展磨削行动的时候则要求该材料对砂轮质量以及冷却条件不具备敏感性, 不容易出现磨伤以及磨裂的情况，与之相对应的则应当挑选适宜的金属材料。

4.2.6 热处理工艺性

对热处理工艺性的要求包含这些方面, 比如说淬透性, 还有回火稳定性, 以及脱碳过热倾向, 另外还有淬火变形开裂趋向等。要是要求除了表面具备足够的强度硬度之外, 同时还要求心部拥有良好的强韧性配合, 那就需要采用淬透性良好的材料。要是零件使用的环境温度比较高, 那就采用回火稳定性好的材料等等, 其是根据零件性能的具体要求来确定的。

4.3 结构设计选择方法:

于零件设计进程里, 借由零件优化设计之法, 运用减少应力集中、优选公差与配合、减轻工作负荷、避开突出尖角、使过渡圆角合理这般的设计手段, 能够降低使用材料的档次, 进而能够挑选较廉价的材料。此乃反映设计水平高低的判断标准。

4.4 失效分析选择方法:

因材料失效的形式, 能够划分成过量变形、断裂、表面损伤这三类, 分别按照零件失效的原因, 去采取对应的材料或者运用相应的热处理工艺以改善材料的性能。

4.4.1 过量变形, 其包含过量塑性变形与过量弹性变形这两类, 倘若属于过量塑性变形, 这意味着材料的强度欠缺, 应当选用强度高的材料, 或者借助热处理去改进材料的强度, 若是过量弹性变形, 表明材料的刚度不足够, 必定要加大零件的截面尺寸, 或者改选新型刚度高的材料。

4.4.2 断裂, 断裂能够被划分成韧断、脆断、疲劳、蠕变、应力腐蚀断裂这一些类别, 依据断裂所具备的原因, 可以挑选出能够对该种类型的断裂起到抵抗作用的材料。

4.4.3表面损伤, 其形式包含磨损、接触疲劳。以及表面腐蚀、热疲劳等, 这可不改变材料, 借助热处理, 或经由表面处理的途径来达成要求, 需说明这材料务必能够进行表面处理。要是仍达不到要求, 那就得改选别的材料。

4.5 成本选择方法:

分开计算不同相关金属材料的各项成本, 接着进行成本分析, 在满足使用要求的状况下, 挑选成本最低的金属材料。需要讲解的是, 成本的计算应当是动态的, 应当依据当时市场的变动而做相应的调整, 并且也应当具备一定时间的有效性。

4.6 资源选择方法:

凡属金属材料范畴, 皆存有与之相称用以支撑的相应资源, 于抉择金属材料之际, 理应精准把控国家政策以及国际环境状况, 遴选出国家政策与国际环境所许可的金属材料品类。譬如, 美国挑选将制造铀所产生的副产品权充为打造武器所用材料之举, 绝非是一种明智之选。再比如说, 金属材料里常用的是钢, 要是碳钢没法满足需求, 那就得选合金钢, 而合金钢里添加的合金元素主要涵盖: B、N、Si、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、W、RE等这般, 其中, Si、Mn、Mo、W、V、Ti、B、RE是我国产量丰富的元素, 凭借资源特性, 依照生产所需, 挑选含有这些元素的合金钢是恰当的。

4.7 综合选择方法:

这个方法是在综合评价金属材料的性能后, 再评价其工艺, 接着评价失效分析情况, 随后评价成本, 最后评价资源, 之后从中选择最适合的材料。这个方法是最为准确的方法, 也是最为完善的方法。然而, 这个方法同样是最为复杂的, 它属于一个系统工程, 需要跨学科的各类知识予以支持。所以, 它也属于最不容易被采用的方法。

结语

挑选金属材料之际, 需跟从的综合准则是, 最先确保零件的用场性能需求得以达到, 一同兼备金属材料的工艺特性与经济特性。合金钢鉴于含有合金要素, 其制作相较于碳钢而言繁复许, 价位乃颇高之余；加工技艺功能在比起碳钢时也显得糟糕, 所以, 当在运用碳钢之情形下能够满足需求之时, 从原则层面来说是决不应当选用合金钢。于敲定零件的用场水准的时候嘿, 就得按从零件架构哩, 工作环境, 零件形状以及尺寸, 加工精准度, 生产数量状况等等许多方面进行综合性剖析思考。换个角度来讲, 针对于那些形状繁杂、尺寸精度有着较高要求的零部件, 应当挑选易于塑变的材料；针对承受负荷较大的零部件, 应当挑选高强度的材料；针对承受摩擦以及磨损的零部件, 应当挑选高硬度且具有耐磨性的材料；针对承受冲击负荷较大的零部件, 应当挑选高韧性的材料；针对承受交变负荷较大的零部件, 应当挑选高疲劳强度的材料；若是零部件既承受摩擦和磨损、又承受较大负荷；则应当挑选高韧性材料, 与此同时对该材料实施表面处理, 以此来增添表面所欠缺的耐磨性能等等, 诸如此类情形繁多。所以, 必须依据实际状况全面地做出判断以及决策。