（知识点）机械零件的选材原则——选材

机械零件选材原则

1、材料选择必须保证零件的机械性能

材料选择的基本原则是所选材料的机械性能应能满足零件的使用寿命要求并经久耐用。 机械性能是指零件在工作过程中应具有的力学性能、物理性能和化学性能。 它是材料选择的主要依据。 机械零件最重要的机械性能是力学性能。 零件力学性能的要求一般是在分析零件的工作条件（温度、应力状态、环境介质等）和失效模式的基础上提出的。 根据力学性能选择材料的步骤如下：

1、分析零部件工况，确定力学性能

零件的工作条件复杂。 工况分析包括应力状态（拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转）、载荷特性（静载荷、动载荷、交变载荷）、载荷大小及分布、工作温度（低温、常温、高温、变温）等。温度）、环境介质（润滑油、海水、酸、碱、盐等）、零件的特殊性能要求（电、磁、热、辐射、光辐射）等。根据工况综合分析。

2、零件的力学性能要求必须转化为材料性能指标的测定。

有了零件性能的要求，不能立即进行材料选择。 还需要通过分析、计算或模拟测试对性能要求进行指标和量化。 例如，“高硬度”的性能要求需要转换为“大于60HRC”或“62~65HRC”等，这是选材中最关键、最困难的一步。 需要根据零件的尺寸和运行时所承受的载荷来计算应力分布，然后根据工作应力、使用寿命或安全性与材料之间的关系确定性能指标的具体值性能指标。

3、材料预选

根据零件材料性能指标数据的要求查阅相关手册，寻找合适的材料。 可以根据这些材料的大概应用范围来进行判断和选材。 对于采用预选材料设计的零件，考虑安全系数后危险截面的工作应力必须小于确定的性能指标数据值。 然后，比较加工工艺的可行性和制造成本，选择最优方案的材料作为所选材料。 通过实验和研究不断优化和筛选，将高、中、低档材料的选择集中到少数钢种。 这不仅有助于提高原材料的质量，而且使零件制造的各个过程更容易控制。

2、材料选择必须保证零件的工艺性能

材料的加工性能表明该材料加工的难易程度。 任何零件都必须经过一定的加工工艺才能制造出来。 因此，在选择满足力学性能的材料时，还必须考虑材料的工艺性能。 工艺性能的好坏直接影响零件的质量、生产效率和成本。 当工艺性能与使用性能发生冲突时，有时出于工艺性能的考虑而不得不放弃某些使用性能合格的材料，成为材料选择的主导因素。 工艺性能对于批量生产的零件尤为重要，因为在批量生产中，工艺周期的长短和加工成本的高低往往是能否投入生产的关键。

金属材料、高分子材料、陶瓷材料的工艺性能总结如下。

1、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性能主要包括铸造技术、压力加工技术、焊接技术、热处理技术、表面处理技术、机械加工技术、特种加工技术、装配与维修技术等，这些工艺特性与成分、结构有关。 ，以及材料的硬度，以及工具、介质和温度等外部环境。 材料工艺性能的好坏对加工的难易程度、生产效率和生产成本起着重要作用。 这是选择材料时必须考虑的另一个重要因素。

金属材料的工艺性能在单件或小批量生产中并不十分突出，但在大批量生产条件下往往成为材料选择的决定性因素。 例如，如果大批量生产标准件，应采用ML钢，以提高生产效率。 对于汽车齿轮来说，为了在流水线大批量生产条件下保证产品质量，必须选用“保证淬透性的结构钢”。

金属材料的工艺性能是指金属适应一定加工工艺的能力。 主要是切削性能、材料成形性能（铸造、锻造、焊接）和热处理性能（淬透性、变形、氧化和脱碳倾向等）。

铸造性能主要指铁水的流动性、冷却时的面积收缩、热裂倾向、偏析和吸气、收缩和气孔率等。成分接近共晶的合金具有最好的铸造性能。 铸铁、硅铝等一般都接近共晶成分。 铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，铸铁优于铸钢。

锻造性能主要指冷、热压力加工时的塑性变形能力、热压力加工的温度范围、抗氧化能力和加热冷却要求等。低碳钢的可锻性最好，中碳钢次之，高碳钢次之。钢。 低合金钢的可锻性与中碳钢接近。 高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）因导热性差、变形抗力高、锻造温度范围小，锻造性能差，不能冷压。 变形铝合金和铜合金具有良好的塑性和良好的可锻性。 铸铁和铸铝合金零件不能再通过热压或冷压加工。

切削性能是指材料进行切削加工的能力。 一般用切削硬度、加工表面的粗糙度、排屑的难易程度、刀具的磨损程度来衡量。 当材料硬度在160～230HBW范围内时，切削性能良好。 硬度过高，切削阻力大，刀具磨损严重，切削加工性下降。 硬度过低，刀具粘着，断屑困难，表面粗糙度增大，切削加工性差。 当高碳钢具有球状碳化物组织时，其切削加工性比片状组织的好。 马氏体和奥氏体的切削加工性较差。 高碳高合金钢（高速钢、高镍铬钢等）的切削加工性也较差。

可焊性是指金属接受焊接的能力。 一般用焊接接头形成冷或热裂纹、气孔等缺陷的倾向来衡量。 碳质量分数大于0.45%的碳钢和碳质量分数大于0.38%的合金钢焊接性能较差。 碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。 铸铁很难焊接。 焊接。 铝合金和铜合金的焊接性比碳钢差，因为它们容易吸收空气并且散热快。

热处理工艺性能主要指钢的淬透性、淬透性、变形和开裂倾向以及氧化和脱碳敏感性。 钢、铝合金、钛合金都可以通过热处理来强化。 合金钢的热处理工艺性能优于碳钢。 形状复杂或尺寸较大、承载载荷较高的重要零件必须采用合金钢制造。 碳钢的含碳量越高，其淬火变形和开裂的倾向就越大。 选择渗碳用钢材时，应注意钢材的过热敏感性； 选择调质钢时要注意钢的可逆回火脆性； 选择弹簧钢时，应注意钢的氧化和脱碳敏感性。

2、高分子材料的工艺性能

高分子材料的加工工艺比较简单，主要是成型加工，成型加工方法有很多种。 高分子材料的切削性能较好，与金属基本相同。 但由于高分子材料的导热性较差，在切割过程中工件的温度很可能急剧升高，导致热塑性塑料软化和热固性塑料燃烧。

国立台湾大学高分子功能高分子材料研究所 (.tw)

3、陶瓷材料的工艺性能

陶瓷材料的加工路线为：

材料准备→成型加工（配料、压制、烧结）→磨削加工→组装

陶瓷材料的加工工艺比较简单，主要工序是成型。 根据零件的形状、尺寸精度和性能要求，可采用不同的成形加工方法（浆料、热压、挤压、塑性）。 陶瓷材料的切削加工性较差，除了使用碳化硅或金刚石砂轮进行磨削外，几乎无法进行切削加工。

3、选择材料时应考虑性价比和经济性。

选材的经济原则是在满足性能要求的前提下，采用廉价的材料，尽量减少零件的总成本，包括材料价格、加工费、试验研究费、维修管理费等，以达到最大的经济体。 益处。 为此，材料选择应充分利用资源优势，尽可能使用标准化、通用化材料，降低原材料成本、运输和实验研究费用。 如果一般碳钢和铸铁能够满足要求，则不应采用合金钢。 在满足性能要求的情况下，可以用铁代替钢，可以用铸造代替锻造，可以用焊接代替锻造，可以用碳钢代替合金钢，可以用低合金钢可以代替高合金钢，用工程塑料代替钢铁，有效降低材料成本，简化加工工艺。 例如，用球墨铸铁代替锻钢制造中低速柴油机曲轴和铣床主轴，经济效益非常显着。 对于表面性能要求较高的零件，可采用低成本钢种进行表面强化处理即可满足要求。

当然，选材的经济性原则不仅仅指选择最便宜的材料或生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，因此以获得最优化的技术效果和经济效益。 例如，如果一些影响整个生产装置的关键部件是由廉价材料制成的，则需要经常更换。 更换零件时停机造成的损失可能会大很多。 在这种情况下，应选用性能好、价格高的材料。 总成本可能仍然是最低的。

常用材质相对价格（1为灰口铸铁）