材料的选择与应用

材料的选择与应用第1页/共56页第2页/共56页第3页/共56页一、概述材料的选择与应用是机械设计与制造工作中重要的基础环节，自始至终地影响整个设计过程。选材的核心问题是在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件（产品）的设计功能相适应。掌握各类工程材料的特性、正确选用材料及相宜的加工方法（路线）是对机械设计与制造工程人员的基本要求。第4页/共56页1、使用性能选材原则

分析零件的工作条件，确定其使用性能：①受力情况：如载荷性质（静载、动载、交变载荷）、形式（拉压、弯曲、扭转、剪切）、分布（均匀分布、集中分布）与大小，应力状态；②工作环境：如温度（常温、高温、低温或变温），介质（有无腐蚀介质、润滑剂）；③其它要求：如导热性、密度与磁性等。在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能，如交变载荷下要求疲劳性能、冲击载荷下工作要求韧性、酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等。第5页/共56页第6页/共56页2、工艺性能选材原则

材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力，因此工艺性能影响了零件的内在性能、外部质量以及生产成本和生产效率等。材料选择与工艺方法的确定应同步进行，工艺性能也是选材时应考虑的因素。理想情况下，所选材料应具有良好的工艺性能，即技术难度小、工艺简单、能量消耗低、材料利用率高，保证甚至提高产品的质量。第7页/共56页

1).铸造性能凡相图上液-固相线间距越小、越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能。因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良；在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，在钢的范围，中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢，故高碳钢较少用做铸件。第8页/共56页

2).压力加工性能包括变形抗力，变形温度范围，产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等。一般来说，铸铁不可压力加工，而钢可以压力加工但工艺性能有较大差异，随着钢中碳及合金元素的含量增高，其压力加工性能变差；故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速钢等；高温合金因合金含量更高，故热压力加工性能更差。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。第9页/共56页

3)焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差，因此钢比铸铁易于焊接，且低碳钢焊接性能最好、中碳钢次之，高碳钢最差。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法（如氩弧焊）或特殊措施进行焊接。§1选材的原则第10页/共56页

4.)机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性，其中切削加工性最重要。一般来说材料的硬度越高、加工硬化能力越强、切屑不易断排、刀具越易磨损，其切削加工性能就越差。在钢铁材料中，易切削钢、灰铸铁和硬度处于180～230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能；而奥氏体不锈钢、高碳高合金钢(高铬钢、高速钢、高锰耐磨钢)的切削加工性能较差。铝、镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能。第11页/共56页

5).热处理工艺性能

必须首先区分是否可进行热处理强化，如纯铝、纯铜、部分铜合金、单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化；对可热处理强化的材料而言，热处理工艺性能相当的重要。第12页/共56页3、经济性能选材原则

质优、价廉、寿命高，是保证产品具有竞争力的重要条件；在选择材料和制定相应的加工工艺时，应考虑选材的经济性原则。所谓经济性选材原则，不仅是指选择价格最便宜的材料、或是生产成本最低的产品，而且是指运用价值分析的方法，综合考虑材料对产品的功能与成本的影响，以达到最佳的技术经济效益。第13页/共56页

二、材料(机械零件)的失效

1、失效概念:

在使用过程中，因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能，使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效。

失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施，其结论对零件的设计、选材、加工与使用都有重大的指导意义。第14页/共56页2、失效形式

四类：过量变形、断裂、表面损伤和物理性能降级对结构材料的失效而言，前三种是最主要的；其中断裂失效（尤其是脆性断裂）因其危险性而易受重视、且研究最多，疲劳断裂最普遍，是断裂失效的主要方式。对于功能材料，物理性能降级是其主要失效形式，但也存在断裂与腐蚀、磨损等问题。第15页/共56页第16页/共56页3、失效原因

四个主要方面：设计、材料、加工与使用

第17页/共56页三、工程材料的应用概况

§3典型零件选材与工艺分析

金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前最主要的四大类工程材料。

高分子材料的强度与刚度低、尺寸稳定性较差且易老化，在工程上一般不用于受力较大的、重要的结构零件。但由于其原料丰富、生产能耗较低（为钢的1/10、铝的1/20），密度低、弹性较好且减振、耐磨，故适合于制造受力不大的普通结构件及减振、耐磨或密封零件，如轻载传动齿轮、轴承、紧固件、密封件和轮胎等。第18页/共56页

陶瓷材料硬而脆、加工性能差，也不能用作重要的受力零件；目前主要应用领域是建筑陶瓷和功能材料。但陶瓷材料具有高热硬性及化学稳定性，可用作耐热、耐磨、耐蚀的零件，如燃烧器喷嘴、刀具与模具、石油化工容器等。由于陶瓷功能材料具有极其广阔的应用前景，在高新技术产品中占据重要地位，故有人认为21世纪是“第二个石器时代”。陶瓷作为结构材料，目前尚处开发应用阶段。第19页/共56页

复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，综合了各种不同材料的优良性能，具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐磨性能优良等特点。尤其是金属基复合材料，从力学性能角度看，可能是最理想的机械工程材料。但复合材料价格昂贵，除在航天航空、船舶、武器装备等国防工业中的重要结构件上应用外，在一般的民用工业上应用有限。但应注意的是，随着复合材料的生产成本降低，其应用潜力巨大、前景极其广阔。第20页/共56页

金属材料、尤其是钢铁材料，与其它工程材料相比，在力学性能、工艺性能和生产成本这三者之间保持着最佳的平衡，具有最强的竞争力，故金属材料仍然是机械工程材料的主力军。从这个意义上来讲，人类仍然生活在以钢铁材料为主的“铁器时代”。以载重汽车用材的重量为例，钢占65％、铸铁占20％、有色金属占3％、非金属材料约占12％。在轻型汽车和轿车中，非金属材料的用量虽有所增加，但金属材料仍占主体。第21页/共56页四、齿轮类零件选材

1概述

齿轮是应用极广的重要机械零件，其主要作用有传递扭矩（力或能），改变运动速度或方向。不同的齿轮，

其工作条件、失

效形式和性能要

求各有不同。第22页/共56页2、性能要求1)．工作条件

①传递扭矩，齿根部承受较大的交变弯曲应力；②齿面啮合并发生相对滑动与滚动，承受较大的交变接触应力及强烈的摩擦；③启动、换档或啮合不良，齿轮承受一定的冲击力；④有时有其它特殊条件要求，如耐高、低温要求，耐蚀要求，抗磁性要求等。第23页/共56页3．主要失效形式①断裂——包括交变弯曲应力引起的轮齿疲劳断裂和冲击过载导致的崩齿与开裂；②齿面损伤——包括交变接触应力引起的表面接触疲劳（麻点剥落）和强烈摩擦导致的齿面过度磨损；③其它特殊失效，如腐蚀介质引起的齿面腐蚀现象。第24页/共56页4．齿轮类零件选材主要性能要求①高的弯曲疲劳强度，防止轮齿的疲劳断裂。②足够高的齿面接触疲劳极限和高的硬度、耐磨性，以防齿面损伤。③足够的齿心部强韧性，以防冲击过载断裂。第25页/共56页5、齿轮类零件选材1）锻钢齿轮的主要材料。锻造可改善钢的组织并形成有益的加工流线，力学性能优良。重要用途的齿轮大多采用锻钢制造。

主要包括：①低碳钢及低碳合金钢20、20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等，可通过退火或正火来改善切削加工性能，通过渗碳后淬火＋低温回火来保证齿轮的使用性能。具有表面高硬度(56～62HRC)和高耐磨性、高的弯曲疲劳极限和接触疲劳极限，心部具有足够高的强韧性；故适合于制造高速、大冲击的中载和重载齿轮。第26页/共56页②中碳钢表面淬火齿轮:这种齿轮的工作速度、载荷及受冲击的程度应低于低碳钢渗碳淬火齿轮。40、45钢可用作低中速、轻中载、小冲击的齿轮，依据具体工作条件不同，可在正火、调质、表面淬火状态下使用；40Cr、40MnB合金钢的综合力学性能优于40、45碳钢，可用做相对重要的齿轮，多在表面淬火状态使用，少数情况也可在调质状态使用。③中碳氮化钢:40Cr、35CrMo、38CrMoAl钢，经调质处理后再表面渗氮处理，力学性能优良、变形微小，主要用做高精度、高速齿轮。第27页/共56页2）铸钢铸钢齿轮的力学性能比锻钢差，较少使用，但对某些尺寸大(＞Ф500mm)、形状复杂的齿轮，采用铸钢较为合理。常用铸钢牌号有ZG270—500、ZG310—570、ZG40Cr等。铸钢齿轮加工后一般也是进行表面淬火＋低温回火处理，但对性能要求不高、低速齿轮，也可在调质状态、甚至正火状态下使用。第28页/共56页3）铸铁灰铸铁齿轮具有优良的减摩性、减振性，工艺性能好且成本低，其主要缺点是强韧性欠佳，故多用于制作低速、轻载、不受冲击的非重要齿轮。常用牌号有HT200、HT250、HT350等；由于球墨铸铁的强韧性较好，故采用QT600-3、QT500-7代替部分铸钢齿轮的趋势越来越大。铸铁齿轮的热处理方法类似于铸钢齿轮。第29页/共56页(4)常用材料）第30页/共56页6、典型齿轮选材

机床齿轮运行平稳无强烈冲击、载荷不大、转速中等，对表面耐磨性和心部韧性要求不太高。大多采用碳钢(40、45钢)制造，经正火或调质处理后再进行表面淬火＋低温回火，其齿面硬度可达50HRC，齿心硬度为220～250HBS，可满足性能要求；对部分性能要求较高的齿轮，也可选用中碳合金钢(40Cr、40MnB、40MnVB等)制造，其齿面硬度可提高到58HRC左右、心部强韧性也有所改善；极少数高速、高精度、重载齿轮，还可选用中碳氮化钢(如35CrMo、38CrMoAlA等)进行表面渗氮处理制造。第31页/共56页

机床齿轮的简明加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工

→表面淬火＋低温回火→精磨

正火可使锻造组织均匀化、便于切削加工、可作为表面淬火前的预备组织、并保证齿心的强韧性。调质处理可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿心的强韧性进而使齿轮能承受较大的弯曲载荷和冲击载荷。表面淬火可提高齿轮表面的硬度，耐磨性和疲劳性能。低温回火的作用主要是消除淬火应力。第32页/共56页

汽车、拖拉机齿轮

:工作条件恶劣，特别是主传动系统中的齿轮；受力较大，易过载，变速时受到频繁的强烈冲击；对材料的耐磨性、疲劳性能、心部强韧性的要求高，采用中碳钢表面淬火已难满足使用的需要；通常选用合金渗碳钢(20Cr、20MnVB、20CrMnTi、20CrMnMo)制造，经渗碳淬火＋低温回火处理后，齿面硬度可达58～62HRC，心部硬度30～45HRC。对飞机、坦克等特别重要齿轮，则可采用高淬透性渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）来制造。第33页/共56页

采用20CrMnTi制造汽车齿轮，简明工艺路线为：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火＋低温回火→喷丸→磨削加工渗碳淬火处理可使齿面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性；喷丸作为进一步强化手段，可使齿面硬度提高1～3HRC，增加表层残余压应力，进而提高疲劳极限。第34页/共56页五、轴类零件选材1．工作条件①交变弯曲载荷，扭转载荷或拉-压载荷；②相对运动表面(如轴颈、花键部位)发生摩擦；③因机器开-停、过载等，承受一定的冲击载荷；2．主要失效①疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；②磨损相对运动表面过度磨损；③过量变形极少数情况下会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。3．性能要求①高的疲劳极限；②综合力学性能好；③局部承受摩擦部分应具有较高的硬度和耐磨性。第35页/共56页实物第36页/共56页4、常用材料

1)．锻钢优质中碳或中碳合金调质钢是轴类材料的主体：35、40、45、50(45钢最常见)等碳钢具有较高的综合力学性能且价格低廉，故应用广泛；对受力不大或不重要的轴，为进一步降低成本，也可采用Q235、Q255、Q275等普通碳钢制造；对受力较大、尺寸较大、形状复杂的重要轴，可选用综合力学性能更好的合金调质钢来制造，如40Cr、40MnVB等，对其中精度要求极高的轴要采用专用氮化钢（如38CrMoAlA）制造。第37页/共56页中碳钢轴的热处理特点是：正火或调质保证轴的综合力学性能(强韧性)，然后对易磨损的相对运动部位进行表面强化处理(表面淬火、渗氮或表面滚压、形变强化等)。

少数情况下还可选用低碳钢或高碳钢来制造轴类零件。如当轴受到强烈冲击载荷作用时，宜用低碳钢（如20Cr、20CrMnTi）渗碳制造；而当轴所受冲击作用较小而相对运动部位要求更高的耐磨性时，则宜用高碳钢制造（如GCr15、9Mn2V等）。第38页/共56页

2．铸钢形状复杂、尺寸较大的轴，可采用铸钢来制造，如ZG230-450。铸钢轴比锻钢轴的综合力学性能(主要是韧性)要低。

3．铸铁由于大多数轴很少以冲击过载而断裂的形式失效，故近几十年来愈来愈多地采用球墨铸铁(如QT700-2)和高强度灰铸铁(HT350、KTZ550—06等)来代替钢作为轴(尤其是曲轴)的材料。铸铁轴的刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低、减振减摩、切削加工性好且生产成本低等优点，选材时值得重视。第39页/共56页轴类零件选材时应注意以下几点：

①以刚度为主、轻载、非重要轴，为降低成本，可选用碳钢(如45钢)、铸铁(如QT700-2)、甚至普通质量碳钢(如Q275)制造；一般进行正火或调质处理，若需提高相对运动部位的耐磨性，可对其进行表面淬火。②以耐磨性为主的轴，可选碳含量较高的钢(如65Mn、9Mn2V)或低碳钢(20Cr、20CrMnTi)渗碳制造，对其中精度有极高要求的轴，则应选38CrMoAlA渗氮制造。③主要受弯扭载荷的轴，无需选淬透性大的钢种，可选45、40Cr即可；而对受拉-压载荷的轴，特别当其尺寸较大、形状较复杂时，则应选用淬透性较高的钢种，如40CrNiMo。④主要受明显、强烈冲击的轴，宜用低碳钢渗碳制造。第40页/共56页5、典型轴类零件选材举例机床主轴：机床主轴承受弯-扭复合交变载荷、转速中等并承受一定的冲击载荷，一般选用45钢或40Cr钢制造(40Cr用于载荷较大、尺寸较大的轴)；对于承受重载、要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的主轴(如镗床主轴)，则须用38CrMoAlA钢经渗氮处理制造。

45钢(或40Cr钢)机床主轴的简明加工路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工

→表面淬火＋低温回火→精磨→成品第41页/共56页6、轴类零件的典型材料第42页/共56页六、刀具选材（机械切削刀具）

1．车刀车刀是最常用的切削刀具，目前用于制造刀具的主要材料是高速钢和硬质合金两大类，其中高速钢应用最多、最广。第43页/共56页

2．丝锥与板牙丝锥和板牙均需要高的硬度(59～64HRC)和耐磨性，还须足够的强度和韧性。丝锥和板牙分手用和机用两种，对手用者，因切削速度较低，故热硬性要求不高，一般可用高级优质碳素工具钢T10A、T12A制造(硬度59～62HRC)，对尺寸稍大、切削速度稍高的较重要丝锥(板牙)，则宜用低合金工具钢9SiCr、CrWMn制造(硬度60～63HRC)。对机用者，因切削速度较高(25～55m/min)，有热硬性要求，故应选用高速钢(如W6Mo5Cr4V2)制造。第44页/共56页

3、日用刀具:与机械切削刀具的工作条件和性能要求有较明显的差别；如因形状薄、窄、小，而要求较高的韧性以防止折断；因切断对象较软、磨损不严重，故无需过高的硬度和耐磨性；因清洁标准或工作条件下的腐蚀，而要求较好的耐蚀性等。第45页/共56页4、常用日用刀具材料第46页/共56页七、机架、箱座类零件

强度刚度减震易于成形易于加工灰铸铁

液态成形第47页/共56页可持续发展战略下的材料选择1.选择绿色材料

绿色材料：在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或材料制品，其主要特点有：①材料本身性能的先进性；②材料使用的舒适性；③材料的绿色特性，或称环境协调性，包括生产过程中的资源与能源耗损低、使用时低污染或无污染、报废后易回收再生且循环利用率高。

第48页/共56页可持续发展战略下的材料选择(绿色材料)循环冷却水系统：传统防垢方法是定期、定量向水中加入阻垢剂、缓蚀剂及杀菌剂；但这些化学试剂往往有相互干扰作用、加入不当时还会加剧水垢并污染水等缺点。采用具有高效吸附分离的功能活性碳纤维、聚乙烯醇纤维等，应用于空调冷却水系统可有效地起到防蚀、防水垢、防微生物污垢的作用。太阳能利用材料、氢能利用材料、地热能利用材料等也是属于具有绿色特性的新型材料。第49页/共56页可持续发展战略下的材料选择2.减少所用材料种类

尽量避免选用多种不同的材料、或采用易拆卸分离的结构设计，以便产品维修或报废后的回收、分类和再利用。例如，Whirlpool公司的德国合作伙伴的包装工程师将用于包装的材料从20种减少到4种，在满足基本功能要求的前提下，不仅降低了材料成本，且使处理废弃物的成本减少了一半。设计一个金属工具箱时，在结构上既应避免采用不同的金属焊接；又要提倡将工具箱设计成可分拆的、独立的多个分部箱体组成，且每个独立分箱只宜用一种材料。第50页/共56页可持续发展战略下的材料选择3.尽量选用不加涂、镀层的原材料

现代产品设计中为了美观、耐蚀等目的，大量使用涂、镀材料。这不仅给产品报废后的材料回收、利用带来了困难，而且大部分涂料本身就有毒，且涂