机械工程材料的选择

HEATS

    每个机械零件（或工具）要符合一定外形和尺寸和还有根据零件服役条件（工作环境、应力状态、载荷）选用合适的材料和热处理工艺。     
    零件的失效分析     
    一、零件的失效概念和形式：     
    失效：指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而失去正常工作所具有的效能。     
    失效的三种情况：     
    ① 零件完全破坏，不能继续工作。     
    ② 虽能工作，但不能保证安全。     
    ③ 虽保证安全，但不能保精度或起不到预定的作用。     
    失效的主要方法有：变形、断裂和表面损伤等。     
    1．变形失效：     
    过量变形失效：指零件在工作过程中产生超过允许值的变形量而导致整个机械设备无法正常工作，或者正常工作但产品质量严得下降的现象。     
    2．断裂失效：     
    指零件在工作过程中完全断裂而导致整个机械设备无法工作的现象。     
    失效的主要形式有：塑性断裂失效、低应力脆性断失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、介质加速失效。     
    3．表面损伤失效：     
    主要包括：磨损失效、腐蚀失效、接触疲劳失效等。     
    按表面疲劳损伤程度：分麻点与剥落两种方式。    
    二、零件失效的原因     
    一般从以下几个方面进行分析：    
    1. 设计不合理：     
    机械零件的结构形状和尺寸设计不合理引起的。如尖角、尖棱等。    
    2．选材不合理：    
    对失效形式误判，或选材不能满足工作条件的要求；或错误选泽了材料。    
    3．加工工艺不当：    
    由于采用的工艺方法、工艺参数不正确，可能造成各种缺陷。粗糙度过大、刀痕较深，磨削裂纹等。热成形的过热、过烧、带状组织等，热处理工序中容易产生氧化、脱碳、淬火变形与开裂。    
    4．安装使用不正确：    
    安装过紧、过松、和或对中不准、固定不紧。重心不稳、密封不好等。     
    三、失效分析的一般过程：    
    失效分析是一项系统工程，必须对零件设计、选材、工艺、安装使用等各方面进行系统分析，才能找出失效原因。    
    事故（失效）——收集失效的残骸——全面调查（失效现场的调查）部位，特点、环境：时间——综合分析（分放区、工作状态、裂纹和断口分析、结构、受力、应力状态、材质、性能组织分析）——或测试或模拟——找出失效原因——提出改进措施。    
机械工程材料的选用     
    合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作，它不仅要考虑材料的性能应能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高机械零件的生产率，降低成本等。     
    一、选用材料的一般原则：     
    1．使用性原则：指材料所提供的使用性能指标对零件功能和寿命的满足程度。零件在正常情况下，应完成设计规定的功能并达到预期的使用寿命。     
    2．工艺性：指所选用的工程材料顺利地加工成合格的机械零件。     
    ① 铸造工艺性：包括流动性、收缩性、热裂倾向性、偏折性及吸气性等。     
    ② 锻造工艺性；包括可锻性、冷镦性、冲压性、锻后冷却要求等。     
    ③ 焊接工艺性：主要为焊接性，即焊接接头产生工艺缺陷的敏感性及其使用性能。     
    ④ 切削加工工艺性：是指材料接受切削加工的能力。如刀具耐用度、断屑能力等。     
    ⑤ 粘结固化工艺性：高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金制品，其粘结固化性是重要的工艺指标。     
    ⑥ 热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。     
    3．经济性：应尽量选用价格比较便宜的材料。从材料本身的价格、从材料加工费用考虑、 从资源供应条件考虑、注意选用非金属材料。     
    材料的经济性主要从以下几个方面考虑：     
    （1）材料本身价格应低 通常情况下材料的直接成本为产品价格的 30% ～ 70% 。 2. 材料加工费用应低 非金属材料（如塑料）加工性能好于金属材料，有色金属的加工性能好于钢，钢的加工性能好于合金钢。    
    （3）提高材料利用率和再生利用率 在加工中尽量采用少切屑（如精铸、冷拉、模锻等）和无切屑新工艺，有效利用材料。     
    （4）使用过程的经济效益 在选材时，不能片面强调材料费用及制造成本，还需对材料的使用寿命予以重视，我们生产使为了使用，生产出来的产品不能式或不能安全使用，或达不到大型零件，如锅轮，大型齿轮的轮幅，轮毂用铸铁，齿圈用优质碳钢等。    
    二、选材的方法与步骤     
    1. 选材的方法：应以零件最主要的性能要求作为选材的主要依据。同时兼顾其它性能要求，这是选材的基本要求。     
   （1）以要求较高综合力学性能为主时的选材 在机械制造中有相当多的结构零件，如轴、杆、套类零件等，在工作时均不同程度地承受着静、动载荷的作用，其失效形式可能为变形失效和断裂失效，所以这类零件要求具有较高的强度和较好的塑性与韧性，即良好的综合力学性能。     
    （2）以疲劳强度为主时的选材 疲劳破坏是零件在交变应力作用下最常见的破坏形式，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等零件的失效，大多数是因疲劳破坏引起的。     
    （3）以抗磨损为主时的选材 可分为两种情况：一是磨损较大、受力较小的零件，其主要失效形式是磨损，故要求材料具有高的耐磨性。如钻套、各种量具、刀具、顶尖等，选用高碳钢或高碳合金钢，进行淬火和低温回火处理，获得高硬度的回火马氏体和碳化物组织，即能满足耐磨的要求。二是同时受磨损及交变应力作用的零件，基主要失效形式是磨损，过量的变形与疲劳断裂（如传动齿轮、凸轮等）。     
    2. 选材的步骤     
    1 ）分析零件的工作条件及其失效形式，根据具体情况或用户要求确定零件的性能要求（包括使用性能和工艺性能）和最关键的性能指标。一般主要考虑力学性能，必要时还应考虑物理、化学性能。    
    2 ）对同类产品的用材情况进行调研    
    3 ）查手册    
    4 ）初步选择    
    5 ）审核    
    6 ）找关键性零件     
    上述选材步骤只是一般过程，并非一成不变。如对于某些重要零件，如果有同类产品可供参考，则可不必试制而直接投产；对于某些不重要的零件或小批量生产的非标准设备及维修中所用的材料，若对材料选择与热处理方法有成熟的经验和资料，则可不进行试验和试制。  , g) L; r% Y. W- M% C) ^. a# Y) J