第五篇材料的選用
教學目的及要求
通過本章學習，使學生了解零件的失效形式與提高材料效能的途徑，掌握零件選材的一般原則和方法。
主要內容
1．零件的失效形式與提高材料效能的途徑
2．零件選材的一般原則和方法
3．典型零件的選材及應用例項
學時安排
2學時教學重點
1．零件的失效形式與提高材料效能的途徑
2．零件選材的一般原則和方法
教學難點
零件的失效形式與提高材料效能的途徑
教學過程
第一節選材的一般原則
一.材料的使用效能——選材的最主要依據
指的是零件在使用時所應具備的材料效能，包括機械效能、物理效能和化學效能。對大多數零件而言，機械效能是主要的必能指標，表徵機械效能的引數主要有強度極限σb、彈性極限σe、屈服強度σs或σ0.2、伸長率δ、斷面收縮率ψ、衝擊韌性ak及硬度hrc或hbs等。
這些引數中強度是機械效能的主要效能指標，只有在強度滿足要求的情況下，才能保證零件正常工作，且經久耐用。在材料力學的學習中，已經發現，在設計計算零件的危險截面尺寸或校核安全程度時所用的許用應力，都要根據材料強度資料推出。
附表：幾類典型零件的工作條件失效形式及主要機械效能指標
可以看出，在設計機械零件和選材時，應根據零件的工作條件，損壞形式，找出對材料機械效能的要求，這是材料選擇的基本出發點。
二.材料的工藝效能
材料的加工工藝效能主要有：鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理和焊接等效能。其加工工藝效能的好壞直影響到零件的質量、生產效率及成本。所以，材料的工藝效能也是選材的重要依據之一。
注：σ-1p為抗壓或對稱拉伸時的疲勞強度；σ-1光滑試樣對稱彎曲應力時的疲勞強度；σbb抗彎強度；σbc抗壓強度。
（1）鑄造效能：一般是指熔點低、結晶溫度範圍小的合金才具有良好的鑄造效能。如：合金中共晶成分鑄造性最好。
（2）壓力加工效能：是指鋼材承受冷熱變形的能力。冷變形效能好的標誌是成型性良好、加工表面質量高，不易產生裂紋；而熱變形效能好的標誌是接受熱變形的能力好，抗氧化性高，可變形的溫度範圍大及熱脆傾向小等。
（3）切削加工效能：刀具的磨損、動力消耗及零件表面光潔度等是評定金屬材料切削加工效能好壞的標誌，也是合理選擇材料的重要依據之一。
（4）可焊性：衡量材料焊接效能的優劣是以焊縫區強度不低於基體金屬和不產生裂紋為標誌。
（5）熱處理：是指鋼材在熱處理過程中所表現的行為。
如過熱傾向、淬透性、回火脆性、氧化脫碳傾向以及變形開裂傾向等來衡量熱處理工藝效能的優劣。
總之，良好的加工工藝性可以大減少加工過程的動力、材料消耗、縮短加工週期及降廢品率等。優良的加工工藝效能是降低產品成本的重要途徑。
三.材料的經濟效能
每台機器產品成本的高低是勞動生產率和重要標誌。產品的成本主要包括：原料成本、加工費用、成品率以及生產管理費用等。
材料的選擇也要著眼於經濟效益，根據國家資源，結合國內生產實際加以考慮。此外，還應考慮零件的壽命及維修費，若選用新材料還要考慮研究試驗費。
作為乙個機械設計人員，在選材時必須了解我國工業發展趨勢，按國家標準，結合我國資源和生產條件，從實際出發全面考慮各方面因素。
第二節零件的失效
任何零件或部件使用一段時間後都要損傷或損壞，其損傷的程度有三種情況：
1． 零件徹底破壞，不能再使用；如軸斷裂。
2．嚴重損傷繼續使用不安全；如有裂紋產生、表面磨損。
3．雖然還能安全工作，但已達不到預定的作用。
只要發生上面情況中的任何一種都可以認為零件已經失效。對機器零件或部件進行失效分析的目的就是要找出零件破壞的原因，並且提出相應的改進措施。失效分析的結果對於零件的設計、選材、加工及使用都具有很大的指導意義。
一、機械零件失效的方式
零件失效的形式多種多樣，按零件的工作條件及失效的巨集觀表現與規律可分為：變形失效、斷裂失效、表面損傷失效等。
二、機械零件失效的原因
失效原因有多種，在實際生產中，零件失效很少是由於單一因素引起的，往往是幾個因素綜合作用的結果。歸納起來可分為設計、材料、加工和安裝使用四個方面。可能的原因有如下：
1． 設計原因
一是由於設計的結構和形狀不合理導致零件失效，如零件的高應力區存在明顯的應力集中源（各種尖角、缺口、過小的過渡圓角等；二是對零件的工作條件估計失誤，如對工作中可能的過載估計不足，使設計的零件的承載能力不夠。
2．材料方面的原因
選材不當是材料方面導致失效的主要原因。最常見的是設計人員僅根據材料的常規效能指標來作出決定，而這些指標根本不能反映出材料所受某種型別失效的搞力；材料本身的缺陷（如縮孔、疏鬆、氣孔、夾雜、微裂紋等）也導致零件失效。
3．加工方面原因
由於加工工藝控制不好會造成各種缺陷而引起失效。如熱處理工藝控制不當導致過熱、脫碳、回火不足等；鍛造工藝不良帶狀組織、過熱或過燒現象等；冷加工工藝不良造成光潔度太低，刀痕過深、磨削裂紋等都可導致零件的失效。
有些零件加工不當造成的缺陷與零件設計有很大的關係，如熱處理時的某些缺陷。零件外形和結構設計不合理會促使熱處理缺陷的產生（如變形、開裂）。為避免或減少零件淬火時發生或開裂，設計零件時應注意：
截面厚薄不均勻，否則容易在薄避處易開裂；結構對稱，盡量採用封閉結構以免發生大的變形；變截面處均勻過渡，防止應力集中。
4．安裝使用與失效
零件安裝時，配合過緊、過鬆、對中不良、固定不緊等，或操作不當均可造成使用過程中失效。
三、零件失效分析的方法步驟
1．現場調查研究
這是十分關鍵的一步。盡量仔細收集失效零件的殘骸，並拍照記錄實況，從而確定重點分析的物件，樣品應取自失效的發源部位。
2．詳細記錄並整理失效零件的有關資料，如設計圖紙、加工方式及使用情況。
3．對所選定的試樣進行巨集觀和微觀分析，確定失效的發源點和失效的方式。掃瞄電鏡斷口分析確定失效發源地和失效方式；金相分析，確定材料的內部質量。
4．測定樣品的有關資料：效能測試、組織分析、化學成份分析及無損探傷等。
5．斷裂力學分析。
6．最後綜合各方面分析資料作出判斷，確定失效的具體原因，提出改進措施，寫出分析報告。
第三節典型零件的選材及應用例項
工程材料中應用較多的是金屬材料，具有強度高、韌性好、疲勞抗力高等優良效能，用來製造各種重要的機器零件和工程結構件。
一、工具機零件的選材分析
工具機零件的品種繁多，按結構特點、功用和受載特點可分為：軸類零件、齒輪類零件、工具機導軌等。
1．工具機軸類零件的選材
工具機主軸是工具機中最主要的軸類零件。工具機型別不同，主軸的工作條件也不一樣。根據主軸工作時所受載荷的大小和型別，大體上可以分為四類：
（1）輕載主軸。工作載荷小，衝擊載荷不大，軸頸部位磨損不嚴重，例如普通車床的主軸。這類軸一般用45鋼製造，經調質或正火處理，在要求耐磨的部位採用高頻表面淬火強化。
（2）中載主軸。中等載荷，磨損較嚴重，有一定的衝擊載荷，例如銑床主軸。一般用合金調質鋼製造，如40cr鋼，經調質處理，要求耐磨部位進行表面淬火強化。
（3）過載主軸。工作載荷大，磨損及衝擊都較嚴重，例如工作載荷大的組合工具機主軸。一般用20crmnti鋼製造，經滲碳、淬火處理。
（4）高精度主軸。 有些工具機主軸工作載荷並不大，但精度要求非常高，熱處理後變形應極小。工作過程中磨損應極輕微，例如精密鏜床的主軸。
一般用38crmoala專用氮化鋼製造，經調質處理後，進行氮化及尺寸穩定化處理。
過去，主軸幾乎全部都是用鋼製造的，現在輕載和中載主軸已經可用球墨鑄鐵製造。
2．工具機齒輪類零件的選材
工具機齒輪按工作條件殼分為三類：
（1）輕載齒輪。轉動速度一般都不高，大多用45鋼製造，經正火或調質處理。
（2）中載齒輪。一般用45鋼製造，正火或調質後，再進行高頻表面淬火強化，以提高齒輪的承載能力及耐磨性。對大尺寸齒輪，則需用40cr等合金調質鋼製造。
一般工具機住傳動系統及進給系統中的齒輪，大部分屬於這一類。
（3）過載齒輪。對於某些工作載荷較大，特別是運轉速度高又承受較大衝擊載荷的齒**多用20cr、20crmnti等滲碳鋼製造。經滲碳、淬火處理後使用。
例如：變速箱中一些重要傳動齒輪等。
3．工具機導軌的選材
工具機導軌的精度對整個工具機的精度有很大的影響。必須防止其變形和磨損，所以工具機導軌通常都是選用灰口鑄鐵製造，如ht200和ht350等。灰口鑄鐵在潤滑條件下耐磨性較好，但抗磨粒磨損能力較差。
為了提高耐磨性，可以對導軌表面進行淬火處理。
二、汽車零件的選材分析
1．發動機和傳動系統零件的選材
這兩部分包括的零件相當多。其中，有大量的齒輪和各種軸，還有在高溫下工作的零件，如進、排氣閥、活塞等。它們的用材都比較重要，目前一般都是根據使用經驗來選材。
對於不同型別的汽車和不同的生產廠，發動機和傳動系統的選材是不相同的。應該根據零件的具體工作條件及實際的失效方式，通過大量的計算和試驗選出合適的材料。
2．減輕汽車自重的選材
隨著能源和原材料**的日趨短缺，人們對汽車節能降耗的要求越來越高。而減輕自重可提高汽車的重量利用係數，減少材料消耗和燃油消耗，這在資源、能源的節約和經濟價值方面具有非常重要的意義。
減輕自重所選用的材料，比傳統的用材應該更輕且能保證事業效能。比如，用鋁合金或鎂合金代替鑄鐵，重量可減輕至原來的1/3～1/4，但並不影響其使用效能；採用新型的雙相鋼板材代替普通的低碳鋼板材生產汽車的沖壓件，可以使用比較薄的板材，減輕自重，但一點不降低構件的強度；在車身和某些不太重要的結構件中，採用塑料或纖維增強複合材料代替鋼材，也可以降低自重，減少能耗。
三、典型模具的選材分析
四、典型零件的選材例項
1．工具機主軸
圖示是c620車床主軸的結構簡圖。
圖示 c620車床主軸及熱處理技術條件
工具機主軸是典型的受扭轉—彎曲復合作用的軸件，它受的應力不大（中等載荷），承受的衝擊載荷也不大，如果使用滑動軸承，軸頸處要求耐磨。因此大多採用45鋼製造，並進行調質處理，軸頸處由表面淬火來強化。載荷較大時則用40cr等低合金結構鋼來製造。
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