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1、第七章 材料选择概述 选材的动机： 首次开发生产一种新产品、新零件或新装置； 现有产品的改进和更新换代； 零件过早失效甚至灾难性事故发生后，需改变用材。 7.1 选材的基本原则及方法 7.2 典型零件选材及工艺分析 7.1选材的基本原则 1.使用性能原则-首要原则 2.工艺性能原则 3.经济性原则-根本原则 4.环境与资源原则 一、性能原则-首要原则 1. 分析零件的工作条件 1)首先应判断零件在工作中所受载荷的性质和大小，计 算载荷引起的应力分布。 i 载荷的性质是决定材料使用性能的主要依据之一。 ii 计算应力是确定材料使用性能的数量依据。 2)考虑零件的工作环境：环境因素会与零件的力学状
2、态 综合作用，提出更为复杂的性能要求。 3)最后还应充分考虑材料的某些特殊要求。 受力状况: 载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等） ，载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等）， 载荷的大小以及分布特点（如均布载荷或集中载荷）。 环境状况 温度（如低温、高温、常温或变温）及介质情况（如有无 腐蚀或摩擦作用）。 特殊功能 导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等。 2. 进行失效分析 失效抗力取决于材料的性能，对零件主要失效形式的分析 常常可以综合出零件所要求的主要使用性能。 几种常用零件的工作条件和失效形式如下: 零件 工作条件 常用失效形 式 性能要求 应力种 类 载荷性 质 受载
3、状 态 螺栓 拉、剪 静载 过量变形， 断裂 强度，塑性 传动轴 弯、扭 循环， 冲击 轴颈摩 擦 疲劳断裂， 过量变形， 轴颈磨损 综合力学性 能 传动齿 轮 压、弯 循环， 冲击 摩擦， 振动 断齿，磨损 ，疲劳断裂 ，接触疲劳 表面高强度 及疲劳极限 ，心部强度 及韧性 弹簧 扭、弯 交变， 冲击 振动 弹性失稳， 疲劳破坏 弹性极限， 屈强比，疲 劳极限 3零件性能要求的指标化 将零件对使用性能的要求具体转化为实验室力学性能 指标（如强度、韧性、塑性、硬度等）,再根据工作 应力 、使用寿命或安全性确定性能指标的具体数值 。 (1)受力状况不同，设计依据的性能指标、计算公式 不同。 (2
4、)应综合考虑塑性、韧性和强度指标，并加以合理 的配合。 在利用具体性能指标进行选材时，必须注意实验室指 标、手册性能数据、经验关系式的局限性。 二、工艺性能原则： 1. 金属材料的工艺性能 金属零件的加工工艺路线 性能、质量要求不高的零件 毛坯正火或退火切削加工零件。 如铸铁或碳钢，只要注意采用适宜的毛坯制造方法，其工艺性能 均能满足要求。 性能要求较高的零件（如轴、齿轮等） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理 （淬火十回火，固溶时效，渗碳处理等）精加工零件。 金属零件用材多为碳钢、合金钢、高强铝合金等，其中有些材料 的加工性能存在问题，因此选材时应注意对其工艺性能的分析。 性能和质
5、量要求极高的零件（如精密丝杠） 毛坯预先热处理（正火、退火）粗加工最终热处理 （淬火+低温回火，固溶时效或渗碳）半精加工稳定化 处理（或氮化）精加工稳定化处理零件。 加工路线复杂，加工精度和质量要求高，在选材时应务必保证材 料的工艺性能。 2. 高分子材料的工艺性能 高分子材料的加工工艺路线 表 高分子材料主要成形工艺特点 工 艺 适用材 料 形 状 表面光 洁度 尺寸精 度 模具 费用 生产率 热压 成形 范围较 广 复杂 形状 很好 好 高 中等 喷射 成形 热塑性 塑料 复杂 形状 很好 非常好 很高 高 热挤 成形 热塑性 塑料 棒类 好 一般 低 高 真空 成形 热塑性 塑料 棒类
6、一般 一般 低 低 3. 陶瓷材料的工艺性能 成形后，受陶瓷加工性能的局限，除了可以用碳化 硅或金刚石砂轮磨削加工外，几乎不能进行任何其 它加工。因此陶瓷材料的应用在很大程度上也受其 加工性能的限制。 陶瓷材料的加工工艺路线 表 陶瓷材料成形工艺的比较 工 艺 优 点 缺 点 粉浆成形 可做形状复杂件 、薄壁件，成本 低 收缩大，尺寸精 度低，生产率低 压制成形 可做形状复杂件 ，有高密度和高 强度，精度较高 设备较复杂，成 本高 挤压成形 成本低，生产率 高 不能做薄壁件， 形状要对称 可塑成形 尺寸精度高，可 做形状复杂件 成本高 三、经济性原则-根本原则 产品成本与性能的关系： 产品成本
7、分析 1. 基本材料的成本 材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（30-70% ）。选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之 一； 提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消 耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）。 材 料 价格（美元/t） 材 料 价格（美元/t） 铂 26,000,000 工业金刚石 900,000,000 金 19,100,000 硼环氧树脂复 合材料 330,000 钨 26,000 碳纤维复材料（ CFRP） 200,000 钛合金 10,19012,720 玻璃纤维复合材 料（GFRP） 24003300 黄铜（型材） 16502336 尼龙
8、66 3289 铝合金（型材） 20002440 环氧树脂 1650 低碳钢（型材） 440480 天然橡胶 1430 铸铁 260 Al2O3 1100-1760 硬质合金 66,000 玻璃 1500 常见工程材料价格 我国常用金属材料的相对价格 材 料 相对价格 材 料 相对价格 普通碳素结构钢 1 铬不锈钢 5 优质碳素结构钢 1.3-1.5 铬镍不锈钢 15 合金结构钢（Cr -Ni钢除外） 1.7-2.5 灰口铸铁 1.4 铬镍合金结构钢 （中合金钢） 5 铸造铝合金、 铜合金 8-10 滚珠轴承钢 3 普通黄铜 13-17 低合金工具钢 3-4 锡青铜、铝青 铜 19 高速钢 1
9、6-20 钛合金 50-80 硬质合金 150-200 （工程塑料） 5-15 基本材料的价格的影响因素： 1.提炼和制取的成本 2.矿物资源的储量、开采成本、矿石品位等 3.材料的提纯、合金化（合成）成本 4.加工增值成本 5.供求关系所造成的价格波动 常见金属矿物资源的品位 矿石品种 品位 矿石品种 品位 典型铁矿石 60-65%Fe 典型铀矿石 0.2%U 典型铜矿石 1-1.5%Cu 典型金矿石 0.0001- 0.001%Au 2. 制造成本。 加工成本约占零件成本的30%左右，生产批量越少， 这一比例越高。 总成本P=T+xN，T为工具与设备费用，x代表每件产 品的成本， N为生产
10、批量（件/批）。 产量对制造成本的影响 四、环境与资源原则 随着地球资源的日益枯竭、环境的日益恶化， 材料的环境和资源准则在今后会变得日益重要。这 一准则要求材料在生产使用废弃的全过程 中，对能源和资源的消耗少，对生态环境影响小， 可以完全再生利用或废弃时完全降解。 1. 能源和资源消耗少 世界能源储藏量 石油 天然气 煤 铀铀 可开采储储量 9970亿亿桶 138万亿亿m3 1，039，272 吨 200万吨 可开采年限 45.5年 64年 219年 74年 主要产产地及储储 量比例 中东东66.4% 独联联体、中东东 70% 美、苏苏、中、 澳 70% 重要金属的世界储量 储量（106t
11、） 可用年数 再生率(%) Fe 1106 109 31.7 Al 1170 35 16.9 Cu 308 24 40.9 Zn 123 18 21.2 Mo 5.4 36 Ag 0.2 14 41.0 Cr 775 112 Ti 147 51 通过产品的小型化，材料轻量化，减少材料的绝对使 用量;通过零件的长寿命化和再利用，减少材料的相对使 用量;通过易分选及可再生循环材料的利用，降低对天然 资源的依赖；选用能耗低的材料及加工工艺。 2. 环境污染小 环境准则必将成为选材的重要依据之一，即要求材料在生产使 用废弃的全过程中具有与环境的协调性，充分降低对环境造成 的负荷。 1) 采用能耗少、污
12、染小的材料，节能无害化的生产、制造工艺， 2) 选择可再生循环性好的材料（材质单纯，化学组成简单，便 于提纯，通用性强），降低废弃物环境负荷， 3) 选择以再生资源为原料的材料。 生产各种材料消耗的能量及碳的排放量 材料 矿物燃料能耗 排碳量 MJ/Kg MJ/m3 Kg/t Kg/m3 木材 1.52.8 7501390 3056 1528 混凝土 2.0 4800 50 120 钢材 35 266,000 700 5320 一次铝 435 1,100,000 8700 22,000 再生铝 13 33,000 材料的可再生循环性： 1)混凝土虽能耗低但几乎不能回收、降解； 2)木材不但能耗
13、低，还能充分回收，并可以降解； 3)多数塑料回收率很低； 金属材料能耗高但可较容易地回收，其中铝的回收价值 尤其高，扩大对再生铝的利用，具有相当大的环境意义。 五、材料选用方法 1基于对具体零件的工作条件和失效形式的分析，以 及对同类零件现 有状况（所用材料、使用寿命、失效 形式以及供应情况）的调研，再结合力学计算或试验 确定零件应具有的力学性能指标和理化性能指标。 2对若干备选材料的性能指标和制造工艺进行综合分 析和筛选，初步选定材料的牌号、规格及制造工艺。 3进行实验室试验以检验选用材料是否达到各项性能 要求，并进行小批试生产以检验材料制造过程中工艺 性是否满足要求。小批试验产品质量合格后
14、，选材方 案即可确定下来。 7.2 典型零件选材及工艺分析 （一）齿轮类零件： 1.性能要求： 工作条件 失效形式 性能要求 齿根交变弯曲 应力 齿面接触压应 力、滑动摩擦 轮齿冲击 疲劳断裂 表面损伤 过载断裂 高弯曲疲劳强 度 高接触疲劳强 度和耐磨性 较高强度及冲 击韧性 2.选材依据： 弯曲疲劳强度 接触疲劳强度 其他 SB=k（HV）m SB弯曲疲劳强度 HV齿面维氏硬度 k 、m材料有关的 常数 Sc=0.2(HV/100)2 Sc接触疲劳强度 HV齿面维氏硬度 齿心强度和硬度 如重载齿轮要求 心部淬硬 硬化层深度应为 模数的15%- 20% 如疲劳断裂 取上限，表面损 伤取下限。
15、 3.选材 （1）钢：可应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材。 速度、载荷、 冲击大 钢种类别 热处理工艺 中碳钢 调质处理（淬火+高 温回火）+表面淬火+ 低温回火 合金调质钢 调质处理（淬火+高 温回火）+表面淬火+ 低温回火 合金渗碳钢 渗碳+淬火+低温回火 （2）高分子材料 重量轻，摩擦系数小，减振性强、 噪音小，不需润滑。但强度低不能承受较大载荷。如 夹布层压热固性树脂等。 名称 特性 应用 MC尼龙 强度高，拉伸强度可 达90Mpa以上，减摩耐 磨性优于其它尼龙。 大型铸件，如 大型齿轮 聚碳酸酯 突出的抗蠕变性和冲 击韧性，脆化温度为- 100，成型精度高， 透明，耐热性高于有
16、 机玻璃 仪表中的小模 数齿轮 4.实例： 解放牌载重汽车变速箱齿轮 性能要求：表面高耐磨性及疲劳极限；心部较高强度与韧 性（b1000MN/ ，ak60J/c ）。 选材：渗碳钢-20CrMnTi（淬透性：油淬30-40mm；渗 碳淬火后 b1100MN/ ，ak60J/c ） 热处理工艺：90-50渗碳-820-850油淬-180 200低温回火 (二) 轴类零件 1.性能要求 工作条件（传动） 失效形式 性能要求 交变扭转、旋转弯曲 应力轴颈摩擦冲击 疲劳断裂磨损过 载或冲击断裂 较高强度与较 好韧、塑性配 合较高疲劳抗 力轴颈耐磨性 2.选材 速度 载荷 冲击 磨损 大钢种类别 热处理工艺 中碳钢 调质处理（淬火+高温 回火）+表面淬火+低温 回火 合金调质钢 调质处理（淬火+高温 回火）+表面淬火+低温 回火 合金渗碳钢 渗碳+淬火+低温回火 3.实例： C620车床主轴 性能要求
