浅谈机械零件的选材

浅谈机械零件的选材

马德财陈宇然

齐齐哈尔工程学院机电工程系齐齐哈尔161000

摘要：计机械零件时，设计者不仅要熟悉零件的工作条件，掌握零件的受力规律，还要把它们与材料的性能结合起来。因此，掌握各种工程材料的特性，正确选择和使用工程材料是十分重要的。所选材料的使用性能应该能适应零件的工作条件，使得零件安全可靠、经久耐用，而且要求材料具有良好的工艺性能，最后还要考虑经济条件，以便提高零件质量的同时降低成本。

关键词：机械零件；选材；层次分析

机械产品设计、制造、维护中，材料的选择应用是一个非常重要的过程，选材是否合理是否符合设计需求，是世界影响产品使用性能、使用寿命、质量和制造成本的重要因素之一。选材不合理，会造成机械零件在使用的过程中发生早期的实效，甚至造成设备和人身事故的发生，对人的生命安全和财产安全造成威胁。因此，合理选材是获得好的产品的重要保障，也是产品成本能否在市场中具有竞争力的关键因素。

使用的材料要符合使用性能的原则，使用性能是指机械零件或者构件在正常服役条件下材料应该具备的性能。满足零件的使用要求是保证零件完成规定功能的必要条件，是选择材料的主要依据。在一般结构零件上，使用性能中的力学性能则是最主要的方面。零件的使用要求体现在对其形状、尺寸、加工精度、表面粗糙程度等外部质量和对其化学成分、组织结构、力学性能、物理性能、化学性能等内部质量的要求。零件工作的条件和失效形式较为复杂，在选材时候必须根据具体情况找出关键的力学性能指标，同时兼顾其他性能要求，零件的承载情况主要指的是荷载的性质和受力状态。工作状态是指零件所在的环境。荷载的性质有静载、冲击、交变等；受力状态有拉、压、弯、扭等；介质是指与零件接触的润滑剂、海水、酸、碱、盐等；工作温度为低温、室温、高温、交变温度等。

在设计选材的时候要从三方面考虑。第一，零件的承载和工况；第二，对零件的尺寸和重量的限制；第三，零件的重要程度。如果零件主要满足强度要求，而且尺寸和重量又有所仙子，则是用强度较高的材料；如果零件的尺寸主要满足刚度的要求，则应该选择E值大的材料；如果零件的接触应力较高，则应该选用可以进行表面强化的材料；在强烈的摩擦和冲击下的工作零件，应该选用耐磨材料。设计时候，根据零件的工作条件，分析计算或者测定出力学性能指标值后，可以借助手册选材。但是，零件实际工作情况会经常发生变化，材料的状况也可能比较复杂，都会影响零件的使用性能和寿命。因此，按照力学性能选用材料时候还需要考虑三个问题。第一，材料的实际工作条件可能和手册上标定的条件不同，实际使用的材料也可能夹有杂物和缺陷，选材时候应该详细的分析、试验。第二，钢材随着截面尺寸增大，力学性能降低，称为尺寸效应。在选材的截面增大的时候，应该进行适当的修正。第三，要考虑材料的强度、塑形、韧性的合理配合。因为零件设计以屈服强度为主要依据，并乘以修正系数，如果想为了安全，使得屈服强度提高过大，塑性指标下降，容易出现脆性断裂。所以选材时候要注意综合考虑强度、塑性和韧性。

材料的工艺性能原则，材料的工艺性能是指材料适应某种加工的能力，或者加工成零件的难易程度。任何零件都是由所选材料通过一定的加工工艺制造出来，材料的工艺性能的好坏也是选材时候必须考虑的问题，所选材料因该具有良好的工艺性能，即工艺简单、加工成型容易、能源消耗量少、材料利用率高、产品质量好。材料所要求的工艺性能与零件制造的加工工艺线路有密切的关系，具体的工艺性能就是根据工艺线路所提出的。在选择材料的过程中，了解零件制造的各章工艺过程的工艺特点和工艺特点的局限性是非常的重要的。比如；陶瓷材料的工艺性能，陶瓷零件的加工工艺路线是：备料、成型加工（配料、烧结）（粉浆成型、压制成型、挤压成型、可塑成型）、磨加工或者是热处理最终形成零件。高分子材料的工艺性能，高分子材料制造零件加功能工艺的路线为：备料、成型加工（热压、注射、浇注、热挤压、喷射、真空等）、机械加工或者是热处理焊接最后成为零件。金属材料的工艺性能，金属材料制造零件的时候加工工艺比较复杂，对材料的工艺性能要求比较高，其中包括铸造、锻压、焊接、切割、切削加工和热处理加工工艺的性能。

选择材料还要注意经济性的原则，在满足使用性能的基础上还要满足经济性的原则，经济型性也是选材必须考虑的重要因素。选材的经济性不只是指选用的材料价格便宜，更重要的是要让生产零件的总成本降低。零件的总成本包括制造成本，材料价格、零件自重、零件加工费用、实验研究费用和附加的成本（零件的的寿命、更换零件停机的损失的费用以及维修的费用）。在保证零件使用性能的前提下，尽量、价格便宜的材料，可以降低零件的总成本，但是用的时候选用性能好的材料，虽然价格比较贵但是由于零件的自重比较轻，使用的寿命相应的延长，维修上的费用就能够减少一部分，反而更加的经济。与此同时还要考虑国家资源、能源、环保以及生产、供应情况、所选材料对资源能源的消耗尽可能的减少，因该符合我国的资源情况，来源广泛并且材料种类尽量少而且集中，便于采购和管理。所选择的材料还因该符合环境保护的原则，对生态环境的影响尽量减小，材料在废弃的时候可以再生利用或者是对生态环境破坏比较小甚至是可以自己进行降解的材料优先。

零件材料的合理选择通常是按照以下的步骤进行选择的：首先是分析零件的工作条件和失效形式，根据分析的结果提出零件最关键的性能要求，同时考虑其他性能的要求。接下来考虑的是对同类的零件的用材情况和失效情况和失效的形式进行调查研究，这样可以从其使用性能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以便作为选材时候的参考。再往下是要通过计算进行分析，确定零件应该具有的主要力学的性能判断，在特定条件下还要考虑物理、化学性能的判断。对于预选的材料，在经过工艺性和经济性分析后，进行综合评价应该采用定量和定性相结合的方法。由此可以确定零件所选用的材料牌号，并同时决定零件是进行热处理方法还是进行其他强化的处理方法。最后如果有必要，对于重要的零件进行投产的时候，进行可投产前的有关实验，初步检查所选择的材料和加工处理的方法是否满足所有的设计性能方面的要求，以及零件加工过程中有无困难，以及加工技术的难度和复杂程度，实验结果完全满意后再进行正式投产。

机械零件材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前,还没有一种确定选材最佳方案的精确方法,需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式,掌握有关工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺

知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析进行必要的试验和选材方案对比,最后确定合理的选材方案。对于成熟产品中相同类型的零件、通用和简单零件,则大多采用经验类比法来选择材料。

参考文献：

[1]张玉庭.机械零件选材及热处理[M].机械工业出版社.2014.03

[2]李言.机械制造技术基础.电子工业出版社[M].2011

[3]周玉.材料分析方法.机械工业出版社.[M].2011

[4]孙学强.机械制造基础[M].机械工业出版社.2001

[5]储凯.许斌.机械工程材料[M].重庆大学出版社.1997