李世紅

(貴州交通職業(yè)技術學院，貴州 貴陽 550008)

0 引言

無論是機械設備、工程設施還是居家建筑，最根本的要求就是“物美價廉”，“經(jīng)久耐用”，而這就要求構成這些設備、設施的基本元件——機械零件在使用時需要具有足夠的承載能力，同時充分重視其經(jīng)濟性。而典型零件的材料選擇對機械設備的使用性、安全性及經(jīng)濟性都有著重要的影響。所以了解其性能及其經(jīng)濟性指標對于材料的選擇是很有意義的。

1 典型零件及承載能力

在各種機械設備、工程結構中都有若干機械零件，其中，軸類、齒輪類和箱體類零件是所有設備中最基本、最重要而又必不可少的典型零件，其承載能力直接影響著設備的安全可靠性，而衡量其承載能力的指標有強度、剛度和穩(wěn)定性。強度是構件在外力作用之下抗破壞的能力；剛度是構件在外力作用下抗變形的能力；穩(wěn)定性是指壓桿在壓力的作用下保持原有直線狀態(tài)的能力。零件的強度、剛度和穩(wěn)定性越好，則其承載能力就越強。

1.1 工程材料對零件承載能力的影響

各種機械零件在生產使用之前，為了保證其安全有效地工作，必須根據(jù)相應的強度、剛度條件進行設計計算，在強度條件中均有一重要參數(shù)，就是許用應力σ，許用應力的大小直接與選用的材料有關。據(jù)有關統(tǒng)計，目前各種機械設備、車輛、飛機等所使用的材料，有90%以上是金屬材料。金屬材料的種類(化學成分)、組織形貌對零件的機械性能有著很大的影響，因此不同的材料對零件的承載能力及機械的安全性、壽命有著不同的影響。

1.2 常用金屬材料的種類及性能特點

工業(yè)上所使用的金屬材料，一般可分為黑色金屬和有色金屬2大類。黑色金屬主要有鋼、鑄鐵及其合金；有色金屬是指非鐵金屬及其合金，如鋁、銅、鎂等金屬。不同的金屬材料由于化學成分以及構成元素的比例不同，而呈現(xiàn)出不同的機械性能。如表1所示。

表1 常用金屬材料的分類及性能

由表1可知，不同的金屬材料，其機械性能不同，承載能力也不一樣。在確定構件材料時，一般應按以下步驟進行：分析構件、零件的工作條件→分析失效形式→進行力學計算→選擇材料→決定熱處理方法→試驗、投產。

1.3 零件的失效概念和形式

失效是指零件在使用過程中，由于尺寸、形狀或材料在組織與性能上發(fā)生變化而失去正常工作所具有的效能。

1.3.1 失效主要的3種情況

1)零件完全破壞，不能繼續(xù)工作。

2)雖能工作，但不能保證安全。

3)雖保證安全，但不能保精度或起不到預定的作用。

1.3.2 失效的主要形式為變形、斷裂和表面損傷等。

1)變形失效，過量變形失效是指零件在工作過程中產生超過允許值的變形量而導致整個機械設備無法正常工作，或者正常工作但零件質量嚴重下降的現(xiàn)象。

2)斷裂失效，指零件在工作過程中完全斷裂而導致整個機械設備無法工作的現(xiàn)象。失效的斷裂以低應力脆性斷失效、塑性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效、介質加速失效的情況居多。

3)表面損傷失效，指機械零件因表面損傷而造成機械設備無法正常工作或失去精度的現(xiàn)象。主要包括磨損失效、腐蝕失效、接觸疲勞失效等。按表面疲勞損傷程度分麻點與剝落2種方式。

1.4 零件失效的原因分析

在零件的失效形式中斷裂是影響零件安全有效工作的最危險形式。零件的失效形式與其工作條件有很大關系。零件的工作條件有：應力情況(種類、大小、分布等)；載荷性質(靜載荷、沖擊載荷；循環(huán)載荷)；溫度(低溫、常溫、高溫)；環(huán)境介質(有無腐蝕性物質)等。為了保證零件具有足夠的承載能力，需要充分掌握各種材料的機械性能特點，準確地分析零件的失效形式及原因，使其安全有效地工作。零件失效的原因有以下幾種情況：

1)設計問題。由于機械零件的結構形狀和尺寸設計不合理引起的。如尖角、尖棱等。

2)選材問題。對失效形式誤判或選材不能滿足工作條件的要求，或錯誤選擇材料。

3)加工工藝不當。由于采用的工藝方法、工藝參數(shù)不正確，而造成各種缺陷。例如刀痕較深、粗糙度過大、磨削裂紋等，熱成形的過熱、過燒、帶狀組織等，熱處理工序中容易產生氧化、脫碳、淬火變形與開裂。

4)安裝使用不正確。安裝過緊、過松、或對中不準、固定不緊，重心不穩(wěn)、密封不好等，都會造成零件失效。

2 金屬材料的組織形貌對承載能力的影響

除了構件的化學成分(種類)，材料的組織形貌也對承載能力有著極其重要的影響，在機械零件的生產加工中，常用熱處理來改變零件的組織形貌，從而滿足設備對構件的安全性能要求。具體情況如表2所示。

表2 C＝0.77%共析鋼熱處理狀態(tài)組織及性能

由表2可知，同種材料，由于其內部組織狀態(tài)不同，所呈現(xiàn)的機械性能也就有很大的差別。在實際生產過程中，零件材料確定后，還要安排合理的熱處理，例如，齒輪類零件，根據(jù)其工作條件和失效形式，要求其表面硬，心部韌，以達到表面耐磨，同時能抗沖擊。因此，通常選擇20Cr合金滲碳鋼，進行滲碳+淬火+低溫回火處理，使其表面為高碳的回火馬氏體，心部為低碳組織。又如：軸類零件，根據(jù)其工作條件和失效形式，要求其要有很好的綜合機械性能，通常選擇40Cr，經(jīng)淬火+中溫回火，得到回火索氏體。經(jīng)過處理后，零件的承載能力就會有很大的提高，零件的安全性能得到極大的保證。

3 選用材料的一般原則

材料的選擇，不僅要考慮材料性能要適應零件的工作條件，能經(jīng)久耐用，而且還要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟性，以便提高機械零件的生產率，降低成本。

3.1 考慮材料的使用性能

材料所提供的使用性能(主要包括力學性能、物理性能和化學性能)指標對零件功能和壽命的滿足程度。零件在正常情況下，應完成設計規(guī)定的功能并達到預期的使用壽命。零件選材時，主要以零件使用性能要求作為選材依據(jù)，一般零件都在受力條件下工作，因此常以力學性能要求作為選材依據(jù)。

3.1.1 根據(jù)零件受載情況選擇材料

根據(jù)零件受載情況來選擇不同的材料，主要有以下幾種原則：

1)脆性材料原則上只適合于靜載荷作用下工作；在動載荷情況下，以塑性材料為基本材料。

2)若零件的接觸應力較高，則選用可進行表面強化處理的材料。

3)若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又收到某些限制時，應選用強度較高的材料。

4)若零件尺寸取決于剛度，則應選用彈性模量較大的材料。

3.1.2 根據(jù)零件工作情況選擇材料

根據(jù)零件工作情況選擇材料，主要有以下幾種原則：

1)在溫熱或有腐蝕性物質環(huán)境下工作的零件，其材料應具有良好的防銹能力和耐腐蝕能力。

2)在高溫下工作的零件，應選用耐熱材料。

3)滑動摩擦下工作的零件應選用減摩性能好的材料?？磕Σ羵鬟f運動和動力的零件應選用摩擦系數(shù)大的材料。

零件工作條件、失效形式及要求的力學性能，如表3所示。

表3 典型零件工作條件、失效形式及要求的力學性能

3.2 考慮材料的工藝性能

零件選材應滿足生產工藝對材料工藝性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通過一定的加工工藝制造出來的。因此材料的工藝性能，即加工成零件的難易程度，自然應是選材時必須考慮的重要問題。所以，熟悉材料的加工工藝過程及材料的工藝性能，對于正確選材是相當重要的。材料的工藝性能主要包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理性能。

3.2.1 鑄造性能

鑄造性能包含流動性、收縮性、疏松及偏析傾向、吸氣性、熔點高低等。常用材料鑄造性能的比較如表4所示。

表4 常用材料鑄造性能

3.2.2 壓力加工性能

壓力加工性能指材料的塑性和變形抗力等。常用材料鍛造性能的特點為：低碳鋼最好，中碳鋼次之，高碳鋼較差；低合金鋼可鍛性近于中碳鋼，高合金鋼的較差；鋁合金因鍛造溫度范圍窄，可鍛性并不很好；銅合金的可鍛性一般較好。

3.2.3 焊接性能

焊接性能包括焊接應力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其他缺陷傾向等。常用材料焊接性能經(jīng)比較后結論為：銅合金和鋁合金的焊接性能較差；灰口鑄鐵基本上不能焊；低碳鋼和碳含量低于0.18%的合金鋼有較好的焊接性能，碳含量大于0.45%的碳鋼和碳含量大于0.35%的合金鋼的焊接性能較差。碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。

3.2.4 切削加工性能

切削加工性能指切削抗力、零件表面光潔度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。常用材料切削加工性比較，如表5所示。

表5 常用材料切削加工性

3.2.5 熱處理性能

熱處理性能指材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開裂傾向等。

與使用性能的要求相比，工藝性能處于次要地位；但在某些情況下，工藝性能也可成為主要考慮的因素。當工藝性能和機械性能相矛盾時，有時正是工藝性能的考慮不得不放棄某些機械性能合格的材料，此點對于大批量生產的零件特別重要。因為在大量生產時，工藝周期的長短和加工費用的高低，常常是生產的關鍵。例如，為了提高生產效率，而采用自動機床實行大量生產時，零件的切削性能可成為選材時考慮的主要問題。此時，應選用易切削鋼之類的材料，盡管它的某些性能并不是最好的。

3.3 考慮材料的經(jīng)濟性能

材料的經(jīng)濟性主要從材料價格、材料加工費用以及使用過程的經(jīng)濟效益3個方面來考慮。

3.3.1 材料本身價格應低

通常情況下材料的直接成本為產品價格的30%～70%。常用金屬材料相對于普通碳素結構鋼的相對價格，如表6所示。

表6 常用金屬材料的相對價格

3.3.2 材料加工費用應低

非金屬材料(如塑料)加工性能好于金屬材料，有色金屬的加工性能好于鋼，鋼的加工性能好于合金鋼。材料的加工費用應從以下幾個方面考慮：

1)成型方法。在滿足零件性能要求的前提下，能鑄代鍛，能焊代鍛。例汽車發(fā)動機曲軸，一直選用強韌性良好的鋼制鍛件，彎曲了的曲軸照樣不能使用，改成鑄造曲軸(球墨鑄鐵)使成本降低很多。從零件的生產的每一道工序都應盡量減少。

2)加工工藝路線選用最佳工藝路線。常用熱處理相對于退火的相對加工費用，如表7所示。

表7 常用熱處理的相對加工費用

3)現(xiàn)有生產條件應充分利用現(xiàn)有生產設備或進行技術改造。能自己生產的不要外協(xié)。

4)高新材料利用率和再生利用率在加工中盡量采用少切屑(如精鑄、冷拉、模鍛等)和無切屑新工藝，有效利用材料。

3.2.3 考慮使用過程的經(jīng)濟效益

在選材時不能片面強調材料費用及制造成本，還需對材料的使用壽命予以重視，生產出來的產品必須達到安全使用條件。

4 典型零件的選材

軸類零件是機械設備中最主要零件之一，也是影響機械設備的精度和壽命的關鍵零件。其作用是支承回轉零件并傳遞運動和轉矩，是影響運行精度和壽命的關鍵件。軸(如車床主軸、帶輪的軸等)，心軸(如火車軸輪、自行車、汽車的前軸等)和傳動軸(如車床上的光杠等)3類。各種軸的尺寸相差懸殊，如手表中擺動軸最小處只有Φ 0.085 mm，而汽輪機轉子軸可達Φ 1 000 mm以上。主要用來承受各種載荷和傳遞動力。

4.1 軸類零件的選材考慮因素

1)軸類零件的工作條件：重要件，作用是支承回轉件并傳遞運動和動力。影響精度和壽命。

2)軸類零件的失效形式：疲勞、過載斷裂、過量變形和軸頸過度磨損。

3)軸類零件的性能要求：選材有足夠的抗拉強度和剛度，適當?shù)臎_擊韌性和高的疲勞強度，對軸頸處受磨擦部要高硬度和耐磨性。工藝上切削加工性和淬透性。

4)軸類零件的使用特點：經(jīng)鍛造或軋制的低碳、中碳鋼或合金鋼。

5)軸類零件的選材(機床主軸CA6140)：中速中等載荷，選用 45鋼。鍛后正火、調質、局部淬火、回火。

4.2 齒輪類零件的選材考慮因素

1)工作條件：通過齒面接觸傳遞動力，兩齒面相互嚙合。即有滾動，又有滑動。在齒表面：受到交變接觸壓應力及摩擦力的作用。在齒根部：受到交變變曲應力的作用。換擋：受到?jīng)_擊。安裝不良：齒面接觸不良。

2)失效形式：輪齒折斷、齒面損傷(主要)過程塑變，齒端磨損。

3)性能要求：高的疲勞強度(接觸)和抗拉強度、高的表面硬度和耐磨性適當?shù)男牟繌姸群妥銐虻捻g性。小的淬火變形，良好的加工性。

4)用材特點：對硬度和耐磨性要求不很高，對沖擊韌度要求一般的中，低速和載荷不在的中，小型傳動齒輪。A調質鋼，如車床、鉆床等變速齒輪、排輪、45、40g40MnB。HT工藝，調質(或正火)再進行表面淬火+低溫回火。要求高的運動速度的用滲氮鋼、調質后滲氮。B滲碳鋼，主要制高速、重載、沖擊較大的重要齒輪。如汽車、拖拉機變速箱齒輪。驅動橋齒輪，立式車床等。材料為20CrMnTi，20Cr，20CrMo，20CrMnMo 等。 HT，滲碳，淬火+低溫回火或噴丸。C鑄鋼和鑄鐵齒輪，鑄鋼，制力學性能要求較高。形狀復雜、難以鍛的大型齒輪、如起重機齒輪。材料，ZG270-150，ZG310-570，ZG340-640，ZG40Cr。 對耐磨性、疲勞強度較高，但沖擊載荷較小的齒輪，選用球墨鑄鐵，如QT500-07，QT600-03。沖擊載荷小的低精度、低速齒輪、可選用鑄鐵 如 HT200，HT250，HT300。 D 非鐵金屬齒輪，儀器、儀表及在腐蝕性介質中工作的輕載齒輪。選用黃銅、鋁青銅、錫青銅等。E塑料齒輪，尼龍、ABS、聚甲醛等。

4.3 箱體類零件的選材考慮因素

常見零件：機床上的主軸箱、變速箱、進給箱和溜板箱、內燃機缸體和缸蓋、泵殼、床身、變速機箱體。性能要求：主要受應力，也受一定的彎曲應力和沖擊力。因此具有足夠的剛度、抗拉強度和良好的減震性。

1)對受力較大，要求高的抗拉強度，高韌性(或在高溫高壓下工作)的選鑄鋼。

2)對受力不大，且受靜壓力，不受沖擊的選用灰鑄鐵 HT150，HT200。

3)相對運動件(存摩擦、磨損)應選用抗拉強度較高的灰鑄鐵如 HT250或孕育鑄鐵，HT300，HT350。

4)受力不大，要求輕且熱導性好的小型箱體件，可選用鋁合金鑄造如 ZALSi5Cu1Mg(ZL105)和ZALCu5Mn(ZL201)。

5)受力小，耐蝕以輕件，選工程塑料，ABS有機玻璃、尼龍。

6)受力較大，形狀簡單件或單件，選用型鋼焊接如Q235或45鋼。

5 結語

介紹了幾種典型零件的性能，通過分析零件的各種失效原因，提出選用機械加工材料應遵循的一般原則，有利于進一步研究和探討提高零件構件承載能力的方法，更好地保證機械設備及工程設施的安全性并延長其使用壽命。