1.3.2 材料的选择原则
合理选择材料是机械设计中的重要环节。 选择材料首先必须保证零件在使用过程中具有良好的工作能力,然后还要考虑其加工工艺性和经济性。
1)满足使用性能要求
使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。 使用性能是指零件在使用条件下,材料应具有的力学性能、物理性能以及化学性能。 对机械零件而言,最重要的是力学性能。
零件的使用条件包括以下3 个方面:受力状况(如载荷类型、大小、形式及特点等)、环境状况(如温度特性、环境介质等)和特殊要求(如导电性、导热性、热膨胀等)。
(1)零件的受力状况
当零件(如螺栓、杆件等)受拉伸或剪切这类分布均匀的静应力时,应选用组织均匀的材料,按塑性和强度性能选材;载荷较大时,可选屈服强度σs或抗拉强度σb较高的材料。
当零件(如轴类零件等)受弯曲、扭转这类分布不均匀的静应力时,按综合力学性能选材,应保证最大应力部位有足够的强度。 常选用易通过热处理等方法提高强度及表面硬度的材料(如调质钢等)。
当零件(如齿轮等)受有较大接触应力时,可选用易进行表面强化的材料(如渗碳钢、渗氮钢等)。
当零件受变应力时,应选用疲劳强度较高的材料,常用能通过热处理等手段提高疲劳强度的材料。
对刚度要求较高的零件,宜选用弹性模量大的材料,同时还应考虑结构、形状和尺寸对刚度的影响。
(2)零件的环境状况及特殊要求
根据零件的工作环境及特殊要求不同,除对材料的力学性能提出要求外,还应对材料的物理性能及化学性能提出要求。 如当零件在滑动摩擦条件下工作时,应选用耐磨性、减摩性好的材料,故滑动轴承常选用轴承合金、锡青铜等材料。
在高温下工作的零件,常选用耐热好的材料,如内燃机排气阀门可选用耐热钢,汽缸盖则选用导热性好、比热容大的铸造铝合金。
在腐蚀介质中工作的零件,应选用耐蚀性好的材料。
2)具有良好的加工工艺性
将零件坯件材料加工成形有许多方法,主要有热加工和切削加工两大类。 不同材料的加工工艺性不同。(https://www.daowen.com)
(1)热加工工艺性能
热加工工艺性能主要是指铸造性能、锻造性能、焊接性能及热处理性能。 表1.2 为常用金属热加工工艺性能比较。
表1.2 常用金属热加工工艺性能比较
(2)切削加工性能
金属的切削加工性能一般用刀具寿命为60 min 时的切削速度v60来表示。 v60越高,则金属的切削性能越好。 例如,以σb =600 MPa 的45 钢的v60为标准,记作(v60)f,其他材料的v60与(v60)f 的比值称为相对加工性,用kv 表示。 kv 值越大,金属切削加工性能越好。 表1.3 为常用金属切削加工性能的比较。
表1.3 常用金属切削加工性能的比较
3)经济性要求
选择材料要综合考虑经济性。
①材料价格。 材料价格在产品总成本中占较大比重,一般占产品价格的30% ～70%。 如果能用价格较低的材料满足工艺及使用要求,就不用价格高的材料。
②提高材料的利用率。 例如,用精铸、模锻和冷拉毛坯,可减少切削加工对材料的浪费。
③零件的加工和维修费用等要尽量低。
④采用组合结构。 如蜗轮齿圈可采用减摩性好的贵重金属,而其他部分采用廉价的材料。
⑤材料的合理代用。 对生产批量大的零件,要考虑我国资源状况,材料来源要丰富,尽量避免采用我国稀缺而需进口的材料;尽量用高强度铸铁代替钢,用热处理方法等强化的碳钢代替合金钢。