关键词：金属材料 零件 选材 原则
在机器制造中,影响产品质量和生产成本的因素很多,其中材料的选用是否恰当,往往起到关键的作用。在机械零件设计和制造时,我们先是按照零件工作条件的要求选择材料,然后根据所选材料的力学性能和工艺性能确定零件的结构和尺寸。在制造零件时,我们再按照所用的材料制定加工工艺方案。
因此,在机械零件制造的选材时,我们应主要考虑零件的工作条件、材料的工艺性能和产品的成本,现将常用金属材料及有关选材的一些基本原则分述如下。
一、常用金属材料
1.铸铁
铸铁是极其重要的铸造合金,它大量用于制造机器设备。铸铁件通常占机器设备总重量的50%以上。主要用来制造机床床身、机座、壳体、导轨、衬套、活塞环等耐腐蚀、耐热、耐磨等零部件。
2.碳素钢
碳素钢中的碳是最重要的成分,其含量对于钢的组织和性能有极大的影响。钢中的碳量越多,则硬度越高,塑性越低。硅、锰、磷、硫等杂质对钢的组织和性能也有一定的影响,其中磷和硫是有害的。
含碳量小于0.25%的低碳钢,强度小而塑性好,可焊性好。这类钢多数是制成薄钢板,用来制造各种容器,或用来制造冲压件和焊接件,还可用来制造螺钉、螺母、垫圈和需要渗碳的零件等。
含碳量在0.25%～0.6%的中碳钢,强度较高,韧性和加工性也较好。应用时通常要经过淬火、回火等热处理。这类钢多用来制造轴类、齿轮、丝杠、连杆、套筒等,其中以40号和45号钢应用最为广泛。
含碳量大于0.6%的中碳钢,淬火后有较高的弹性,可用来制造各种弹簧、轧辊和钢丝绳等。
3.合金钢
在钢中除了有硅、锰、磷、硫等杂质外,有时我们还需专门加入某些元素,使其具有一定的特殊性能,这种钢叫合金钢。
按合金元素含量可分为两大类：低合金钢和高合金钢。
低合金钢可以获得碳素钢难以达到的机械性能。如铬钢中的铬可提高钢的强度和硬度,比较耐磨,可用来制造齿轮、活塞销等受磨零件。
高合金钢具有特殊的性能,如高速钢的热硬性很好,高锰钢的冲击韧性和耐磨性很高,不锈钢的耐腐蚀性好等。
二、选材的基本原则
1.选用材料要满足零件工作条件的要求
零件的工作条件是各种各样的,如受力状态就有拉伸、压缩、弯曲、扭曲、剪切等；载荷性质也有静载、冲击、交变的不同；工作温度则有室温、高温、低温之分；环境介质也有酸的、碱的、海水以及使用润滑剂等的不同。从上列的工作条件来看,受力状态和载荷性质是反映机械性能的；工作温度和环境介质则是属于使用环境的。
材料的力学性能指标是各种各样的,如屈服极限、强度极限、疲劳极限等反映材料的强度指标；延伸率、断面收缩率等反映材料的塑性指标；冲击韧性、断裂韧性等则反映材料的韧性指标。
由于选材的基本出发点是要满足零件的强度要求,所以各种强度指标都直接用于零件断面尺寸的设计计算。至于材料的硬度指标,虽可对强度性能作出一定量的估计,也可用于零件的设计计算。测量硬度的方法比较简便,在生产实际中应用很多。
2.选择材料要依据材料的工艺性能
零件的生产方法不同,会直接影响其质量和生产成本。金属材料的基本加工方法有铸造、锻造、冲压、焊接、切削加工和热处理等,各种加工工艺对材料均有其工艺性能要求。依据所设计零件的制造方法,应选用工艺性能优良的材料,以便降低制造成本,减少废品的产生。
3.选择材料时必须重视材料的经济性
选择材料既要价廉质优,又要立足于国内资源,尽力采用国产材料,特别是国内推广的新材料。一般而言,铸铁能满足要求的就不用铸钢；碳素钢能满足要求的就不用合金钢。例如有些曲轴和连杆,选用球墨铸铁代替锻钢去生产,就减小了切削加工量,降低了成本。
在选材时我们必须重视材料的经济性,不仅要考虑材料本身的价格和制造零件所需的一切费用,还要考虑材料的功能。根据价值工程的原理：价值＝功能/成本。用它计算出的结果进行比较,价值就不单是材料本身的价格了,还有材料的功能和使用寿命等含义,所以能够比较全面地反映选材的经济性。例如：制造一个耐腐蚀的容器,有三个选材方案,一是用普通碳素钢,制造成本为5000元,可使用1年；二是用奥氏体耐酸不锈钢,制造成本为40000元,可用10年；三是用铁素体不锈钢,制造成本为15000元,可用６年。根据价值工程原理算出一、二、三方案的价值系数是1∶1.25∶2,可见第三选材方案的经济性更好些。
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