第十三章材料与成形工艺的选则●一个机械零件要实现其应有的功能，主要由两方面的因素决定：一是零件结构（形状、尺寸、精度、表面质量等），二是零件材料。

零件设计不仅是结构设计，也包括材料选用。

●选材对零件质量和工作寿命至关重要，影响零件生产成本和产品经济效益，复杂有难度工作，必须全面综合考虑。

第一节材料与成形工艺的选择原则●满足使用性能要求，兼顾工艺性、经济性和环保性。

●一、使用性能足够的原则●指所选用的材料制造出的零件必须满足其使用性能要求，在规定的使用期内正常工作。

使用性能零件设计功能的必要条件，选材最主要因素。

首要的任务要准确判断零件所要求的主要使用性能有哪些。

●选用材料使用性能要求，是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。

●零件的工作条件包括：●（1）受力状况，主要有受力大小，受力形式（拉伸、压缩、弯曲、扭转以及摩擦力等），载荷类型（静载、动载、交变载荷等）及其分布特点等；●（2）环境状况，包括工作温度和介质情况（如高温、常温、低温、有无腐蚀等）；●（3）特殊要求，例如要求导电性、导热性、磁性、密度、外观等。

●当材料的使用性能不能满足零件工作条件的要求时，零件就以某种形式失去其应有的效能（即失效，如磨损失效）。

●机械零件所要求的使用性能主要是材料的力学性能。

●针对零件的具体工作条件和主要失效形式考虑对零件尺寸和重量的要求或限制及零件的重要程度（重要件有较高的安全系数），确定零件材料应具有的主要力学性能和分析计算将其转化为相应的力学性能指标，适当考虑物理、化学性能判据，作为选材基本依据。

●常用力学性能判据：一类直接用于设计计算如σs、σb、σ-1、E、KIC等；一类不直接用于计算，根据经验而间接确定零件性能，如δ、ψ、ak等。

●后一类性能判据往往是作为保证安全的性能判据，其作用是增加零件的抗过载能力和使用安全性。

●硬度判据（如HBS、HRC、HV等）不能直接用于计算，但它在确定的条件与其它性能判据（如强度、塑性、韧性、耐磨性等）密切相关，且试验方法简便、迅速、不破坏零件，习惯在零件的技术要求中以标注硬度值来综合反映对其力学性能的要求，同时应注明材料的处理状态。

●注意解决好材料的强度和塑性、韧性合理配合。

●二、工艺性能良好原则●机械零件经过一定的工艺方法加工制造出来的，所选材料必须具备对于所采用的加工工艺的适应性，这就是选材中的工艺性原则。

●材料工艺性能，影响零件加工难易程度、生产效率、加工成本和加工质量等，还可成为决定材料取舍的主要因素。

●（1）铸造性能以流动性、收缩性和偏析倾向等判据综合评定。

流动性好，收缩性和偏析倾向小，铸造性能好。

共晶成分或在共晶点附近成分合金铸造性能最好。

●（2）锻压性能以金属的塑性和变形抗力来综合衡量。

塑性越好，变形抗力小，锻压性能好。

热锻时，考虑锻造温度范围宽窄和抗氧化性好坏等，低碳钢、铜合金、铝合金锻造性好。

●（4）切削加工性能用切削抗力大小、加工零件的表面粗糙度、加工时切屑排除难易程度和刀具磨损的快慢程度来衡量。

铝、镁合金和易切削钢切削加工性良好，碳钢和铸铁的切削加工性能一般，奥氏体不锈钢、钛合金等材料较难切削。

采用适当的热处理可调整某些材料的硬度，以改善其切削加工性能。

●（5）热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、过热倾向、氧化脱碳倾向、回火脆性倾向和耐回火性等，它们将影响零件的热处理质量和使用性能。

例如，形状复杂且要求整体硬度高的零件，就应该选用淬透性及淬硬性好、变形开裂倾向小的材料来制造。

●工程非金属材料的成形工艺根据实际的生产条件等因素考虑其成形加工的可行性。

●陶瓷材料经烧结成形后具有极高的硬度，只能用碳化硅或金刚石砂轮磨削加工，一般不能进行其它加工。

高分子材料可切削加工，但导热性较差，影响切削热的散出，工件在切削时易急剧升温，严重时可使材料软化或变焦。

●根据加工特点和生产批量考虑工艺性能。

●力学性能不高但结构较复杂箱体，一般用铸造的方法生产毛坯，主要考虑铸造性能和切削加工性能。

大批生产冷镦螺钉、螺帽，应具有良好的锻压性能。

对要求高强度高精度的模具，选材时要着重考虑的工艺性能是材料的切削加工性和热处理工艺性能。

●三、经济性合理的原则●大多数产品（民用）零件设计把经济成本放重要地位。

用便宜材料，总成本降至最低，经济效益好，产品最具竞争力，是设计者要做到的，即遵循经济性原则。

●总成本一般由材料、加工制造以及维修保养成本（或售后服务成本）等构成，前两部分主要，对于选材的经济性也可以从这两方面加以考虑。

●（1）合理降低材料的成本在满足零件使用性能和使用寿命期限的前提下，应优先选择价格尽量低廉且供应充分的材料。

●（2）节约加工制造的成本选择工艺性能好的材料，方便加工过程，降低制造成本。

对形状复杂、加工费用高零件意义更大。

●选择与加工成本低的工艺方法适应材料，总成本降低。

●选材应注意立足本国资源，货源稳定。

还应减少材料品种及规格，以求简化采购和管理等工作。

●四、选材的环保性●无毒无害代有毒有害，循环、重复、废物利用，资源得到最大限度的利用，减少废物对环境的污染。

第二节选材的基本步骤和方法●一、材料与成形工艺选择的基本步骤●1．基本步骤●（1）分析零件工作条件和失效形式，按分析结果提出零件最关键性能要求，同时考虑其它性能要求。

●（2）对同类零件的用材情况和失效形式进行调查研究，这样可从其使用性能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以便作为选材时的参考。

●（3）通过分析计算，确定零件应具有的主要力学性能判据，在特定条件下考虑物理、化学性能判据。

●（4）在以上工作基础上，进行材料预选。

不局限于选择一种材料，可提出多种用材方案，以便比较。

●（5）对预选的材料，在经过工艺性和经济性分析之后，进行综合评价。

综合评价应采用定量与定性相结合的方法。

由此可确定零件所用材料的牌号，并同时决定零件的热处理方法（或其它强化处理方法）。

●（6）重要的零件投产前进行有关试验（实验室试验、台架和工艺试验等），初步检验所选材料和热处理方法是否满足所设计的性能判据要求及零件加工过程有无困难。

试验结果基本满意后可正式投产。

●2．基本方式●实际工作中，往往根据具体情况，侧重于其中某个或某些步骤，因而形成了以下几种选材方式。

●（１）经验法●套用法：根据以往选材成功经验，或有关设计手册推荐用材（总结成功经验而得出）为依据选材。

在国内外已有同类产品的情况下，通过技术引进或进行材料成分与性能测试，套用同类零件所用的材料。

●（２）类比法●参考其它种类产品功能或使用条件类似实用良好用材，合理分析对比选择与之相同或相近材料。

●（３）替代法●生产或更新零件时，参照原材料性能判据，另选一种材料。

替代材料品质和性能不低于原用的材料。

●（４）试差法●新设计关键零件，按上述选材步骤全过程进行。

试验结果未达设计性能要求，找出差距，分析原因，改进所选材料牌号或热处理方法后试验，直至结果满足要求，据此结果确定所选材料及其热处理方法。

●所选材料是否满足零件的使用和加工要求，有待于在实践中作出检验。

工作不仅贯穿于产品的开发、设计、制造等各个阶段，还要在使用过程中及时发现问题（如通过零件的失效分析），加以改进。

●二、机械零件的失效及失效分析●了解零件的失效形式是正确选材的基本前提之一。

做到这一点，一个方法是通过理论分析对零件的失效形式加以预测，另一个方法就是进行零件的失效分析。

失效分析不仅对零件的选材，而且对零件的设计、加工、使用以及保证零件的使用安全性都有非常重要的意义。

●1. 零件的失效：●机械零件在使用过程中由于某种原因而不能完成其按原设计应有的效能，这一现象称为失效。

●（1）零件完全破坏而不能继续工作。

如齿轮轮齿折断、螺栓断裂等。

●（2）零件严重损伤而不能继续安全使用。

压力容器危险裂纹、三爪卡盘磨损而变形。

●（3）零件损伤虽安全工作，但不能完成规定功能。

机床主轴变形、弹簧失去弹性、模具磨损。

●失效有早期失效、超期服役失效。

●2．失效的形式●（1）过量变形的失效：过量弹性变形；过量塑性变形；蠕变变形●（2）断裂失效：韧性断裂；低应力脆性断裂；疲劳断裂；蠕变断裂●（3）表面损伤失效：表面磨损；表面腐蚀；表面疲劳●一零件有几种失效形式，一般以一种失效形式起主导作用，很少同时以两种或两种以上形式存在。

拉伸试样的颈缩现象●3. 失效的基本因素●影响失效的基本因素都可归结为设计制造过程因素（原始因素）和运转维修过程因素（工况使用因素）两大方面。

●（1）设计因素●如设计有误，则机械设备或零件将不能使用或过早失效。

●（2）制造（工艺）因素●工艺制造条件往往是达不到设计要求而导致零件失效的一个重要因素。

（锻造、焊接、热处理、机械加工中的缺陷等）●（3）装配调试因素●在安装过程中未达到所要求的质量指标。

（啮合传动件间隙不合适、润滑与密封装置不良等）●在初步安装调试后，未按规定进行逐级加载跑合。

●（4）材质因素●选材不当，材料性能不能满足工作条件的要求。

●材质内部缺陷、毛坯加工（铸锻焊）工艺或冷热加工（特别是热处理）工艺过程产生的缺陷也是导致失效的重要因素。

●（5）运转维修因素●运转工况参数、定期维修、润滑条件、润滑装置等情况是否正常。

●最后，在影响失效的基本因素中，特别要强调人的因素，即注意人的素质条件的影响。

●4．失效分析●材料选用不当或材料质量不良、零件的设计、加工、安装与使用等都可造成零件失效。

往往不是单一原因造成，可能是多种因素结果。

所以，失效分析是一项涉及面很广的复杂的技术工作，需要采用科学、细致的方法，全面地系统地检验和研究失效零件的情况，分析判断，去伪存真，最后得到结果。

●零件失效分析的过程大致如下：●（1）零件使用现场调查了解零件的工作环境和失效经过，记录零件的使用寿命和损坏情况，观察相关零件的受损情况，收集并保存失效零件残体供分析用。

●（2）零件用材和制造工艺调查复查零件材料的化学成分和原材料质量，详细了解零件的毛坯制造、机械加工、热处理等工艺和操作过程。

●（3）失效零件本身的检测分析●对失效零件进行损伤处的外观分析（了解零件的损伤种类，寻找损伤的起源，观察损伤部位的表面粗造度和几何形状等），并取样断口分析、金相分析、力学性能测试等，还要分析在失效零件上收集到的腐蚀产物的成分、磨屑成分等，必要时还要无损探伤、断裂力学分析等。

●综合上述各方面的调查和分析结果，判断影响零件失效的各种因素，排除不可能或非重要的因素，最终确定零件失效的真正原因，特别是起决定作用的主要原因。

●失效分析的结果，为正确选料，合理制定零件制造工艺、结构设计，及新材料研制和新工艺开发等提供指导意义的数据，并可预测零件在一定使用条件下的寿命，是一门有实用价值的技术。

●三、材料与成形工艺选择的具体方法和依据●１．依据零件的结构特征选择●机械零件常分为：轴类、盘套类、支架箱体类、模具类等。