浅谈机械零件制造的材料及其选择原则

唐叶金

摘 要：文章介绍了机械零件制造材料的各种力学性能、基本特性、毛坯状态以及选择材料的一般原则，适合于机械行业设计、材料检测专责工程技术人员、材料检验人员参考。

关键词：黑色金属；力学性能；基本特性；选择原则

引言

机械零件所用的材料是多种多样的，但是金属材料，尤其是黑色金属材料，应用得最多最广。现只就黑色金属材料的一些强度性能、基本特性、毛坯状态以及选择材料的一般原则等略加介绍。

1 黑色金属材料的力学性能及基本特性

1.1 材料的强度及塑性

1.1.1 黑色金属材料强度

表示黑色金属材料强度的指标有：强度极限Rm、屈服极限Rel、疲劳极限Rr等。我们知道，材料在变形过程中有无屈服现象，是划分材料为塑性或脆性的一个标准。在材料机械性能试验时不产生屈服现象和塑性变形的，称为脆性材料；有明显屈服现象的，称为塑性材料。材料断裂时，塑性材料和脆性材料的断口特征也是有显著的区别的。塑性材料总是伴随着显著的屈服现象，断口高低不平、呈纤维状、发暗，断裂时力与轴线几乎成45°；但脆性材料几乎无塑性变形，断口齐平、呈结晶状、发亮。

1.1.2 衡量塑性高低的数量指标

衡量塑性高低的數量指标通常有两个：延伸率A及断面收缩率Z。延伸率愈大，试样断裂前产生的颈缩现象愈显著，因而塑性也就愈高。同样，断面收缩率愈高的材料，塑性也就愈高。

1.1.3 影响材料强度及塑性的因素

（1）温度。手册上列出的材料强度及塑性指标的数值，都是在常温下测定出来的。这对于绝大多数设备零件的设计来说，是足够应用的。但是对处在高温下（通常认为工作温度约在母体金属熔点绝对温度的四分之一以上时均属高温。钢材>450K，铝合金>570K，铜合金>350K）工作的零件；或者处于低温工作的零件，那些常温下的数据就不适用了。

在高温下，钢材性能的变化趋势是强度降低而塑性增高。

在低温下，钢材性能的变化趋势是强度增加而塑性降低。随着温度的降低，屈服极限Rel比强度极限Rm增长得快，甚至在某一温度时可以等于强度极限Rm。这就是说，到了一定低温后，材料就不再有屈服极限了，即材料就变成脆性的了，这种现象称为冷脆。

（2）变形速度。手册中列出的性能数据，是在标准试验机上进行试验得出的，其试验应变速度都很小，约为0.001s-1的数量级或者更低。但在实际零件上，受冲击时，应变速度要比以上数值大好几个数量级。随着应变速度的增加，延伸率A无变化，亦即材料的塑性无变化，但强度极限Rm及屈服极限Rel均不断增加，特别是屈服极限Rel增长得更快一些，以致于几乎接近强度极限Rm，这就说明在试件达到破坏以前，材料的弹性范围也要扩大。材料性能的这种趋向，说明按手册中的资料来进行应变速度较大的强度计算时，是偏于安全的。

（3）冷作硬化。凡是在冷状态下以塑性变形来对钢材进行加工时（例如冷拉、冷锻、冷挤压等），均可使材料的塑性降低和强度增高。因此，用冷塑性加工原材料制成的零件，一般有较高的静强度。

1.2 材料的韧性

材料在塑性变形范围内吸收能量的能力叫做材料的韧性。冲击试验所得的冲击吸收功Ak可作为衡量材料韧性大小的指标，这是因为材料在弹性变形范围内所吸收的能量比在塑性变形范围内所吸收的要小很多。试样断口呈脆性破坏特征的材料均具有极低的冲击值，即几乎或完全无塑性变形；试样断口呈塑性破坏特征的材料，其冲击值明显高得很多。

同一种材料，在不同温度下进行冲击试验后，冲击吸收功Ak与温度变化关系曲线图（韧脆转变温度曲线）可以直观反应材料的韧性。在较高温度下呈塑性断裂的材料，在低温下则呈脆性断裂。如果零件材料的转变温度是在零件工作温度的范围以内，则零件将不会具有可靠的韧性，故应改选转变温度更低一些的材料。

1.3 材料的硬度

当零件要承受表面磨损或因接触变应力而发生表面疲劳破坏时，零件材料的硬度，特别是表面硬度就具有重要的意义。根据测量硬度的方法的不同，对于黑色金属来说，通常用布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）来表示。各种不同硬度值的换算关系已有制成的表格，可以从机械材料手册中查到。

1.4 黑色金属毛坯供应状态

铸造材料通常以块状原料供应；普通碳素钢及优质碳素钢，通常用热轧、冷轧或冷拉等方法制成型材供应；合金钢通常制成圆钢、钢管、钢板和钢丝等供应；对于大型重要零件，可直接由钢锭以锻压方法制造零件毛坯。

2 材料的选择

从各种各样的材料中选择出合用的材料，是要受到多方面因素所制约的一项工作，以下仅提出一些选择材料的一般原则，作为选材时的依据。

2.1 载荷的大小和性质，应力的大小、性质及其分布状况

这方面的因素主要是从强度观点来考虑的，根据载荷大小和性质的不同而选用不同的材料。脆性材料原则上只适用于在静载荷下工作；在多少有些冲击的情况下，从强度观点出发，应以塑性材料为基本的材料。金属材料的性能，一般可通过热处理加以提高和改善，所以在选择材料的品种时，应同时规定其热处理规范，并在图纸上注明。

2.2 零件的工作情况

在湿热环境下工作的零件，应具有良好的防锈和抗腐蚀的能力，可选用不锈钢、铜合金。

在高、低温环境下工作的零件，一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线膨胀系数不能相差过大，以免在温度变化时产生过大的热应力或者使配合松动。

在有磨损环境下工作的零件，要提高零件的表面硬度，以增强其耐磨性，应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种。

2.3 零件的尺寸及重量

这个因素与材料的品种及毛坯制取方法、材料的强重比有关。用铸造材料制毛坯时，一般可以不受尺寸及重量的限制，而锻造材料则需注意锻压机械生产能力的限制；尽可能用强重比高的材料，就有利于减轻零件的重量。

2.4 零件结构的复杂程度及材料的加工可能性

结构复杂的零件，宜用铸造法浇铸，或用板材冲压出元件后再经焊接而成；结构简单的零件才可能用锻造法制取毛坯。

2.5 材料的经济性

材料的经济性，表现在材料本身的相对价格、材料的加工费用、材料的利用率、材料的稀有性等方面。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不用选价格高的材料；尽可能采用较少加工费用的工艺方法达到使用要求；采用无屑或少屑毛坯可以提高材料的利用率；还可采用组合结构来降低材料的费用。

2.6 材料的供应状况

选材时还应考虑到当时当地材料的供应状况。为了简化材料的供应和储存的品种，对于小批量制造的零件，应尽可能地减少同一部机器上使用的材料的品种和规格。

参考文献

[1]西北工业大学机械原理及机械零件教研组.机械设计[M].人民教育出版社.

[2]蔡亚翔，刘荣贵.实用金属材料产品手册[M].中国物质出版社，2004.