关于典型机械零件材料的选择

李世红

(贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳 550008)

0 引言

无论是机械设备、工程设施还是居家建筑，最根本的要求就是“物美价廉”，“经久耐用”，而这就要求构成这些设备、设施的基本元件——机械零件在使用时需要具有足够的承载能力，同时充分重视其经济性。而典型零件的材料选择对机械设备的使用性、安全性及经济性都有着重要的影响。所以了解其性能及其经济性指标对于材料的选择是很有意义的。

1 典型零件及承载能力

在各种机械设备、工程结构中都有若干机械零件，其中，轴类、齿轮类和箱体类零件是所有设备中最基本、最重要而又必不可少的典型零件，其承载能力直接影响着设备的安全可靠性，而衡量其承载能力的指标有强度、刚度和稳定性。强度是构件在外力作用之下抗破坏的能力；刚度是构件在外力作用下抗变形的能力；稳定性是指压杆在压力的作用下保持原有直线状态的能力。零件的强度、刚度和稳定性越好，则其承载能力就越强。

1.1 工程材料对零件承载能力的影响

各种机械零件在生产使用之前，为了保证其安全有效地工作，必须根据相应的强度、刚度条件进行设计计算，在强度条件中均有一重要参数，就是许用应力σ，许用应力的大小直接与选用的材料有关。据有关统计，目前各种机械设备、车辆、飞机等所使用的材料，有90%以上是金属材料。金属材料的种类(化学成分)、组织形貌对零件的机械性能有着很大的影响，因此不同的材料对零件的承载能力及机械的安全性、寿命有着不同的影响。

1.2 常用金属材料的种类及性能特点

工业上所使用的金属材料，一般可分为黑色金属和有色金属2大类。黑色金属主要有钢、铸铁及其合金；有色金属是指非铁金属及其合金，如铝、铜、镁等金属。不同的金属材料由于化学成分以及构成元素的比例不同，而呈现出不同的机械性能。如表1所示。

表1 常用金属材料的分类及性能

由表1可知，不同的金属材料，其机械性能不同，承载能力也不一样。在确定构件材料时，一般应按以下步骤进行：分析构件、零件的工作条件→分析失效形式→进行力学计算→选择材料→决定热处理方法→试验、投产。

1.3 零件的失效概念和形式

失效是指零件在使用过程中，由于尺寸、形状或材料在组织与性能上发生变化而失去正常工作所具有的效能。

1.3.1 失效主要的3种情况

1)零件完全破坏，不能继续工作。

2)虽能工作，但不能保证安全。

3)虽保证安全，但不能保精度或起不到预定的作用。

1.3.2 失效的主要形式为变形、断裂和表面损伤等。

1)变形失效，过量变形失效是指零件在工作过程中产生超过允许值的变形量而导致整个机械设备无法正常工作，或者正常工作但零件质量严重下降的现象。

2)断裂失效，指零件在工作过程中完全断裂而导致整个机械设备无法工作的现象。失效的断裂以低应力脆性断失效、塑性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、介质加速失效的情况居多。

3)表面损伤失效，指机械零件因表面损伤而造成机械设备无法正常工作或失去精度的现象。主要包括磨损失效、腐蚀失效、接触疲劳失效等。按表面疲劳损伤程度分麻点与剥落2种方式。

1.4 零件失效的原因分析

在零件的失效形式中断裂是影响零件安全有效工作的最危险形式。零件的失效形式与其工作条件有很大关系。零件的工作条件有：应力情况(种类、大小、分布等)；载荷性质(静载荷、冲击载荷；循环载荷)；温度(低温、常温、高温)；环境介质(有无腐蚀性物质)等。为了保证零件具有足够的承载能力，需要充分掌握各种材料的机械性能特点，准确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几种情况：

1)设计问题。由于机械零件的结构形状和尺寸设计不合理引起的。如尖角、尖棱等。

2)选材问题。对失效形式误判或选材不能满足工作条件的要求，或错误选择材料。

3)加工工艺不当。由于采用的工艺方法、工艺参数不正确，而造成各种缺陷。例如刀痕较深、粗糙度过大、磨削裂纹等，热成形的过热、过烧、带状组织等，热处理工序中容易产生氧化、脱碳、淬火变形与开裂。

4)安装使用不正确。安装过紧、过松、或对中不准、固定不紧，重心不稳、密封不好等，都会造成零件失效。

2 金属材料的组织形貌对承载能力的影响

除了构件的化学成分(种类)，材料的组织形貌也对承载能力有着极其重要的影响，在机械零件的生产加工中，常用热处理来改变零件的组织形貌，从而满足设备对构件的安全性能要求。具体情况如表2所示。

表2 C＝0.77%共析钢热处理状态组织及性能

由表2可知，同种材料，由于其内部组织状态不同，所呈现的机械性能也就有很大的差别。在实际生产过程中，零件材料确定后，还要安排合理的热处理，例如，齿轮类零件，根据其工作条件和失效形式，要求其表面硬，心部韧，以达到表面耐磨，同时能抗冲击。因此，通常选择20Cr合金渗碳钢，进行渗碳+淬火+低温回火处理，使其表面为高碳的回火马氏体，心部为低碳组织。又如：轴类零件，根据其工作条件和失效形式，要求其要有很好的综合机械性能，通常选择40Cr，经淬火+中温回火，得到回火索氏体。经过处理后，零件的承载能力就会有很大的提高，零件的安全性能得到极大的保证。

3 选用材料的一般原则

材料的选择，不仅要考虑材料性能要适应零件的工作条件，能经久耐用，而且还要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高机械零件的生产率，降低成本。

3.1 考虑材料的使用性能

材料所提供的使用性能(主要包括力学性能、物理性能和化学性能)指标对零件功能和寿命的满足程度。零件在正常情况下，应完成设计规定的功能并达到预期的使用寿命。零件选材时，主要以零件使用性能要求作为选材依据，一般零件都在受力条件下工作，因此常以力学性能要求作为选材依据。

3.1.1 根据零件受载情况选择材料

根据零件受载情况来选择不同的材料，主要有以下几种原则：

1)脆性材料原则上只适合于静载荷作用下工作；在动载荷情况下，以塑性材料为基本材料。

2)若零件的接触应力较高，则选用可进行表面强化处理的材料。

3)若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又收到某些限制时，应选用强度较高的材料。

4)若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。

3.1.2 根据零件工作情况选择材料

根据零件工作情况选择材料，主要有以下几种原则：

1)在温热或有腐蚀性物质环境下工作的零件，其材料应具有良好的防锈能力和耐腐蚀能力。

2)在高温下工作的零件，应选用耐热材料。

3)滑动摩擦下工作的零件应选用减摩性能好的材料。靠摩擦传递运动和动力的零件应选用摩擦系数大的材料。

零件工作条件、失效形式及要求的力学性能，如表3所示。

表3 典型零件工作条件、失效形式及要求的力学性能

3.2 考虑材料的工艺性能

零件选材应满足生产工艺对材料工艺性能的要求。任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的。因此材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，自然应是选材时必须考虑的重要问题。所以，熟悉材料的加工工艺过程及材料的工艺性能，对于正确选材是相当重要的。材料的工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。

3.2.1 铸造性能

铸造性能包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。常用材料铸造性能的比较如表4所示。

表4 常用材料铸造性能

3.2.2 压力加工性能

压力加工性能指材料的塑性和变形抗力等。常用材料锻造性能的特点为：低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢可锻性近于中碳钢，高合金钢的较差；铝合金因锻造温度范围窄，可锻性并不很好；铜合金的可锻性一般较好。

3.2.3 焊接性能

焊接性能包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其他缺陷倾向等。常用材料焊接性能经比较后结论为：铜合金和铝合金的焊接性能较差；灰口铸铁基本上不能焊；低碳钢和碳含量低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能，碳含量大于0.45%的碳钢和碳含量大于0.35%的合金钢的焊接性能较差。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、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。常用材料切削加工性比较，如表5所示。

表5 常用材料切削加工性

3.2.5 热处理性能

热处理性能指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。

与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。当工艺性能和机械性能相矛盾时，有时正是工艺性能的考虑不得不放弃某些机械性能合格的材料，此点对于大批量生产的零件特别重要。因为在大量生产时，工艺周期的长短和加工费用的高低，常常是生产的关键。例如，为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的切削性能可成为选材时考虑的主要问题。此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。

3.3 考虑材料的经济性能

材料的经济性主要从材料价格、材料加工费用以及使用过程的经济效益3个方面来考虑。

3.3.1 材料本身价格应低

通常情况下材料的直接成本为产品价格的30%～70%。常用金属材料相对于普通碳素结构钢的相对价格，如表6所示。

表6 常用金属材料的相对价格

3.3.2 材料加工费用应低

非金属材料(如塑料)加工性能好于金属材料，有色金属的加工性能好于钢，钢的加工性能好于合金钢。材料的加工费用应从以下几个方面考虑：

1)成型方法。在满足零件性能要求的前提下，能铸代锻，能焊代锻。例汽车发动机曲轴，一直选用强韧性良好的钢制锻件，弯曲了的曲轴照样不能使用，改成铸造曲轴(球墨铸铁)使成本降低很多。从零件的生产的每一道工序都应尽量减少。

2)加工工艺路线选用最佳工艺路线。常用热处理相对于退火的相对加工费用，如表7所示。

表7 常用热处理的相对加工费用

3)现有生产条件应充分利用现有生产设备或进行技术改造。能自己生产的不要外协。

4)高新材料利用率和再生利用率在加工中尽量采用少切屑(如精铸、冷拉、模锻等)和无切屑新工艺，有效利用材料。

3.2.3 考虑使用过程的经济效益

在选材时不能片面强调材料费用及制造成本，还需对材料的使用寿命予以重视，生产出来的产品必须达到安全使用条件。

4 典型零件的选材

轴类零件是机械设备中最主要零件之一，也是影响机械设备的精度和寿命的关键零件。其作用是支承回转零件并传递运动和转矩，是影响运行精度和寿命的关键件。轴(如车床主轴、带轮的轴等)，心轴(如火车轴轮、自行车、汽车的前轴等)和传动轴(如车床上的光杠等)3类。各种轴的尺寸相差悬殊，如手表中摆动轴最小处只有Φ 0.085 mm，而汽轮机转子轴可达Φ 1 000 mm以上。主要用来承受各种载荷和传递动力。

4.1 轴类零件的选材考虑因素

1)轴类零件的工作条件：重要件，作用是支承回转件并传递运动和动力。影响精度和寿命。

2)轴类零件的失效形式：疲劳、过载断裂、过量变形和轴颈过度磨损。

3)轴类零件的性能要求：选材有足够的抗拉强度和刚度，适当的冲击韧性和高的疲劳强度，对轴颈处受磨擦部要高硬度和耐磨性。工艺上切削加工性和淬透性。

4)轴类零件的使用特点：经锻造或轧制的低碳、中碳钢或合金钢。

5)轴类零件的选材(机床主轴CA6140)：中速中等载荷，选用 45钢。锻后正火、调质、局部淬火、回火。

4.2 齿轮类零件的选材考虑因素

1)工作条件：通过齿面接触传递动力，两齿面相互啮合。即有滚动，又有滑动。在齿表面：受到交变接触压应力及摩擦力的作用。在齿根部：受到交变变曲应力的作用。换挡：受到冲击。安装不良：齿面接触不良。

2)失效形式：轮齿折断、齿面损伤(主要)过程塑变，齿端磨损。

3)性能要求：高的疲劳强度(接触)和抗拉强度、高的表面硬度和耐磨性适当的心部强度和足够的韧性。小的淬火变形，良好的加工性。

4)用材特点：对硬度和耐磨性要求不很高，对冲击韧度要求一般的中，低速和载荷不在的中，小型传动齿轮。A调质钢，如车床、钻床等变速齿轮、排轮、45、40g40MnB。HT工艺，调质(或正火)再进行表面淬火+低温回火。要求高的运动速度的用渗氮钢、调质后渗氮。B渗碳钢，主要制高速、重载、冲击较大的重要齿轮。如汽车、拖拉机变速箱齿轮。驱动桥齿轮，立式车床等。材料为20CrMnTi，20Cr，20CrMo，20CrMnMo 等。 HT，渗碳，淬火+低温回火或喷丸。C铸钢和铸铁齿轮，铸钢，制力学性能要求较高。形状复杂、难以锻的大型齿轮、如起重机齿轮。材料，ZG270-150，ZG310-570，ZG340-640，ZG40Cr。 对耐磨性、疲劳强度较高，但冲击载荷较小的齿轮，选用球墨铸铁，如QT500-07，QT600-03。冲击载荷小的低精度、低速齿轮、可选用铸铁 如 HT200，HT250，HT300。 D 非铁金属齿轮，仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作的轻载齿轮。选用黄铜、铝青铜、锡青铜等。E塑料齿轮，尼龙、ABS、聚甲醛等。

4.3 箱体类零件的选材考虑因素

常见零件：机床上的主轴箱、变速箱、进给箱和溜板箱、内燃机缸体和缸盖、泵壳、床身、变速机箱体。性能要求：主要受应力，也受一定的弯曲应力和冲击力。因此具有足够的刚度、抗拉强度和良好的减震性。

1)对受力较大，要求高的抗拉强度，高韧性(或在高温高压下工作)的选铸钢。

2)对受力不大，且受静压力，不受冲击的选用灰铸铁 HT150，HT200。

3)相对运动件(存摩擦、磨损)应选用抗拉强度较高的灰铸铁如 HT250或孕育铸铁，HT300，HT350。

4)受力不大，要求轻且热导性好的小型箱体件，可选用铝合金铸造如 ZALSi5Cu1Mg(ZL105)和ZALCu5Mn(ZL201)。

5)受力小，耐蚀以轻件，选工程塑料，ABS有机玻璃、尼龙。

6)受力较大，形状简单件或单件，选用型钢焊接如Q235或45钢。

5 结语

介绍了几种典型零件的性能，通过分析零件的各种失效原因，提出选用机械加工材料应遵循的一般原则，有利于进一步研究和探讨提高零件构件承载能力的方法，更好地保证机械设备及工程设施的安全性并延长其使用寿命。