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金屬選材基本原則與方法

2021-05-06 11:12:00 作者：材易通來(lái)源：熱處理生態(tài)圈分享至：

基本原則

在進(jìn)行材料及成型工藝的選擇時(shí)，要考慮到在該工況下材料性能是否達(dá)到要求，及用該材料制造零件時(shí)，其成型加工過(guò)程是否容易，同時(shí)還要考慮材料或機(jī)件的生產(chǎn)及使用是否經(jīng)濟(jì)等因素即從適用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性3個(gè)方面進(jìn)行考慮。

適用性原則

適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應(yīng)工況，并能達(dá)到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件，是在進(jìn)行材料選擇時(shí)首先要考慮的問(wèn)題。

材料的使用要求體現(xiàn)在對(duì)其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。為滿足材料的使用要求，在進(jìn)行材料選擇時(shí)，主要從零件的負(fù)載情況、材料的使用環(huán)境和材料的使用性能要求三個(gè)方面考慮。零件的負(fù)載情況主要是指載荷的大小和應(yīng)力狀態(tài)。材料的使用環(huán)境指材料所處的環(huán)境，如介質(zhì)、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應(yīng)力、廣義許用變形等。只有將以上三方面進(jìn)行充分的考慮，才能使材料滿足使用性能要求。

工藝性原則

一般地，材料一經(jīng)選擇，其加工工藝大體上就能確定。同時(shí)加工工藝過(guò)程又使材料的性能發(fā)生改變；零件的形狀結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)批量、生產(chǎn)條件也對(duì)材料加工工藝產(chǎn)生重大的影響。

工藝性原則是指選材時(shí)要考慮到材料的加工工藝性，優(yōu)先選擇加工工藝性好的材料，降低材料的制造難度和制造成本。

各種成型工藝各有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，同一材料的零件，當(dāng)使用不同成型工藝制造時(shí)，其難度和成本是不一樣的，所要求的材料工藝性能也是不同的。例如，當(dāng)零件形狀比較復(fù)雜、尺寸較大時(shí)，用鍛造成型往往難以實(shí)現(xiàn)，若采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能，在結(jié)構(gòu)上也要適應(yīng)鑄造或焊接的要求。再如，用冷拔工藝制造鍵、銷時(shí)，應(yīng)考慮材料的伸長(zhǎng)率，并考慮形變強(qiáng)化對(duì)材料力學(xué)性能的影響。

經(jīng)濟(jì)性原則

在滿足材料使用要求和工藝要求的同時(shí)，也必須考慮材料的使用經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性原則是指在選用材料時(shí)，應(yīng)選擇性能價(jià)格比高的材料。材料的性能就是指其使用性能。材料的使用性能一般可以用使用時(shí)間和安全程度來(lái)代表。材料價(jià)格主要由成本決定。材料的成本包括生產(chǎn)成本和使用成本。一般地，材料成本由原材料成本、原材料利用率、材料成型成本、加工費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)、維修費(fèi)、管理費(fèi)等因素決定。

材料及成型工藝選擇的步驟、方法及依據(jù)

材料及成型工藝的選擇步驟如下：首先根據(jù)使用工況及使用要求進(jìn)行材料選擇，然后根據(jù)所選材料，同時(shí)結(jié)合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件和技術(shù)條件等，選擇合適的成型工藝。

1.選擇材料及其成型工藝的步驟、方法

分析零件的服役條件，找出零件在使用過(guò)程中具體的負(fù)荷情況、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。

大多數(shù)零件都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學(xué)性能。在其他條件下使用的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學(xué)性能。如高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強(qiáng)度和抗氧化性；化工設(shè)備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴(yán)寒地區(qū)使用的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)附加對(duì)低溫韌性的要求；在潮濕地區(qū)使用時(shí)，應(yīng)附加對(duì)耐大氣腐蝕性的要求等。

(1) 通過(guò)分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類材料失效分析的結(jié)果，確定允許材料使用的各項(xiàng)廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，如許用強(qiáng)度、許用應(yīng)變、許用變形量及使用時(shí)間等。

(2) 找出主要和次要的廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，以重要指標(biāo)作為選材的主要依據(jù)。

(3) 根據(jù)主要性能指標(biāo)，選擇符合要求的幾種材料。

(4) 根據(jù)材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件、技術(shù)條件選擇材料及其成型工藝。

(5) 綜合考慮材料成本、成型工藝性、材料性能、使用的可靠性等，利用優(yōu)化方法選出最適用的材料。

(6) 必要時(shí)選材要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)投產(chǎn)，再進(jìn)行驗(yàn)證或調(diào)整。

上述只是選材步驟的一般規(guī)律，其工作量和耗時(shí)都是相當(dāng)大的。對(duì)于重要零件和新材料，在選材時(shí)，需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)和批量試生產(chǎn)過(guò)程，以保證材料的使用安全性。對(duì)不太重要的、批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇材料，確定材料的牌號(hào)和規(guī)格，安排成型工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來(lái)的材料及成型工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應(yīng)找出引起失效的原因，并采取相應(yīng)的措施。如果是材料或其生產(chǎn)工藝的問(wèn)題，可以考慮選用新材料或新的成型工藝。

2.選材依據(jù)

（1）負(fù)荷情況

工程材料在使用過(guò)程中受到各種力的作用，有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、切應(yīng)力，扭矩、沖擊力等。材料在負(fù)荷下工作，其力學(xué)性能要求和失效形式是和負(fù)荷情況緊密相關(guān)的。

在工程實(shí)際中，任何機(jī)械和結(jié)構(gòu)，必須保證它們?cè)谕瓿蛇\(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，能安全可靠地工作。例如要保證機(jī)床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產(chǎn)生過(guò)度變形。又如千斤頂頂起重物時(shí)，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài)，而不允許突然彎曲。對(duì)工程構(gòu)件來(lái)說(shuō)，只有滿足了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，才能安全可靠地工作。實(shí)際上，在材料力學(xué)中對(duì)材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況，或根據(jù)受力情況進(jìn)行材料選擇時(shí)，除了考慮材料的力學(xué)性能外，還必須應(yīng)用材料力學(xué)的有關(guān)知識(shí)進(jìn)行科學(xué)的選材。

表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學(xué)性能

（2）材料的使用溫度

大多數(shù)材料都在常溫下使用，當(dāng)然也有在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。

隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，其韌性、塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)折溫度。在低于韌脆轉(zhuǎn)折溫度下使用時(shí)，材料容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時(shí)，應(yīng)選用韌脆轉(zhuǎn)折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。

隨著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會(huì)發(fā)生一系列變化，主要是強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不宜超過(guò)480℃，而合金鋼的使用溫度不宜超過(guò)1150℃。

（3）受腐蝕情況

在工業(yè)上，一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時(shí)間內(nèi)單位面積上金屬材料的損失量來(lái)表示；也可用單位時(shí)間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來(lái)表示。工業(yè)上常用6類10級(jí)的耐蝕性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕，見表2。

表2 金屬材料耐蝕性的分類評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

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大多數(shù)工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的，大氣腐蝕是一個(gè)普遍的問(wèn)題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對(duì)材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d，在需要時(shí)常涂敷油漆等保護(hù)層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。

（4）耐磨損情況

影響材料耐磨性的因素如下：

① 材料本身的性能：包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。

② 摩擦條件：包括相磨物質(zhì)的特性、摩擦?xí)r的壓力、溫度、速度、潤(rùn)滑劑的特性、腐蝕條件等。

一般來(lái)說(shuō)，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性較高；如同時(shí)具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用過(guò)程中，也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過(guò)程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會(huì)在摩擦中軟化。

3.材料成型工藝的選擇依據(jù)

一般而言，當(dāng)產(chǎn)品的材料確定后，其成型工藝的類型就大體確定了。例如，產(chǎn)品為鑄鐵件，則應(yīng)選鑄造成型；產(chǎn)品為薄板件，則應(yīng)選板料沖壓成型；產(chǎn)品為ABS塑料件，則應(yīng)選注塑成型；產(chǎn)品為陶瓷件，則應(yīng)選相應(yīng)的陶瓷成型工藝等。然而，成型工藝對(duì)材料的性能也產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇成型工藝中，還必須考慮材料的最終性能要求。

（1）產(chǎn)品材料的性能

① 材料的力學(xué)性能。

例如，材料為鋼的齒輪零件，當(dāng)其力學(xué)性能要求不高時(shí)，可采用鑄造成型；而力學(xué)性能要求高時(shí)，則應(yīng)選用壓力加工成型。

② 材料的使用性能。

例如，若選用鋼材模鍛成型制造轎車、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的飛輪零件，由于轎車轉(zhuǎn)速高，要求行駛平穩(wěn)，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產(chǎn)生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成型，而應(yīng)采用閉式模鍛成型。這是因?yàn)椋_式模鍛成型工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進(jìn)行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會(huì)被切斷而外露；而閉式模鍛的鍛件沒(méi)有飛邊，可克服此缺點(diǎn)。

③ 材料的工藝性能。

材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝；聚四氟乙烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動(dòng)性差，故不宜采用注塑成型工藝，而只宜采用壓制燒結(jié)的成型工藝。

④ 材料的特殊性能。

材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、導(dǎo)電或絕緣等。例如，耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成型；選用塑料制造，則可用注塑成型；如要求既耐熱又耐腐蝕，那么就應(yīng)選用陶瓷制造，并相應(yīng)地選用注漿成型工藝。

（2）零件的生產(chǎn)批量

對(duì)于成批大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可選用精度和生產(chǎn)率都比較高的成型工藝。雖然這些成型工藝裝備的制造費(fèi)用較高，但這部分投資可由每個(gè)產(chǎn)品材料消耗的降低來(lái)補(bǔ)償。如大量生產(chǎn)鍛件，應(yīng)選用模鍛、冷軋、冷拔和冷擠壓等成型工藝；大量生產(chǎn)非鐵合金鑄件，應(yīng)選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成型工藝；大量生產(chǎn)MC尼龍制件，宜選用注塑成型工藝。

而單件小批生產(chǎn)這些產(chǎn)品時(shí)，可選用精度和生產(chǎn)率均較低的成型工藝，如手工造型、自由鍛造、手工焊，及它們與切削加工相聯(lián)合的成型工藝。

（3）零件的形狀復(fù)雜程度及精度要求

形狀復(fù)雜的金屬制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的零件，可選用鑄造成型工藝，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等；形狀復(fù)雜的工程塑料制件，多選用注塑成型工藝；形狀復(fù)雜的陶瓷制件，多選用注漿成形或注射成型工藝；而形狀簡(jiǎn)單的金屬制件，可選用壓力加工或焊接成型工藝；形狀簡(jiǎn)單的工程塑料制件，可選用吹塑、擠出成型或模壓成型工藝；形狀簡(jiǎn)單的陶瓷制件，多選用模壓成型工藝。

若產(chǎn)品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成型工藝。若產(chǎn)品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成型；而精度要求高的，則選用模鍛成型、擠壓成型等。若產(chǎn)品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑；而精度要求高的，則選用注塑成型。

（4）現(xiàn)有生產(chǎn)條件

現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品現(xiàn)有的設(shè)備能力、人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。例如，生產(chǎn)重型機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運(yùn)輸設(shè)備條件下，常常選用鑄造和焊接聯(lián)合成型的工藝，即首先將大件分成幾小塊來(lái)鑄造后，再用焊接拼成大件。

又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機(jī)下沖壓成型，但如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備，則應(yīng)采用其他工藝方法。例如，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有薄板，也沒(méi)有大型壓力機(jī)，就不得不采用鑄造成型工藝生產(chǎn)；當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有薄板，但沒(méi)有大型壓力機(jī)時(shí)，就需要選用經(jīng)濟(jì)可行的旋壓成型工藝來(lái)代替沖壓成型。

（5）充分考慮利用新工藝、新技術(shù)、新材料的可能性

隨著工業(yè)市場(chǎng)需求日益增大，用戶對(duì)產(chǎn)品品種和品質(zhì)更新的要求越來(lái)越強(qiáng)烈，使生產(chǎn)性質(zhì)由成批大量生產(chǎn)變成多品種、小批量生產(chǎn)，因而擴(kuò)大了新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用范圍。

因此，為了縮短生產(chǎn)周期，更新產(chǎn)品類型及質(zhì)量，在可能的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等靜壓成型、復(fù)合材料成型、快速成型等新工藝、新技術(shù)、新材料，采用無(wú)余量成型，使零件近凈型化，從而顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。

除此之外，為了合理選用成型工藝，還必須對(duì)各類成型工藝的特點(diǎn)、適用范圍以及成型工藝對(duì)材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成型工藝的特點(diǎn)見表3。

表3 各種毛坯成型工藝的特點(diǎn)

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