机械零件用材料及成形工艺的选择

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1、第14章机械零件用材料及成形工艺的选择在进行产品设计时，会遇到零件材料选择的问题；在进行零部件生产过程中，会遇到怎样使材料成形的问题，材料及其成形工艺的选择是工程上的重要课题。材料好与坏，它不仅关系到机械零件的使用性能，也关系到零部件的加工制造难度，同时还关系到零件的成本，使用安全性等。在实际工程中，由于选材用材不当而给用户带来很多直接或间接的损失，也是常见的。因此，合理的材料选择，以及采取合适的成形工艺，是保证高质量产品的关键。另一方面，材料成本占零件成本的一半以上，合理的的选材，也可降低生产成本，提高经济效益。本章仅针对机械零件的的

2、选材问题进行讨论。在进行材料选择时，必须考虑现场使用时需要材料有哪些性能，它能够使用多长时间，它是如何失效的等。因此，选材与零件失效的关系十分密切。14.1材料的失效形式14.1.1材料的使用条件材料的使用条件总称为工况。工况研究是对材料进行各种研究的基础，也是失效研究及选材的基础。在研究材料时，不能把材料看成一个孤立的系统，在材料的使用和制造过程中，材料与环境之间始终有能量及物质的交换，因此要十分重视材料的使用环境，这就是要研究工况的原因；同时也必须重视制造材料的环境，这就是研究材料工艺性的原因。下面我们首先来研究材料的使用环境，即使

3、用工况。工程材料的使用工况由以下几方面组成：1.负荷情况在使用过程中，工程材料负担着传递动力或承受载荷的任务，必然受到各种各样载荷的作用。一般地，按照加载速度，材料所受到的载荷可分为静载荷和动载荷。静载荷是指加载速率较为缓慢的，大小和方向不随时间而变化的载荷；动载荷则是指加载速度很大的载荷，或是大小和方向随时间而变化的载荷。动载荷主要有冲击载荷和交变载荷两种类型。材料所受到的各种载荷，按其作用方式又可分为，拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切等。材料所受的负荷具体体现为材料受到各种应力的作用，这些应力是拉应力、压应力、剪应力、切应力，扭矩、弯曲

4、应力等。实际工程材料所受的应力往往是多种应力的复合。所有的工程材料都是在各种应力组成的应力场下工作，没有不受力的工程材料。抗力能力是对工程材料的基本要求，力学性能是工程材料的首要性能。如各种工程结构都受到至少是重力的作用，轴和齿轮等传递动力的机件都受到压应力、剪应力、扭矩等力的作用，锤头受到冲击力的作用等。2.使用环境温度工程材料总是要在环境所决定的温度下使用。大多数材料都是在气温下工作的，但是气温也是随天气、地域和季节的不同而不断变化的。此外，也有在高温或低温下工作的材料。在实际工程中，要求材料具有适应高温或低温环境的能力。各种工业炉

5、用材，都必须能耐高温；各种制冷设备用材，都必须能耐低温；有些时候，材料还应能耐剧烈的温度变化。3.使用介质材料的使用介质也是材料的使用环境中必不可少的一部分，材料的使用介质有大气、淡水、海水、土壤、含泥砂的水、各种酸碱盐的溶液等。绝大多数材料都是在大气环境中工作。大气是成分复杂的混合物。其中氮气和氧气占98%，其它组分是水蒸汽，二氧化碳，惰性气体、灰尘等。其中氧、水蒸汽、二氧化碳参与材料的腐蚀过程，灰尘对高速运动的部件有一些摩擦作用。在工业大气中还含有SO2、SO3、Cl2、HCl、NO、NO2、NH3、H2S等组分。这些组分对材料有较

6、强的腐蚀作用。18淡水一般指河水、地下水、湖水等含盐量低的天然水，其总固溶物含量小于0.1%，PH值在6.5～8.5%。淡水是主要的工业用水，它对工程材料有一定的腐蚀作用。若淡水有含有大量的泥砂，就会对运动的材料产生强烈的磨损作用。海水中含有约3.5%的盐，其中大部分是NaCl。海水对材料有较强的腐蚀作用。海水中的泥砂，生物、溶解的气体等都对材料的腐蚀作用产生一定的影响。在化工环境下，材料往往在各种酸碱盐溶液中使用，主要是水溶液，也有其它溶液。在化工溶液中使用的材料，必须考虑材料的耐腐蚀性。埋设在地下的油气水管路等都与土壤接触。土壤主要

7、由土粒、水和空气组成，是多相组织。土粒的成分和尺寸在不同的地方有很大的差异。土壤的水中常溶有H+、Cl-、SO42-等物质，对材料有腐蚀作用。在土壤中运动的零件，土壤对其有很大的磨损作用。土壤中常有生物及有机物质，同样对材料的使用产生影响。4.其它方面材料的使用工况还有来自环境的如声、光、电、磁等各种作用，它们对材料使用性能的影响，一般在功能材料中讨论，这里就不细讲了。14.1.2.材料的失效及其判据1.材料的失效正如人有生老病死一样，工程产品也有失效的时候。工业的发展，技术的进步，正是人们不断与产品失效作斗争的历史。由于材料本身是不能

8、单独使用的，它总是要做成机械零件来完成自己的任命。材料与零部件的关系如同布料与衣服的关系，虽然衣服各式各样，却都是由布料制作的；另一方面，任何布料都必须通过制作衣服等形式来体现自己的价值。因此在很大程度上，