机械零件用材料及成形工艺的选择

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强的腐蚀作用。2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，材料的失效都是通过机械零件失效的形式来体现的。机械零件失效了，整个零件一旦报废，也就意味着材料的失效。因此，分析材料的失效与分析机械零件的失效要结合起来，不能单一地分析材料失效。在材料的使用过程中，发生了一系列的变化，主要是材料形状和性能的改变，在它们达不到使用性能要求时，就称为材料失效。材料的使用性能包括如下一系列性能：力学性能，物理性能、化学性能等。在使用过程中，材料的任何一方面性能达不到使用要求，也就意味着材料的失效。如在高温工况下，钢铁材料的强度不断降低，在其不能达到所要求的强度指标时，材料就失效了。再如，橡胶材料在使用过程中发生硬化失去弹力。这些都是材料本身性能发生变化而失效的。在更多的时候，工程材料的失效并不是材料本身的性能达不到要求，而是由于材料的形状尺寸在力或其它的作用下改变，使零件达不到所要求的功能，而引起失效。机械零件失效了，也就意味着材料的失效。在使用过程中如果发生了以下三种情况中的任何一种，即认为该零件已失效：①完全破坏不能使用；②虽然能工作但不能满意地起到预定的作用；③损伤不严重，但继续工作不安全。材料的失效实际上是由以下三方面因素所决定的：(1)使用条件因素同一材料，在不同的使用环境下，其使用寿命是不同的；不同的使用条件，对材料的性能要求是不一样的。(2)材料本身的性能不同材料有不同的性能，材料本身所具有的性能是材料应用的基础。(3)用户的期望值材料能不能用，好用不好用，其标准都是由用户来定的。当材料的性能或机件的功能达到人的要求时，材料才能用；反之，当材料的性能或机件的功能达不到用户的要求时，材料就被判为失效而报废。以上三因素是统一的整体，我们应用材料，其根本目的是应用材料的使用性能，比如耐3用时间。但是同一材料在不同工况下使用，其使用寿命和质量是不一样的。比如，碳钢在空气中的使用寿命要长于在酸中的使用寿命。另一方面，材料损失或被破坏到什么程度才算失效，也是由人来决定的。这就是材料失效的三个必不可少的条件。2.材料失效的判据从量化分析材料性能的角度来看，如果以σ表示材料或机件所具有的广义的性能，如各种力学性能(抗拉强度、抗压强度、屈服强度、硬度、耐冲击能力)、耐热性能、耐腐蚀性能、抗磨性能等；而以[σ]表示广义的许用性能，如各种许用应力、各种许用耐热性能、许用耐腐蚀性能、许用抗磨性能等。根据失效的基本定义，材料或机件失效的判据为σ[σ]。即当材料的某一方面性能达不到使用要求时，材料就失效了。从量化分析材料的变形量角度来看，如果以f表示材料或机件所具有的广义的变形量，如应变量、扭转量、磨损量、腐蚀量、氧化失重量等；而以[f]表示广义的许用变形量，如各种许用变形量、许用扭转量、许用磨损量、许用腐蚀量、许用氧化失重量等。那么失效发生的判据为f[f]。相应地零件不失效的判据为f[f]。即当零部件某处的变形量超过允许值时，材料就失效了。对于某一零件是否发生失效，通过实际测量相应性能指标，或是测量实际发生的各种变形量后，利用以上两式来判定。14.1.3.材料的失效形式前面讲过，材料的失效与零件的失效是分不开的，下面结合零件的失效一起谈一下材料的失效形式。材料的失效形式主要有：材料性能降低、过量变形、断裂和表面损伤四种。1.材料性能降低在使用过程中，材料本身的力学性能、物理性能、化学性能等不是一成不变的，随着不同的使用工况，总是要发生一定的变化。不同的工况，会对材料的不同方面产生影响。材料的任何一方面性能达不到使用要求时，也就意味着材料的失效。如在高温工况下，钢铁材料的强度不断降低，在其不能达到所要求的强度指标时，材料就失效了。再如，橡胶材料在使用过程中发生硬化失去弹力。这些都是材料本身性能发生变化而失效的。材料在使用过程中，其性能发生变化是一种自然趋势，其主要性能降低也是不可避免的。我们进行各种分析的目的不是阻止材料性能降低，而是延缓其降低的速度，延长材料使用寿命，提高其使用性能价格比。这是材料研制工作者的任务。2.过量变形在使用过程中，材料在各种力的作用下，会发生各式各样的变形，当其变形程度超过允许的范围时，即过量变形时，材料就失效了。材料的过量变形失效包括弹性变形失效、塑性变形失效和蠕变失效等。(1)弹性变形失效在一定载荷下作用下，零件由于发生过大的弹性变形而失效，称为弹性变形失效。如镗床的镗杆，弹性变形大就不能保证精度。如电机转子轴刚度不足时，发生弹性挠曲，结果造成转子与定子相撞而破坏。当细长状或薄壁板状零件受纵向压力时，在弹性失稳后，发生较大侧向弯曲，进而以塑性弯曲或断裂而失效。弹性变形失效的零件没有明显的外部特征，一般只能从零件的几何形状及尺寸、外力的形式及大小等，经过仔细的分析后才能判定。弹性变形失效的最终表现形式往往有塑性变形或断裂等其它破坏形式。表征材料弹性变形能力的力学指标是刚度，即弹性模量。弹性模量E和密度ρ的比值称为比模量，是近代工程材料的重要参数。例如铝的弹性模量E是72000MPa,而钢为214000MPa,但铝的比模量大于钢,因此铝被大量用作飞机材料。4(2)塑性变形失效是指零件发生过大的塑性变形而失效。如键扭曲、螺栓受载后伸长等，又如齿轮的塑性变形会使啮合不良，甚至卡死、断齿。过量的塑性变形是机械零件失效的重要形式，塑性变形是种永久变形，可在零件的形状和尺寸上表现出来，比较容易判断和测量。在进行零件设计时，应选择屈服极限大于其工作应力的材料，允许零件部分区域发生一定量的塑性变形，就是针对塑性变形失效而来。表征材料塑性变形能力的力学指标是屈服强度，延伸率、断面收缩率等。(3)蠕变失效在恒定载荷和高温下，蠕变一般是不可避免的，通常是以金属在一定温度和应力下，经过一定时间所引起的变形量来衡量。3.断裂失效指机械材料在载荷作用下发生断裂而失效。断裂是金属材料最严重的失效形式。金属断裂的基本类型，按金属断裂处是否发生宏观塑变形可分为：韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂——断裂前发生明显的宏观塑变，如低碳钢在拉应力作用下产生显著塑性变形后断裂。脆性断裂——断裂前几乎不发生宏观的塑性变形，如灰铸铁在拉应力作用下不产生塑性变形而断裂。对于塑性断裂，因它发生前要出现较大的塑性变形，而这种变形在许多零件上已被判定为塑性变形失效，故这类断裂在工程上危害不大。工程上比较关心的是低应力脆性断裂。由于零件上存在尖锐缺口或裂纹，或是零件处于低温及冲击载荷条件下，在名义应力低于材料的屈服极限时，也能发生的断裂。而这类断裂发生前往往没有明显征兆，危害性较大。因此下面着重分析低应力脆性断裂问题。发生低应力脆性断裂时，构件没有明显的宏观塑性变形。断口一般可分为断裂发源及裂纹扩展两个区域，断裂发源区位于裂纹的尖端或缺口的根部，其精确位置可由裂纹扩展区的形貌确定；扩展区上有许多辐射状花样，断口比较粗糙，根据辐射线的走向可确定断裂源的位置，将断口放在电镜下面观察，很容易确定断裂的性质。防止零件脆断的方法，是准确分析零件所受的应力、应力集中的情况，选择满足强度要求并具有一定塑性和韧性的材料。低应力脆断中最重要的有两种，一种是低中强度钢由于存在韧脆转变温度t,因而其低应脆断学发生在韧脆转变温度附近以下的低温区域内。为了防止脆断，其最低工作温度应为：tw≥t+K,K≤20～30°C。另一种