任务1 材料的选择
一、选材的基本原则
选择机械零件材料的基本原则是在保证零件使用性能的前提下，要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性能。
1．材料的使用性能
材料的使用性能主要是指零件在使用状态下所具有的力学性能、物理性能和化学性能。力学性能要求是依据零件的工作条件和失效形式分析的基础上提出的。
零件的工作条件是复杂的，主要指零件的受力状态、工作环境和某些物理性能要求。受力状态包括受力形式（如拉、压、弯、扭、剪等）、载荷性质（如动载荷、静载荷、循环交变载荷、均布载荷、集中载荷等）及承受的摩擦状况等。工作环境包括环境介质和环境温度。物理性能指导电、导热、导磁、热膨胀性能等。
在设计机械零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和失效的形式确定所选材料的主要力学性能，这是选材的主要依据。如汽车、拖拉机上的连杆螺栓，工作时整个截面不仅承受均匀分布的拉（压）应力，而且拉（压）应力是周期性变换的，其失效形式主要是由于强度不足引起过量塑性变形和疲劳破坏。因此，连杆螺栓材料除了要求有足够的屈服强度和抗拉（压）强度外，还要求有较高的疲劳强度。另外，由于连杆螺栓整个截面受力均匀，淬火时心部应获得半马氏体组织，因此，材料应具有较好的淬透性。
对于钢制零件，要求塑性、韧性高的，可选用低碳钢或低碳合金钢；要求综合力学性能的，应选用中碳钢或中碳合金钢；要求高强度、高硬度的，可选用高碳钢；受力较大，要求耐腐蚀性高的，则选用不锈钢。
2．材料的工艺性能
材料的工艺性能是指在一定条件下将材料加工成优质零件或毛坯的难易程度，它将直接影响零件的质量、生产效率和成本。
金属材料常用的加工方法有铸造、锻造、焊接、切削加工和热处理。不同的加工方法对材料的工艺性能要求不同。形状复杂、特别是内腔形状复杂的铸件，如各种机械底座、机身、工作台、箱体、泵体、阀体、轴承座等，应选用铸造性能好的合金，如灰铸铁、铸造铝合金；低、中碳钢，由于可锻性好，所以广泛用于锻件和冲压件；焊件最好选用焊接性好的低碳钢或低合金高强度钢。
绝大多数机械零件的毛坯要经过切削加工过程。因此，材料的切削加工性直接影响零件的质量和加工成本。硬度在170～230HBS范围内的材料具有良好的切削加工性。为此可通过热处理调整硬度，以改善切削加工性。
对于可通过热处理改善和提高材料的力学性能时，必须考虑所选材料的热处理性能。碳钢的淬透性低，淬火时的变形开裂倾向较大，所以只适于制作尺寸较小、形状简单、强韧性要求不太高的机械零件。而制作大截面、形状复杂及要求高强韧性的机械零件，应选用合金钢。
3．材料的经济性能
在保证零件使用性能的前提下，应尽量选用价格低廉、加工费用低、资源丰富、质量稳定、购买容易、运输方便、品种规格少、便于采购和管理的材料。
表13－1所列的为国内常用金属材料的相对价格。可见，碳钢和铸铁的相对价格比较低，因此，在满足零件力学性能的前提下，优先选用碳钢和铸铁（特别是球墨铸铁），不仅有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
表13－1 我国常用金属材料的相对价格
表13－2所列的为常用热处理方法的相对加工费用。零件材料的加工费用与生产批量有关，批量越小，加工费用越高。一般来说，加工费用占零件成本的30%左右。
表13－2 常用热处理方法的相对加工费用
此外，还应积极推广质优价廉的新材料，合理选择代用材料，如在满足使用性能的前提下，用聚合物材料代替金属材料，可降低产品的总成本。
二、典型零件的选材
1．齿轮类零件
（1）齿轮的作用。齿轮是各种机械、仪表中应用最广的传动零件，其作用是传递动力、改变运动速度和方向。
（2）齿轮的工作条件及失效形式。齿轮工作时，齿根受很大的交变弯曲应力，并有应力集中；齿面间相互有滑动、滚动并承受接触应力；启动、变速、变向或啮合不均匀时，承受冲击载荷作用。因此，齿轮的失效形式是齿面过度磨损、点蚀、过量塑性变形及轮齿折断。
（3）对齿轮材料的主要性能要求。齿轮材料的主要性能要求如下：①具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；②齿面具有高的硬度和耐磨性；③齿轮心部具有足够强度和韧性；④良好的切削加工性及热处理时变形小。
（4）常用的齿轮材料。常用的齿轮材料是优质碳素结构钢和合金结构钢。①轻载、低速、小冲击载荷、精度低的软齿面（硬度≤350HBS）的齿轮，如车床挂轮箱齿轮、溜板箱齿轮，常用Q275钢、45钢、40Cr钢制造，经正火或调质后使用。②中载、中速、传动平稳、耐磨性较好、冲击韧度要求一般的硬齿面（硬度＞350HBS）的齿轮，如车床、铣床、钻床的变速箱齿轮，通常采用45钢、40Cr钢、40MnB钢制造，经调质后高频淬火及低温回火，齿面硬度可达50～55 HRC。③高速、重载、大冲击载荷、硬度要求高（大于55HRC）的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮，常用20CrMo钢、20CrMnTi钢、20CrMnMo钢等制造，经渗碳、淬火及低温回火后，齿面的硬度达到58～63HRC，因淬透性好，齿轮心部有较高的强韧性。④载荷平稳、润滑条件好、热处理变形要求小的精密传动齿轮或磨齿有困难的内齿轮，可用38CrMoAlA钢制造，经调质及渗氮处理后，齿面硬度高达850～1 200HV（相当于65～70HRC）。
另外，对于形状复杂、载荷较大并受一定冲击载荷作用的大齿轮（直径大于400mm），常用ZG310－570、ZG340－640等制造。对于开式传动、低速、轻载、冲击载荷较小的齿轮，常用HT200、HT300、QT500－7、QT600－3等制造。
2．轴类零件
（1）轴的作用。轴是机械设备中重要零件之一，其作用是支撑传动件并传递运动和动力。
（2）轴的工作条件及失效形式。大多数轴承受交变扭转应力和弯曲应力作用，轴颈承受摩擦作用。因此，轴类零件的主要失效形式是由于长期受交变载荷作用造成疲劳断裂和轴颈的过度磨损。
（3）轴类零件的性能要求。轴类零件的性能要求如下：①高的弯曲和扭转疲劳强度；②优良的综合力学性能；③轴颈有高的硬度和耐磨性；④具有一定的淬透性。
（4）轴类零件常用材料。轴的材料主要采用优质碳素结构钢和合金结构钢。①对于承受交变拉、压应力作用截面尺寸较大的轴，如船用推进器轴、锻锤锤杆等．由于整个截面受力均匀，应选用淬透性高的调质钢，如40MnVB钢、30CrMnSi钢、40CrMnMo钢等，经调质处理后，具有优良的综合力学性能。②主要受弯曲、扭转应力作用的轴，如机床主轴、变速箱的传动轴等，由于整个截面上应力分布不均匀，表面大，心部小，通常选用45钢、40Cr钢、45Mn2钢等，为获得综合力学性能，一般进行正火或调质处理，要求轴颈耐磨，还应进行表面淬火及低温回火。③高速、高精度、表面要求高硬度的传动轴，如精密磨床主轴、镗床主轴等，常用渗氮钢38CrMoAlA，经调质及渗氮处理后，表面有高的硬度、耐磨性、抗腐蚀性及疲劳强度。④中、低速的内燃机曲轴、凸轮轴，可选用球墨铸铁代替调质钢，以降低材料和制造成本，如110型柴油机曲轴，选用QT600－3等，铸造后的轴经正火、高温回火，轴颈感应加热表面淬火后，硬度不低于55HRC。
3．箱体类零件
（1）箱体的作用。箱体是机械设备的基础零件，其主要作用是保证箱体内各运动件具有正确的相对位置，并支撑这些零件达到协调地正常运转。
（2）受力情况。箱体承受被其支撑的零部件的重力及它们之间的作用力或冲击载荷作用。
（3）性能要求。箱体应具有足够的抗压强度和刚度、良好的耐磨性和减振性。
（4）箱体类零件材料。对于主要承受静压力，或要求减震的箱体，如机床主轴箱、进给箱等，常选用铸铁（如HT200、HT250等）；受力不大、要求耐大气腐蚀、自重轻、导热性好的箱体，如汽车发动机缸盖，常用铸造铅合金（如ZAlSi9Mg等）；受力较大，要求强度高，韧性好的箱体，如变速箱，可选用铸钢（如ZG200－400等）。
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