淺談機械零件制造的材料及其選擇原則

唐葉金

摘 要：文章介紹了機械零件制造材料的各種力學性能、基本特性、毛坯狀態以及選擇材料的一般原則，適合于機械行業設計、材料檢測專責工程技術人員、材料檢驗人員參考。

關鍵詞：黑色金屬；力學性能；基本特性；選擇原則

引言

機械零件所用的材料是多種多樣的，但是金屬材料，尤其是黑色金屬材料，應用得最多最廣。現只就黑色金屬材料的一些強度性能、基本特性、毛坯狀態以及選擇材料的一般原則等略加介紹。

1 黑色金屬材料的力學性能及基本特性

1.1 材料的強度及塑性

1.1.1 黑色金屬材料強度

表示黑色金屬材料強度的指標有：強度極限Rm、屈服極限Rel、疲勞極限Rr等。我們知道，材料在變形過程中有無屈服現象，是劃分材料為塑性或脆性的一個標準。在材料機械性能試驗時不產生屈服現象和塑性變形的，稱為脆性材料；有明顯屈服現象的，稱為塑性材料。材料斷裂時，塑性材料和脆性材料的斷口特征也是有顯著的區別的。塑性材料總是伴隨著顯著的屈服現象，斷口高低不平、呈纖維狀、發暗，斷裂時力與軸線幾乎成45°；但脆性材料幾乎無塑性變形，斷口齊平、呈結晶狀、發亮。

1.1.2 衡量塑性高低的數量指標

衡量塑性高低的數量指標通常有兩個：延伸率A及斷面收縮率Z。延伸率愈大，試樣斷裂前產生的頸縮現象愈顯著，因而塑性也就愈高。同樣，斷面收縮率愈高的材料，塑性也就愈高。

1.1.3 影響材料強度及塑性的因素

（1）溫度。手冊上列出的材料強度及塑性指標的數值，都是在常溫下測定出來的。這對于絕大多數設備零件的設計來說，是足夠應用的。但是對處在高溫下（通常認為工作溫度約在母體金屬熔點絕對溫度的四分之一以上時均屬高溫。鋼材>450K，鋁合金>570K，銅合金>350K）工作的零件；或者處于低溫工作的零件，那些常溫下的數據就不適用了。

在高溫下，鋼材性能的變化趨勢是強度降低而塑性增高。

在低溫下，鋼材性能的變化趨勢是強度增加而塑性降低。隨著溫度的降低，屈服極限Rel比強度極限Rm增長得快，甚至在某一溫度時可以等于強度極限Rm。這就是說，到了一定低溫后，材料就不再有屈服極限了，即材料就變成脆性的了，這種現象稱為冷脆。

（2）變形速度。手冊中列出的性能數據，是在標準試驗機上進行試驗得出的，其試驗應變速度都很小，約為0.001s-1的數量級或者更低。但在實際零件上，受沖擊時，應變速度要比以上數值大好幾個數量級。隨著應變速度的增加，延伸率A無變化，亦即材料的塑性無變化，但強度極限Rm及屈服極限Rel均不斷增加，特別是屈服極限Rel增長得更快一些，以致于幾乎接近強度極限Rm，這就說明在試件達到破壞以前，材料的彈性范圍也要擴大。材料性能的這種趨向，說明按手冊中的資料來進行應變速度較大的強度計算時，是偏于安全的。

（3）冷作硬化。凡是在冷狀態下以塑性變形來對鋼材進行加工時（例如冷拉、冷鍛、冷擠壓等），均可使材料的塑性降低和強度增高。因此，用冷塑性加工原材料制成的零件，一般有較高的靜強度。

1.2 材料的韌性

材料在塑性變形范圍內吸收能量的能力叫做材料的韌性。沖擊試驗所得的沖擊吸收功Ak可作為衡量材料韌性大小的指標，這是因為材料在彈性變形范圍內所吸收的能量比在塑性變形范圍內所吸收的要小很多。試樣斷口呈脆性破壞特征的材料均具有極低的沖擊值，即幾乎或完全無塑性變形；試樣斷口呈塑性破壞特征的材料，其沖擊值明顯高得很多。

同一種材料，在不同溫度下進行沖擊試驗后，沖擊吸收功Ak與溫度變化關系曲線圖（韌脆轉變溫度曲線）可以直觀反應材料的韌性。在較高溫度下呈塑性斷裂的材料，在低溫下則呈脆性斷裂。如果零件材料的轉變溫度是在零件工作溫度的范圍以內，則零件將不會具有可靠的韌性，故應改選轉變溫度更低一些的材料。

1.3 材料的硬度

當零件要承受表面磨損或因接觸變應力而發生表面疲勞破壞時，零件材料的硬度，特別是表面硬度就具有重要的意義。根據測量硬度的方法的不同，對于黑色金屬來說，通常用布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）來表示。各種不同硬度值的換算關系已有制成的表格，可以從機械材料手冊中查到。

1.4 黑色金屬毛坯供應狀態

鑄造材料通常以塊狀原料供應；普通碳素鋼及優質碳素鋼，通常用熱軋、冷軋或冷拉等方法制成型材供應；合金鋼通常制成圓鋼、鋼管、鋼板和鋼絲等供應；對于大型重要零件，可直接由鋼錠以鍛壓方法制造零件毛坯。

2 材料的選擇

從各種各樣的材料中選擇出合用的材料，是要受到多方面因素所制約的一項工作，以下僅提出一些選擇材料的一般原則，作為選材時的依據。

2.1 載荷的大小和性質，應力的大小、性質及其分布狀況

這方面的因素主要是從強度觀點來考慮的，根據載荷大小和性質的不同而選用不同的材料。脆性材料原則上只適用于在靜載荷下工作；在多少有些沖擊的情況下，從強度觀點出發，應以塑性材料為基本的材料。金屬材料的性能，一般可通過熱處理加以提高和改善，所以在選擇材料的品種時，應同時規定其熱處理規范，并在圖紙上注明。

2.2 零件的工作情況

在濕熱環境下工作的零件，應具有良好的防銹和抗腐蝕的能力，可選用不銹鋼、銅合金。

在高、低溫環境下工作的零件，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線膨脹系數不能相差過大，以免在溫度變化時產生過大的熱應力或者使配合松動。

在有磨損環境下工作的零件，要提高零件的表面硬度，以增強其耐磨性，應選擇適于進行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種。

2.3 零件的尺寸及重量

這個因素與材料的品種及毛坯制取方法、材料的強重比有關。用鑄造材料制毛坯時，一般可以不受尺寸及重量的限制，而鍛造材料則需注意鍛壓機械生產能力的限制；盡可能用強重比高的材料，就有利于減輕零件的重量。

2.4 零件結構的復雜程度及材料的加工可能性

結構復雜的零件，宜用鑄造法澆鑄，或用板材沖壓出元件后再經焊接而成；結構簡單的零件才可能用鍛造法制取毛坯。

2.5 材料的經濟性

材料的經濟性，表現在材料本身的相對價格、材料的加工費用、材料的利用率、材料的稀有性等方面。當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不用選價格高的材料；盡可能采用較少加工費用的工藝方法達到使用要求；采用無屑或少屑毛坯可以提高材料的利用率；還可采用組合結構來降低材料的費用。

2.6 材料的供應狀況

選材時還應考慮到當時當地材料的供應狀況。為了簡化材料的供應和儲存的品種，對于小批量制造的零件，應盡可能地減少同一部機器上使用的材料的品種和規格。

參考文獻

[1]西北工業大學機械原理及機械零件教研組.機械設計[M].人民教育出版社.

[2]蔡亞翔，劉榮貴.實用金屬材料產品手冊[M].中國物質出版社，2004.