金屬材料工藝如何選擇?
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材料及成型工藝選擇的步驟、方法及依據!

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人氣:-發表時間:2019-12-26 14:15【

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材料及成型工藝的選擇步驟如下:首先根據使用工況及使用要求進行材料選擇,然後根據所選材料,同時結合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的複雜程度、零件的生產批量、現有生產條件和技術條件等,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,找出零件在使用過程中具體的負荷情況、應力狀態、溫度、腐蝕及磨損等情況。

大多數零件都在常溫大氣中使用,主要要求材料的力學性能。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、化學性能。如高溫條件下使用,要求零件材料有一定的高溫強度和抗氧化性;化工設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。嚴寒地區使用的焊接結構,應附加對低溫韌性的要求;在潮濕地區使用時,應附加對耐大氣腐蝕性的要求等。

(1) 通過分析或試驗,結合同類材料失效分析的結果,確定允許材料使用的各項廣義許用應力指標,如許用強度、許用應變、許用變形量及使用時間等。

(2) 找出主要和次要的廣義許用應力指標,以重要指標作為選材的主要依據。

(3) 根據主要性能指標,選擇符合要求的幾種材料。

(4) 根據材料的成型工藝性、零件的複雜程度、零件的生產批量、現有生產條件、技術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,利用優化方法選出最適用的材料。

(6) 必要時選材要經過試驗投產,再進行驗證或調整。

上述隻是選材步驟的一般規律,其工作量和耗時都是相當大的。對於重要零件和新材料,在選材時,需要進行大量的基礎性試驗和批量試生產過程,以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件,通常參照相同工況下同類材料的使用經驗來選擇材料,確定材料的牌號和規格,安排成型工藝。若零件屬於正常的損壞,則可選用原來的材料及成型工藝;若零件的損壞屬於非正常的早期破壞,應找出引起失效的原因,並采取相應的措施。如果是材料或其生產工藝的問題,可以考慮選用新材料或新的成型工藝。

2.選材依據

(1)負荷情況

工程材料在使用過程中受到各種力的作用,有拉應力、壓應力、剪應力、切應力,扭矩、衝擊力等。材料在負荷下工作,其力學性能要求和失效形式是和負荷情況緊密相關的。

在工程實際中,任何機械和結構,必須保證它們在完成運動要求的同時,能安全可靠地工作。例如要保證機床主軸的正常工作,則主軸既不允許折斷,也不允許受力後產生過度變形。又如千斤頂頂起重物時,其螺杆必須保持直線形式的平衡狀態,而不允許突然彎曲。對工程構件來說,隻有滿足了強度、剛度和穩定性的要求,才能安全可靠地工作。實際上,在材料力學中對材料的這三方麵要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況,或根據受力情況進行材料選擇時,除了考慮材料的力學性能外,還必須應用材料力學的有關知識進行科學的選材。

表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學性能:

零件

工作條件

常見失效形式

主要力學性能要求

應力種類

載荷性質

其他

普通緊固螺栓

拉應力

切應力

靜載荷


過量變形、斷裂

屈服強度

抗剪強度

傳動軸

彎應力

扭應力

循環衝擊

軸頸處摩擦,振動

疲勞破壞、過量變形、軸頸處磨損

綜合力學性能

傳動齒輪

壓應力

彎應力

循環衝擊

強烈摩擦,振動

磨損、麻點剝落、齒折斷

表麵:硬度及彎曲疲勞強度、接觸疲勞抗力;心部:屈服強度、韌性

彈簧

扭應力

彎應力

循環衝擊

振動

彈性喪失、疲勞斷裂

彈性極限、屈服比、疲勞強度

油泵柱塞副

壓應力

循環衝擊

摩擦,油的腐蝕

磨損

硬度、抗壓強度

冷作模具

複雜應力

循環衝擊

強烈摩擦

磨損、脆斷

硬度、足夠的強度、韌性

壓鑄模

複雜應力

循環衝擊

高溫、摩擦、金屬液腐蝕

熱疲勞、脆斷、磨損

高溫強度、熱疲勞抗力、韌性與紅硬性

滾動軸承

壓應力

循環衝擊

強烈摩擦

疲勞斷裂、磨損、麻點剝落

接觸疲勞抗力、硬度、耐磨性

曲軸

彎應力

扭應力

循環衝擊

軸頸摩擦

脆斷、疲勞斷裂、咬蝕、磨損

疲勞強度、硬度、衝擊疲勞抗力、綜合力學性能

連杆

拉應力

壓應力

循環衝擊


脆斷

抗壓疲勞強度、衝擊疲勞抗力

(2)材料的使用溫度

大多數材料都在常溫下使用,當然也有在高溫或低溫下使用的材料。由於使用溫度不同,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。當溫度降低到一定程度時,其韌性、塑性顯著下降,這一溫度稱為韌脆轉折溫度。在低於韌脆轉折溫度下使用時,材料容易發生低應力脆斷,從而造成危害。因此,選擇低溫下使用的鋼鐵時,應選用韌脆轉折溫度低於使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在於降低碳含量,提高材料的低溫韌性。

隨著溫度的升高,鋼鐵材料的性能會發生一係列變化,主要是強度、硬度降低,塑性、韌性先升高而後又降低,鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產生影響,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480℃,而合金鋼的使用溫度不宜超過1150℃。

(3)受腐蝕情況

在工業上,一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時間內單位麵積上金屬材料的損失量來表示;也可用單位時間內金屬材料的腐蝕深度來表示。

工業上常用6類10級的耐蝕性評級標準,從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕,見表2。

腐蝕級別

大多數工程材料都是在大氣環境中工作的,大氣腐蝕是一個普遍的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中,碳鋼在工業大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d,在需要時常塗敷油漆等保護層後使用。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,一般可不塗油漆直接使用。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、導熱性、化學穩定性、表麵狀態等。

② 摩擦條件:包括相磨物質的特性、摩擦時的壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。

一般來說,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麵。另外,材料的硬度在使用過程中,也是可變的。易於加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬,而易於受熱軟化的金屬會在摩擦中軟化。

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