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材料及成型工艺选择的步骤、方法及依据!

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人气:-发表时间:2019-12-26 14:15【

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材料及成型工艺的选择步骤如下:首先根据使用工况及使用要求进行材料选择,然后根据所选材料,同时结合材料的成本、材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件和技术条件等,选择合适的成型工艺。

1.选择材料及其成型工艺的步骤、方法

分析零件的服役条件,找出零件在使用过程中具体的负荷情况、应力状态、温度、腐蚀及磨损等情况。

大多数零件都在常温大气中使用,主要要求材料的力学性能。在其他条件下使用的零件,要求材料还必须有某些特殊的物理、化学性能。如高温条件下使用,要求零件材料有一定的高温强度和抗氧化性;化工设备则要求材料有高的抗腐蚀性能;某些仪表零件要求材料具有电磁性能等。严寒地区使用的焊接结构,应附加对低温韧性的要求;在潮湿地区使用时,应附加对耐大气腐蚀性的要求等。

(1) 通过分析或试验,结合同类材料失效分析的结果,确定允许材料使用的各项广义许用应力指标,如许用强度、许用应变、许用变形量及使用时间等。

(2) 找出主要和次要的广义许用应力指标,以重要指标作为选材的主要依据。

(3) 根据主要性能指标,选择符合要求的几种材料。

(4) 根据材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件、技术条件选择材料及其成型工艺。

(5) 综合考虑材料成本、成型工艺性、材料性能、使用的可靠性等,利用优化方法选出最适用的材料。

(6) 必要时选材要经过试验投产,再进行验证或调整。

上述只是选材步骤的一般规律,其工作量和耗时都是相当大的。对于重要零件和新材料,在选材时,需要进行大量的基础性试验和批量试生产过程,以保证材料的使用安全性。对不太重要的、批量小的零件,通常参照相同工况下同类材料的使用经验来选择材料,确定材料的牌号和规格,安排成型工艺。若零件属于正常的损坏,则可选用原来的材料及成型工艺;若零件的损坏属于非正常的早期破坏,应找出引起失效的原因,并采取相应的措施。如果是材料或其生产工艺的问题,可以考虑选用新材料或新的成型工艺。

2.选材依据

(1)负荷情况

工程材料在使用过程中受到各种力的作用,有拉应力、压应力、剪应力、切应力,扭矩、冲击力等。材料在负荷下工作,其力学性能要求和失效形式是和负荷情况紧密相关的。

在工程实际中,任何机械和结构,必须保证它们在完成运动要求的同时,能安全可靠地工作。例如要保证机床主轴的正常工作,则主轴既不允许折断,也不允许受力后产生过度变形。又如千斤顶顶起重物时,其螺杆必须保持直线形式的平衡状态,而不允许突然弯曲。对工程构件来说,只有满足了强度、刚度和稳定性的要求,才能安全可靠地工作。实际上,在材料力学中对材料的这三方面要求都有具体的使用条件。在分析材料的受力情况,或根据受力情况进行材料选择时,除了考虑材料的力学性能外,还必须应用材料力学的有关知识进行科学的选材。

表1 几种常见零件的受力情况、失效形式及要求的力学性能:

零件

工作条件

常见失效形式

主要力学性能要求

应力种类

载荷性质

其他

普通紧固螺栓

拉应力

切应力

静载荷


过量变形、断裂

屈服强度

抗剪强度

传动轴

弯应力

扭应力

循环冲击

轴颈处摩擦,振动

疲劳破坏、过量变形、轴颈处磨损

综合力学性能

传动齿轮

压应力

弯应力

循环冲击

强烈摩擦,振动

磨损、麻点剥落、齿折断

表面:硬度及弯曲疲劳强度、接触疲劳抗力;心部:屈服强度、韧性

弹簧

扭应力

弯应力

循环冲击

振动

弹性丧失、疲劳断裂

弹性极限、屈服比、疲劳强度

油泵柱塞副

压应力

循环冲击

摩擦,油的腐蚀

磨损

硬度、抗压强度

冷作模具

复杂应力

循环冲击

强烈摩擦

磨损、脆断

硬度、足够的强度、韧性

压铸模

复杂应力

循环冲击

高温、摩擦、金属液腐蚀

热疲劳、脆断、磨损

高温强度、热疲劳抗力、韧性与红硬性

滚动轴承

压应力

循环冲击

强烈摩擦

疲劳断裂、磨损、麻点剥落

接触疲劳抗力、硬度、耐磨性

曲轴

弯应力

扭应力

循环冲击

轴颈摩擦

脆断、疲劳断裂、咬蚀、磨损

疲劳强度、硬度、冲击疲劳抗力、综合力学性能

连杆

拉应力

压应力

循环冲击


脆断

抗压疲劳强度、冲击疲劳抗力

(2)材料的使用温度

大多数材料都在常温下使用,当然也有在高温或低温下使用的材料。由于使用温度不同,要求材料的性能也有很大差异。

随着温度的降低,钢铁材料的韧性和塑性不断下降。当温度降低到一定程度时,其韧性、塑性显著下降,这一温度称为韧脆转折温度。在低于韧脆转折温度下使用时,材料容易发生低应力脆断,从而造成危害。因此,选择低温下使用的钢铁时,应选用韧脆转折温度低于使用工况的材料。各种低温用钢的合金化目的都在于降低碳含量,提高材料的低温韧性。

随着温度的升高,钢铁材料的性能会发生一系列变化,主要是强度、硬度降低,塑性、韧性先升高而后又降低,钢铁受高温氧化或高温腐蚀等。这都对材料的性能产生影响,甚至使材料失效。例如,一般碳钢和铸铁的使用温度不宜超过480℃,而合金钢的使用温度不宜超过1150℃。

(3)受腐蚀情况

在工业上,一般用腐蚀速度表示材料的耐蚀性。腐蚀速度用单位时间内单位面积上金属材料的损失量来表示;也可用单位时间内金属材料的腐蚀深度来表示。

工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准,从I类完全耐蚀到VI类不耐蚀,见表2。

腐蚀级别

大多数工程材料都是在大气环境中工作的,大气腐蚀是一个普遍的问题。大气的湿度、温度、日照、雨水及腐蚀性气体含量对材料腐蚀影响很大。在常用合金中,碳钢在工业大气中的腐蚀速度为10^-605m/d,在需要时常涂敷油漆等保护层后使用。含有铜、磷、镍、铬等合金组分的低合金钢,其耐大气腐蚀性有较大提高,一般可不涂油漆直接使用。铝、铜、铅、锌等合金耐大气腐蚀很好。

(4)耐磨损情况

影响材料耐磨性的因素如下:

① 材料本身的性能:包括硬度、韧性、加工硬化的能力、导热性、化学稳定性、表面状态等。

② 摩擦条件:包括相磨物质的特性、摩擦时的压力、温度、速度、润滑剂的特性、腐蚀条件等。

一般来说,硬度高的材料不易为相磨的物体刺入或犁入,而且疲劳极限一般也较高,故耐磨性较高;如同时具备较高的韧性,即使被刺入或犁入,也不致被成块撕掉,可以提高耐磨性;因此,硬度是耐磨性的主要方面。另外,材料的硬度在使用过程中,也是可变的。易于加工硬化的金属在摩擦过程中变硬,而易于受热软化的金属会在摩擦中软化。

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