选材合理性的标志应是在满足零件性能要求的条件下,最大限度地发挥材料的潜力,做到物尽其用,既要考虑材料强度的使用水平,同时也要减少材料的消耗和降低加工成本。因此,要做到合理选材,必须进行全面的分析及综合考虑,一般是从其使用性能、工艺性能、经济性等几个方面进行考虑。
1.应满足零件的使用性能要求
材料的使用性能是指在使用状态下零件材料应具备的力学性能、物理性能、化学性能,是保证零件具备规定功能的必要条件,是选择材料时应首先考虑的因素。例如,材料的屈服强度是保证零件在使用时不产生过量塑性变形的前提,而耐磨零件要有较高的硬度值等。在选材时,首先要准确地判断零件要求哪方面的性能,然后再确定主要性能指标。例如发动机的曲轴,其失效形式主要是疲劳断裂,其主要使用性能是疲劳抗力,因此应以疲劳强度为主要指标。
另外,由于采用不同的强化方法可以显著提高材料的性能,所以选用材料时要综合考虑强化方法对材料性能的影响。
2.应满足零件的工艺性能要求
在满足使用性能要求的情况下,应考虑材料的工艺性能。工艺性能是指将材料加工成零件的难易程度,它直接影响零部件的质量、生产效率和加工成本。金属材料的加工比较复杂,若采用铸造成形的方法,则应选用铸造性能好的共晶或接近共晶成分的合金; 若采用锻造成形的方法,则应选用高温塑性好的合金; 若采用焊接成形的方法,则应选用低碳钢或低碳合金钢,为了便于切削加工,一般应选用硬度在170 ~260 HBW 的材料。金属材料的力学性能在很大程度上取决于热处理工艺,不同材料的热处理工艺性能是不同的,如碳钢的淬透性较差、强度较低,加热时易过热,淬火时易变形甚至开裂,因此在制造截面尺寸较大、形状较复杂、强度要求较高的零件时,应选用合金钢。
当材料的工艺性能与力学性能要求相矛盾时,工艺性能便成为选用材料优先考虑的因素。例如在大批量生产时,切削加工常采用自动切削机床,为保证材料的切削加工性能、提高生产率,可选用易切削钢。(www.daowen.com)
材料的工艺性能在某些情况下甚至成为选择材料的主导因素。例如汽车发动机箱体,对它的力学性能要求并不高,多数金属材料都能满足要求,但由于箱体内腔结构复杂,毛坯只能采用铸件,为了方便、经济地铸出合格的箱体,必须采用铸造性能良好的材料,如铸铁或铸造铝合金。在大量生产时,更应要求材料具有良好的工艺性能。
3.应充分考虑材料的经济性
选用材料时,除满足使用性能和工艺性能要求以外,还应考虑材料的经济性。经济性是指产品的总成本,包括材料本身的价格、加工费用和其他费用,甚至包括运输和安装费用。有时性能好的材料虽然价格较贵,但可延长使用寿命、降低维修费用,反而是经济的。尤其是机器中的关键零件,其质量好坏直接影响整台机器的使用寿命,此时应该把材料的使用性能放在首要位置。
一般来说,在满足要求的情况下,应尽量选择价格低廉、加工性能好的铸铁或碳钢,必要时选用合金钢或非铁金属材料,而且要充分考虑我国资源条件,尽量选用我国富有元素的合金材料。
选材时,常常根据强度和成本比较材料。例如,在为轿车零件选材时,要求其质量小、强度高,可根据材料的比强度(强度/密度) 进行比较选材。在满足使用要求的前提下,尽量选用成本低的材料,并把必须使用的贵重金属材料减少到最低限度。值得一提的是,许多优异性能的高分子材料在一些场合可以代替金属材料,这样既降低了成本,又减小了质量。例如,利用高密度聚乙烯来代替钢板制造油箱; 采用SMC 片状玻璃纤维增强塑料来代替钢板制造车身外板件,而且具有相当的竞争力; 采用聚甲醛来代替轴承钢制造的4 t 载重汽车用的底盘衬套轴承可在汽车行驶路程为10 000 km 以上不用加油保养。
总而言之,在许多情况下可以铁代钢、以铸代锻、以焊代锻,从而有效降低成本; 选用低廉的钢种,通过表面强化处理来达到要求等手段,可以把成本降到最低。
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