零件选材的原则与方法探讨

来源:南京工业职业技术学院机械系作者:吴元徽

零件选材的原则通常为满足使用要求、拥有良好的可加工性及最低的成本。选材的方法就是三者兼顾,并取得最佳的平衡。

选材问题不仅对产品设计人员十分重要,对一般的工程技术人员和管理人员等也是必不可少的。例如2000 年三峡水电站大坝工程为制造坝底输水管由日本进口了一批50 mm 厚的低碳钢板,由于坝底输水管要承受很大的压力,并且所处的方位要求具有无限长寿命,所以材料必须达到规定的强度、塑性指标。但进口检查时发现这批板的性能未达标,为此中方要求退货并索赔。日方起初根本不承认,后经双方多次抽样及性能检测,铁的事实使得日方不得不承认这批板在生产时,由于为了降低成本调整工艺导致性能不合格,最终日方同意退换并赔偿中方所造成的一切经济损失。事实证明,不仅从事大坝施工的技术人员,与这起对外贸易有关的海关人员、管理人员、律师等都得对选材原则有所了解。

1、选材原则

1.1、满足使用要求

材料的使用性能应满足服役条件,这是保证实现零件的设计功能以及安全耐用的必要条件,也是选材的基本出发点。使用性能是指零件在一定条件下,实现预定目的或者规定用途的能力,这里主要是指在零件的服役条件下材料所应该具备的力学性能以及物理和化学性能。对工程机械而言,首要的是力学性能。对一些在承受冲击、腐蚀、高温或高压等特殊条件下工作的零件,则必须根据零件的服役条件综合考虑材料的物理、化学性能。下面谈谈为满足材料服役条件的选材方法。

1) 系统分析零件服役条件来疏理出其使用性能。零件的服役条件包括:受力情况,如载荷的性质、形式、分布及大小、应力状态;环境状况,如工作温度、工作介质有无腐蚀性;零件外形,是否有厚薄不均、靠近边角处有孔或细长轴等形态;有无其它特殊要求,如对导电性、热膨胀、磁性、熔点、密度、外观的要求等。在对服役条件系统分析的基础上确定零件的使用要求,例如在冲击载荷下工作应具有足够的韧性;交变载荷作用下要求有较高的疲劳强度;在磨擦环境中要求具备高硬度和耐磨性;在酸碱等腐蚀介质中服役要求一定的耐蚀及耐酸性;在高温高载荷条件下服役应具有高温强度和抗氧化性能;制造仪表等精密零件要使用无磁性的奥氏体钢以排除地磁场的干扰;对厚薄不均或边角有孔的零件应考虑应力集中的影响,对零件的外形进行调整等等。

2) 通过对零件失效分析来确定其最主要的使用性能。失效分析好似一面镜子,不断反映零件所固有的,以及质量控制中的最薄弱的环节。通过失效分析找出导致失效的主导因素,可以迅速准确地确定零件必备的主要使用性能,以便采取措施极大地延长零件寿命。如八十年代我国从美国进口了一批黑鹰直升机,其中一架在青藏高原执行任务时发生坠机事故,经中美双方专家对回收的飞机残骸进行分析,发现是其尾部减速齿轮轴疲劳失效引起的。由于及时准确的失效分析,科学地判明了飞机失事的原因,确定直升机尾部减速齿轮轴疲劳性能是主要的使用性能之一,其后美方抓住主要矛盾,果断地采取了一系列预防措施,如加强探伤、采取新的表面强化处理工艺等,从而杜绝了同类事故的发生。

3) 用计算机建模将零件的使用性能具体转化为实验室力学性能指标。根据零件的外形、工作环境及所承受的载荷状况,利用实验室设备或计算机模拟零件的服役条件,制作与零件同材质的试样进行模拟运作,分析其应力分布并进行计算,再根据在长期工程实践中建立的工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系,推导出实验室力学性能指标的具体数值。这样可以大大简化选材过程,只需对照实验室力学性能指标的数据,利用各类技术手册就可以选材了。

但是,必须注意到零件实际的服役状况与实验室模拟的条件并不能简单地等同起来,因此手册中根据实验室条件所给出的力学性能数据并不能无条件地适用工程实际,在生产实践中还必须综合考虑材料的化学成分、加工方法及处理特点,并对零件尺寸与手册中试样尺寸的差别进行分析,再进一步对数据进行适当的修正、整补等处理后才可以使用。此外,选材时不仅要考虑材料的成分,还要考虑材料的强化手段,有时通过两者的有机结合和适当的热处理,往往可以将廉价材料制成高性能的零件。

总之,当初步选定材料后,首先应当进行实验室验证,在此基础上再做台架试验和装机试验,在取得成效后小批量生产,待材料力学性能的可靠性获得认可后,方能最后定型并投产使用。

1.2、保证工艺性能

材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力。选材时要特别考虑材料的工艺性能,因为光是材料的使用性能符合要求,不能加工成所要求的形状也不能使用。如钢材的抗拉强度若接近1500 MPa,进行机械加工就很困难了。用SiN 陶瓷刀具进行车、刨都还勉强,钻孔、攻内螺纹就几乎不可能了。所以对于使用的高强度钢材,应使其处于低强度状态进行加工,在其达到规定的形状后再通过热处理使其达到高强度。通常情况下,我们是根据以下几个方面来考虑材料的工艺性的。

1) 铸造性能:主要包括流动性、收缩性、偏析、充型能力、吸气性等。收缩性是指铸件凝固时体积收缩的能力;偏析是指化学成分不均性;充型能力是指液态合金充满铸型,获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力;吸气性是指在熔炼和浇注时吸收气体的性能。一般来说凡合金相图上液-固相线距离较近且靠近共晶成分的合金其铸造性能就好。因此相图具备这种特点的铸造铝合金、铸造铜合金等就具有优良的铸造性能。同样道理,在工程上应用最广的钢铁材料中,铸铁的铸造性能就大大优于铸钢;而中、低碳钢的铸造性能又优于高碳钢,所以一般高碳钢是不用于铸件的。

2) 压力加工性能:是指利用金属在外力作用下产生塑性变形,能获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。一般情况,铸铁由于其高脆性无法进行压力加工,而钢由于具有一定的塑性是可以进行压力加工的,由于钢的塑性依其成分呈现较大差异,随着钢中碳及合金元素含量的增高,塑性显著降低,压力加工性能也逐渐变差。因此高碳钢或高碳高合金钢( 如高铬钢、高速钢等) 一般只能进行热压力加工,而且其热加工性能也较差。而低碳钢、变形铝合金及大多数铜合金等非铁金属,由于其良好的塑性具有较好的压力加工性能。

3) 焊接性能:包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向,焊缝脆性、裂纹、气孔及其它缺陷倾向等。钢铁材料的焊接性能随着材料中碳及合金元素含量的升高而变差。一般情况下,钢比铸铁、碳钢比合金钢易于焊接,且低碳钢的焊接性能最好。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好,应采用一些高级的焊接方法,如氩弧焊或特殊措施进行焊接。

4) 机械加工性能:指切削抗力、零件表面光洁度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。一般来说材料的硬度越高,加工硬化越强,切屑不易断排,刀具越易磨损,其机械加工性能就越差。

5) 热处理工艺性能:指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。这些性能均取决于材料的化学成分与组织,成为选材和制定生产工艺的重要依据。

综上所述,与使用要求相比,工艺性能往往处于次要地位;但在某些情况下,工艺性能也可成为生产中首要考虑的因素。针对不同产品的制造,铸造、锻造、粉末冶金和焊接组装等毛坯生产方法会有不同的生产成本。一般情况下复杂的零件或大批量的零件用铸造法比较好,对小批量生产的大尺寸简单构件则用机加工法更上算。对于一些精密构件,往往用粉末冶金的方法生产毛坯会有较好的经济效益,虽然金属粉末原材料价格并不便宜,但由于不需要切削加工,因而具有更低的成本。对大型企业而言,由于规模生产,工艺周期的长短和加工费用的高低,往往成为企业生产的关键因素。因此迫切要求材料工艺性能的稳定,只有采用的加工工艺稳定,才能保证产品质量的稳定。如使用板材进行冷加工的工厂,必须要求板材的硬度等性能指标稳定,才能在相同的工艺条件下,生产出合格的产品。

1.3、兼顾生产成本

除了使用性能与工艺性能外,生产成本也是选材必须考虑的重要问题。在市场经济的条件下,企业的生存取决于产品的成本和利润,因此在材料的选用上价格是一个必须考虑的重要因素。我们应合理地选用材料,使其性能充分发挥,做到“物尽其用”。

选材的经济性不仅仅体现在所选材料本身的价格,更重要的是采用的制造工艺,可使产品的总成本降至最低,同时所选材料应符合国家的资源和供应情况。

1) 材料的价格:材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重,据有关资料统计,在许多工业部门中可占产品价格的30% ~ 70%,不同材料的价格差异很大,而且在不断变动,因此设计人员应对材料的市场价格有所了解,并时时关心材料的市场价格变动情况,以便于核算产品的制造成本。

2) 国家的资源状况:随着工业的发展,资源的问题日益突出,选用材料时必须对此有所考虑,特别是对于大批量生产的零件,所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如,我国缺钼,但是钨却十分丰富,所以我们选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢,而少用钼高速钢;再如我国的稀土储量约占全世界总储量的80%,因此,在选择合金化元素时,应在可能的情况下尽量使用稀土元素。另外同一单位所选用的材料和种类、规格,应尽量少而集中,便于集中采购和管理,减少不必要的附加费用。

3) 零件的总成本:由于生产经济性的要求,选材从几个方面影响零件的总成本,也就是材料的价格,零件的自重,零件的寿命、零件的加工费用、试验研究费( 为采用新材料所必须进行的研究与试验费) 及维修费等。要综合考虑以上因素,选用材料时使零件的总成本降至最低。

2、其他需要考虑的因素

除了以上这些原则以外,近年来考虑人类社会的可持续发展,使我们的子孙后代仍能在地球上生存下去,能源和环保也是选材时必须考虑的两个重要因素。

1973 年阿拉伯国家对西方进行石油禁运而导致的能源危机,促使美国政府用法律规定了汽车的耗油量上限,这样就使得美国的汽车公司开发高强度的轻质材料来减轻汽车的油耗,这时材料的比强度就成为选材的重要条件之一。

再比如建筑物窗户所用材料,除考虑美观、安全外,节能也成为一个重要因素,自古以来都用木窗。考虑到环境保护,60 年代用钢窗代替了木窗,80 年代用铝合金代替了钢窗,近年来又有用塑钢窗代替铝合金窗的趋势。在隔热保温方面塑钢优于铝合金,铝合金又优于钢。窗的隔热好,就容易做到室内冬暖夏凉,减少使用空调、暖气,达到节能减排的目的。

在材料设计和制造上必须考虑到废弃材料的回收、再生利用。这样一方面可以减轻地球的环境负担,另一方面变废为宝,也可避免资源枯竭。在材料使用上,也应尽量采用这种可回收利用的材料。目前日常生活中,司空见惯的一次性筷子与塑料包装袋的使用就是一个突出的问题。如果每个人在材料使用上都有环境意识,人类社会就会得到可持续发展。另外,从环境保护角度选材还包括材料制造、使用过程中要尽量减少环境污染的问题。

3、结语

选材时,首先应根据零件的服役条件和失效形式找出该零件的主要力学性能指标;其次,选用的材料应具有良好的加工工艺性,能够保证零件便于加工制造;第三,从经济角度考虑,材料还应有较好的经济性,使零件的总成本最低,使用寿命又最长;最后,从人类社会的可持续发展出发,也要考虑能源和环保这两个重要因素。总之,选材的任务就是求得它们之间的平衡和统一。