行家須知機(jī)械零件都有哪些常用材料及選擇要求
機(jī)械零件是指組成機(jī)器的不可拆分的基本單元，如螺栓、螺釘、鍵、帶、齒輪、軸、彈簧、銷等。機(jī)械零件分為通用零件和專用零件。通用零件是指能在各種機(jī)器中廣泛使用的零件，專用零件是指只能在某一類特定的機(jī)器中使用的零件。
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一、機(jī)械零件常用材料
機(jī)械零件的材料有金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料。
金屬材料分為黑色金屬材料和有色金屬材料。黑色金屬材料包括各種鋼、鑄鋼和鑄鐵，具有較好的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、塑性、韌性等)，價(jià)格相對便宜且容易獲得，而且能滿足多種性能和用途的要求。在各類黑色金屬中，由于合金鋼的性能優(yōu)良，因而常常用來制造重要的零件。有色金屬材料包括銅合金、鋁合金、軸承合金等，具有密度小、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，通常還可用于有減摩、耐磨及耐腐蝕要求的場合。
非金屬材料指塑料、橡膠、合成纖維等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有許多優(yōu)點(diǎn)，如原料豐富、密度小，在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)有很好的彈性，耐腐蝕性好等。其主要缺點(diǎn)是容易老化，其中不少材料阻燃性差，總體上講，耐熱性不好。陶瓷材料的主要特點(diǎn)是硬度極高、耐磨、耐腐蝕、熔點(diǎn)高、剛度大以及密度比鋼鐵小等。目前，陶瓷材料已應(yīng)用于密封件、滾動(dòng)軸承和切削刀具等結(jié)構(gòu)中。其主要缺點(diǎn)是比較脆，斷裂韌度低，價(jià)格昂貴，加工工藝性差等。
復(fù)合材料是指用兩種或兩種以上具有明顯不同的物理和力學(xué)性能的材料經(jīng)復(fù)合工藝處理而得到所需性能的一種新型材料。例如用玻璃、石墨(碳)、硼、塑料等非金屬材料可以復(fù)合成各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在普通碳素鋼板表面貼附塑料，可以獲得強(qiáng)度高而又耐腐蝕的塑料復(fù)合鋼板，主要優(yōu)點(diǎn)是有較高的強(qiáng)度和彈性模量，而質(zhì)量又特別小，但也有耐熱性差、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能較差的缺點(diǎn)。此外，復(fù)合材料的價(jià)格比較貴。所以目前復(fù)合材料主要用于航空、航天等高科技領(lǐng)域，在民用產(chǎn)品中，復(fù)合材料也有一些應(yīng)用。
二、機(jī)械零件材料選擇原則
從各種各樣的材料中選擇出適用的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的工作。機(jī)械零件常用的材料有鋼、鑄鐵、有色金屬和非金屬等，常用材料的牌號(hào)、性能及熱處理知識(shí)可查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇材料是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)對零件的要求在提高。因此，設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，應(yīng)充分了解材料的性能和適用條件，并考慮零件的使用、工藝和經(jīng)濟(jì)性等要求。下面就金屬材料(主要是鋼鐵)的一般選用原則作一簡介。
選擇機(jī)械零件材料的原則是：所需材料應(yīng)滿足零件的使用要求，有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。
1、使用要求
機(jī)械零件的使用要求表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：
（1）零件的工作狀況和受載情況，以及為避免相應(yīng)的失效形式而提出的要求工作狀況是指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度、摩擦和磨損的程度等。在濕熱環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中工作的零件，其材料應(yīng)有良好的緩蝕和耐腐蝕的能力，例如選用不銹鋼、銅合金等。
工作溫度對材料選擇的影響，一方面要考慮互相配合的兩零件的材料的線脹系數(shù)不能相差過大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力或者使配合松動(dòng)；另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。在滑動(dòng)摩擦下工作的零件，要提高其表面硬度，以增強(qiáng)耐磨性，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。
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受載情況是指載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì)。脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件；在多少有些沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料；對于表面受較大接觸應(yīng)力的零件，應(yīng)選擇可以進(jìn)行表面處理的材料，如表面硬化鋼；對于受變應(yīng)力的零件，應(yīng)選擇耐疲勞的材料；對于受沖擊載荷的零件，應(yīng)選擇沖擊韌度較高的材料；對于尺寸取決于強(qiáng)度，且尺寸和質(zhì)量又受限的零件，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的材料；對于尺寸取決于剛度的零件，應(yīng)選用彈性模量較大的材料。
金屬材料的性能一般可通過熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來發(fā)揮材料的潛力。對于最常用的調(diào)質(zhì)鋼，由于其回火溫度的不同，可得到力學(xué)性能不同的毛坯。回火溫度越高，材料的硬度和強(qiáng)度將越低，而塑性越好。所以在選擇材料的品種時(shí)。應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖樣上加以注明。
（2）對零件尺寸和質(zhì)量的限制零件尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯制取方法有關(guān)。用鑄造材料制造毛坯時(shí)，一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而用鍛造材料制造毛坯時(shí)，則需注意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強(qiáng)重比有關(guān)，應(yīng)盡可能選用強(qiáng)重比大的材料，以便減小零件的尺寸和質(zhì)量。
（3）零件在整機(jī)或部件中的重要程度。
2、工藝要求
要考慮所用的材料從毛坯到成品都能方便地制造出來。例如，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大的零件難以鍛造，可以采用鑄造或焊接，其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能。
根據(jù)所選的工藝，要考慮材料對該工藝的加工可能性。對于鑄造，要考慮材料的液態(tài)流動(dòng)性、產(chǎn)生縮孔和偏析的可能性等；對于焊接，要考慮材料的焊接性和產(chǎn)生裂紋的傾向等；對于鍛造，要考慮材料的延伸性、熱脆性和變形能力等；對于需要熱處理的零件，要考慮材料的淬透性、淬火變形的傾向性等；對于需經(jīng)切削加工的零件，要考慮材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削后能達(dá)到的表面粗糙度等。
3、經(jīng)濟(jì)要求
（1）材料本身的相對價(jià)格在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量選用價(jià)格低廉的材料。這一點(diǎn)對于大批量制造的零件尤其重要。
（2）材料的加工費(fèi)用當(dāng)零件質(zhì)量不大而加工量很大時(shí)，加工費(fèi)用在零件總成本中要占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板價(jià)廉，但對于某些單件或小批量生產(chǎn)的箱體類零件來說，采用鑄鐵反而比采用鋼板焊接的成本更高，因?yàn)楹笳呖梢允〉裟＞叩闹圃熨M(fèi)用。
（3）材料的利用率采用無屑或少切屑加工，如模鍛、精鑄、沖壓等，可以提高材料的利用率。
（4）局部品質(zhì)原則在很多情況下，零件在其不同的部位上對材料有不同的要求。要想選用一種材料滿足不同的要求，事實(shí)上是不可能的，即使可能，價(jià)格也非常昂貴。這時(shí)，可根據(jù)局部品質(zhì)原則，在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。例如蝸輪的輪齒必須具有優(yōu)良的耐磨性和較高的抗膠合能力，其他部分只需具有一般的強(qiáng)度即可，故在鑄鐵輪芯外套用青銅齒圈，以滿足這些要求。又如滑動(dòng)軸承只在其和軸頸接觸的表面處要求有減摩性，所以只需用減摩材料制成軸瓦，而不必把整個(gè)軸承都用減摩材料制造。
局部品質(zhì)也可以用滲碳、表面淬火、表面噴鍍、表面輾壓等方法獲得。
（5）材料代用以節(jié)約貴重、稀有材料由于供應(yīng)上的原因或經(jīng)濟(jì)性的要求，可以對所選材料用其他材料代用。例如，當(dāng)強(qiáng)度為主要要求時(shí)，可選用強(qiáng)度較高而價(jià)格較貴的材料，也可用強(qiáng)度較差而價(jià)廉的材料代替，而將結(jié)構(gòu)尺寸適當(dāng)加大；當(dāng)耐磨或耐腐蝕為主要要求時(shí)，可以不選用耐磨性或防腐性好的材料而選用較差的材料進(jìn)行各種表面硬化處理或防腐處理；對于稀有材料，也可以用普通材料代替，例如用鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦。
（6）材料供應(yīng)情況從簡化材料品種的供應(yīng)和儲(chǔ)存出發(fā)，對于小批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)盡可能減少同一臺(tái)機(jī)器上使用材料的品種和規(guī)格。
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