机械设计之材料选用

现代化的工业进程对机械设计行业提出了新的要求。机械设计中，材料的选择是非常重要的。合理选用机械工程材料对充分发挥工程材料本身的性能潜力，保证材料具有良好的加工工艺性能，获得理想的使用性能，提高产品零件的质量，节省工程材料，降低生产成本等方面起着重大影响。

1、常用工程材料分类

1.1按属性可分为金属材料和非金属材料两大类：

金属材料包括黑色金属和有色金属。有色金属用量虽只占金属材料的5%，但因具有良好的导热性、导电性，以及优异的化学稳定性和高的比强度等，而在机械工程中占有重要的地位。

非金属材料又可分为无机非金属材料和有机高分子材料。前者除传统的陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料外，还包括氮化硅、碳化硅等新型材料以及碳素材料（见碳和石墨材料）等。后者除了天然有机材料如木材、橡胶等外，较重要的还有合成树脂（见工程塑料）。

此外，还有由两种或多种不同材料组合而成的复合材料。这种材料由于复合效应，软质包胶滚轮具有比单一材料优越的综合性能，成为一类新型的工程材料。

1.2机械工程材料也可按用途分类：

如结构材料（结构钢）。工模具材料（工具钢）。耐蚀材料（不锈钢）、耐热材料（耐热钢）、耐磨材料（耐磨钢）和减摩材料等。

1.3由于材料与工艺紧密联系，也可结合工艺特点来进行分类：

如铸造合金材料、超塑性材料、粉末冶金材料等。粉末冶金可以制取用普通熔炼方法难以制取的特殊材料，也可直接制造各种精密机械零件，已发展成一类粉末冶金材料。

2、材料性能

选用材料，首先要了解材料的基本特性，其中力学性能是最重要的，包括材料的强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性等，要了解这些性能的意义，也要知道什么场合侧重那些材料性能，这样才能保证材料选择的准确性和经济性

材料力学性能：指的是材料在外力作用下表现出来的性能。其主要指标有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳等。

强度：强度指的是在外力作用下，材料抵抗塑性变形和断裂的能力，软质包胶滚轮强度指标通常通过静拉伸试验测定。

塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力叫塑性，可以通过静拉伸试验测定。

硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。硬度表示方法有布氏硬度（HBW）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）。

韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

疲劳强度：材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力。

物理性能：金属材料的主要物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。

化学性能：金属材料的化学性能是指金属及合金在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。

材料加工性能：包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理工艺性能。

3、材料牌号

由于工业发展的程度不同，各个国家都有自己的材料标准，如中国国家标准GB，国际标准化组织-ISO，德国工业标准-DIN，英国标准-BS，日本工业标准-JIS，美国钢铁协会JISI，美国汽车工程师协会-SAE等。各国的标准不同造成名称和计法的多样化。比如GB的45钢记为S45C；GB的GCr15，JIS记为SUJ2，IS0记为B1。

如此多的国家标准和标体系，在选择标准牌号过程中我们要根据自己的工作和所处环境对各国的工业准或者世界代表钢厂的牌号进行选择。在自动化行业（如长三角、珠三角等）企业，选材主要根据的是JIS日本工业标准;如果是国有企业，更多依据的是我国的国家标准。

4、材料选用原则

我们知道，选材的一般原则是：由工作条件确定使用性能的要求，这是材料选用的基本出发点。其次是要考虑材料的加工工艺性。第三是要考虑材料的经济性。力争使各项花费的总和达到最低值。最终做到：“材料的使用性能足够、工艺性能良好、供应上能保证、经济性应合理”。

4.1选材的一般使用原则

材料的使用原则在于用所选材料制造出的机械零件能否保证其使用性能。材料的使用性能是指机械零件在正常工作情况下材料应具备的性能。包括力学性能和物理、化学性能等。零件的使用性能是保证其工作安全可靠、经久耐用的必要条件。是选材时考虑的最主要的依据。不同零件所要求材料的使用性能是不一样的，有的要求强度高，有的要求硬度高，有的要求耐磨性高，有的无严格的性能要求，只需保证一定形式的外表即可。在大多数情况下应首先考虑零件的使用性能，对一般机械零件来说，则要考虑其力学性能。

4.2选材的工艺性原则

工艺性原则是指所选用的材料能否保证顺利地加工制造成零件。例如某些材料仅从零件的使用要求来看是完全合适的，但无法加工制造或加工制造很困难，成本很高，这些都属于工艺性不好。因此，材料工艺性能的好坏，在决定零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等方面起着十分重要的作用，是选材时必须同时考虑的另一个重要因素。

4.3选材的经济性原则

经济性原则是指所选用的材料加工成零件后能否做到成本低廉，价格便宜。从选材的经济性原则考虑，应尽可能选用货源充足、价格低廉、加工方便、总成本低的材料。一般来讲在满足零件使用性能的前提下，尽量优先选用廉价的材料，能用碳素钢的，不用合金钢；能用低合金钢的不用高合金钢；能用钢的就不用有色金属。此外，考虑经济性要从长远观点出发，不能仅看眼前利益。一些暂时看起来成本费用高的材料，由于其使用寿命长、维护保养费用少，从长远观点来看，经济效益还是好的。而综合来看，其经济性仍然是合理的。还须注意，在选用高分子材料时，除考虑上述三项原则外，还应着重考虑在使用条件下，周围环境（如温度、水、氧、光、油等）对其性能的影响。

5、选材步骤

机械工程材料的选择是一项十分重要又复杂繁琐的工作。其基本步骤如下。

（1）分析零件对所选材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的工作条件，零件的强度、刚度、稳定性计算等。

（2）对可供选择的材料进行筛选，现代工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。把所有的工程材料都当作选择对象，根据材料的性能要求进行筛选。

（3）对可供选择的材料进行评价。

（4）最佳材料的决定。

（5）零件所选材料的实际验证。

6、常用材料介绍

Q235-A：含碳量＜0.2% 的低碳钢，表示屈服强度是 235MPa ，其塑性较好、有一定强度但不耐冲击。一般用来做焊接结构件，例如焊接机架的方通、焊接块、机架大板、角钢等。表面处理时结构件一般采用喷或烤漆，板类为防锈通常镀铬或发黑。（适合发黑处理的钢种只有碳钢和低合金钢，其原理就是在钢种零件表面镀一层致密的氧化铁薄膜。）

45# 钢：含碳量为 0.42~0.50% 的中碳钢 , 其机械性能、切削性能优良，焊接性能较差。一般用来做机架大板，结构连接件，强度要求不高的轴等。45 钢调质（淬火 +回火）硬度在 HRC20~HRC30 之间，淬火硬度一般要求 HRC45, 硬度高过后强度稳定性达不到要求。

40Cr：属于合金结构钢。经调质处理后具有良好的力学性能，但焊接性不好、易出现裂纹。可用于制作齿轮、连杆、轴等。淬火后表面硬度可达 HRC55 。

不锈钢 SUS304、SUS316：均是碳含量 ≤ 0.08%的低碳钢。具有良好的耐腐蚀性，机械性能、冲压弯曲热加工性好，标准 SUS304无磁性。但很多产品因 冶炼时成分偏析或热处理不当等原因，造成带磁性，如要求无磁性需在工程图中说明。SUS316 比 304 抗腐蚀性能力强、尤其在高温、恶劣环境情况下。目前市场上有很多316L，因含碳量更低，其焊接性能、加工性能优于 SUS316 。钣金在设计中一般用来做小部件的外罩、传感器等标准件的安装座，板材类可用于零件连接。

不锈钢 SUS420J2：热处理后 具有较高的强度和耐磨性 ,适宜制造承受高负荷 ,高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具。另因其抛光性能较高，是较好的装饰材料。

模具钢 CR12：为国标名称，对应 JIS 名称 SKD1, 所因其综合性能优良、价格低廉，是目前应用广泛的冷作模具钢。具有高强度、耐磨性好，但冲击韧 度较差、易脆裂。主要用于承受冲击负荷较小的，高耐磨的冲模、冲头等。

SKD11：具有良好的硬度和耐磨性，其韧性较Cr12 钢高。可用来制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具。

DC53 ：是对 SKD11 进行改良的新型模具钢， 回火后硬度可达 62HRC ，强度、耐磨性、韧性均优于 SKD11 ，切削性和研磨性也优于 SKD11 ，使用 DC53 可增加工具模具寿命和减少加工工序，未来将在通用及精密模具领域全面取代 SKD11。

S136：塑胶模具 , 用于防腐蚀及需镜面抛光的场合。长期使用后，模穴表面仍能维持原光滑状态，淬火硬度可达 HRC52，适用于弱酸及潮湿环境下使用的模具、耐磨零件等。

65Mn：焊接性差、高耐磨，应用于各种弹簧、卡簧、离合器簧片。非标设计中多用来做铁道钢轨、弹片等。

铸铁：主要由铁、碳、硅等金属元素组成，是含碳量 ＜2% 的铁碳合金，工业用铸铁的含碳量一般在 2.5%~4% ，因其流动性好多用于铸造复杂内部结构的零件。球墨铸铁的力学性能最好，灰铸铁较差。但由于灰铸铁价格低廉，且具有铸造性、耐磨性、减震性较好，故其是应用最广泛的一种铸铁，球铸铁次之。灰铸铁（ HT150）应用较多，常用于齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵、阀体，轴承盖等，非标中用来做复杂的零件或治具。

铝：AL6061、AL7075，7075 铝板属于超硬铝板，软质包胶滚轮硬度比 6061 高。但 7075 价格比6061 高很多。均可进行本色阳极氧化、喷砂氧化、硬质氧化、镀镍等处理。一般加工件用本色阳极氧化，可保证精加工尺寸。喷砂氧化外观观赏性更好，但无法保证高精度。如想让铝件有钢件的外观感觉，可镀镍。一些直接与产品接触的铝件，如对粘性、耐高低温性、绝缘性有要求时可考虑镀铁氟龙。