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钢材金属选材的基本原则和方法有哪些?

钢材金属选材的基本原则和方法有哪些? 

钢铁材料选择的基本原则

在进行材料及成型工艺的选择时,要考虑到在该工况下材料性能是否达到要求,及用该材料制造零件时,其成型加工过程是否容易,同时还要考虑材料或机件的生产及使用是否经济等因素即从适用性、工艺性和经济性3个方面进行考虑。




适用性原则




适用性原则是指所选择的材料必须能够适应工况,并能达到令人满意的使用要求。满足使用要求是选材的必要条件,是在进行材料选择时首先要考虑的问题。

材料的使用要求体现在对其化学成分、组织结构、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。为满足材料的使用要求,在进行材料选择时,主要从零件的负载情况、材料的使用环境和材料的使用性能要求三个方面考虑。零件的负载情况主要是指载荷的大小和应力状态。材料的使用环境指材料所处的环境,如介质、工作温度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用寿命、材料的各种广义许用应力、广义许用变形等。只有将以上三方面进行充分的考虑,才能使材料满足使用性能要求。




工艺性原则




一般地,材料一经选择,其加工工艺大体上就能确定。同时加工工艺过程又使材料的性能发生改变;零件的形状结构及生产批量、生产条件也对材料加工工艺产生重大的影响。

工艺性原则是指选材时要考虑到材料的加工工艺性,优先选择加工工艺性好的材料,降低材料的制造难度和制造成本。

各种成型工艺各有其特点和优缺点,同一材料的零件,当使用不同成型工艺制造时,其难度和成本是不一样的,所要求的材料工艺性能也是不同的。例如,当零件形状比较复杂、尺寸较大时,用锻造成型往往难以实现,若采用铸造或焊接,则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能,在结构上也要适应铸造或焊接的要求。再如,用冷拔工艺制造键、销时,应考虑材料的伸长率,并考虑形变强化对材料力学性能的影响。




经济性原则




在满足材料使用要求和工艺要求的同时,也必须考虑材料的使用经济性。经济性原则是指在选用材料时,应选择性能价格比高的材料。材料的性能就是指其使用性能。材料的使用性能一般可以用使用时间和安全程度来代表。材料价格主要由成本决定。材料的成本包括生产成本和使用成本。一般地,材料成本由原材料成本、原材料利用率、材料成型成本、加工费、安装调试费、维修费、管理费等因素决定。

钢铁材料及成型工艺选择的步骤、方法及依据

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。

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610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

金属材料耐蚀性的分类评级标准

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:

 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。

 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。

3
材料成型工艺的选择依据


一般而言,当产品的材料确定后,其成型工艺的类型就大体确定了。例如,产品为铸铁件,则应选铸造成型;产品为薄板件,则应选板料冲压成型;产品为ABS塑料件,则应选注塑成型;产品为陶瓷件,则应选相应的陶瓷成型工艺等。然而,成型工艺对材料的性能也产生一定的影响,因此在选择成型工艺中,还必须考虑材料的最终性能要求。


1)产品材料的性能


① 材料的力学性能。

例如,材料为钢的齿轮零件,当其力学性能要求不高时,可采用铸造成型;而力学性能要求高时,则应选用压力加工成型。


② 材料的使用性能。

例如,若选用钢材模锻成型制造轿车、汽车发动机中的飞轮零件,由于轿车转速高,要求行驶平稳,在使用中不允许飞轮锻件有纤维外露,以免产生腐蚀,影响其使用性能,故不宜采用开式模锻成型,而应采用闭式模锻成型。这是因为,开式模锻成型工艺只能锻造出带有飞边的飞轮锻件,在随后进行的切除飞边修整工序中,锻件的纤维组织会被切断而外露;而闭式模锻的锻件没有飞边,可克服此缺点。

③ 材料的工艺性能。

材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如,易氧化和吸气的非铁金属材料的焊接性差,其连接就宜采用氩弧焊接工艺,而不宜采用普通的手弧焊接工艺;聚四氟乙烯材料,尽管它也属于热塑性塑料,但因其流动性差,故不宜采用注塑成型工艺,而只宜采用压制烧结的成型工艺。

 材料的特殊性能。

材料的特殊性能包括材料的耐磨损、耐腐蚀、耐热、导电或绝缘等。例如,耐酸泵的叶轮、壳体等,若选用不锈钢制造,则只能用铸造成型;选用塑料制造,则可用注塑成型;如要求既耐热又耐腐蚀,那么就应选用陶瓷制造,并相应地选用注浆成型工艺。


2)零件的生产批量

对于成批大量生产的产品,可选用精度和生产率都比较高的成型工艺。虽然这些成型工艺装备的制造费用较高,但这部分投资可由每个产品材料消耗的降低来补偿。如大量生产锻件,应选用模锻、冷轧、冷拔和冷挤压等成型工艺;大量生产非铁合金铸件,应选用金属型铸造、压力铸造、及低压铸造等成型工艺;大量生产MC尼龙制件,宜选用注塑成型工艺。

而单件小批生产这些产品时,可选用精度和生产率均较低的成型工艺,如手工造型、自由锻造、手工焊,及它们与切削加工相联合的成型工艺。


3)零件的形状复杂程度及精度要求

形状复杂的金属制件,特别是内腔形状复杂的零件,可选用铸造成型工艺,如箱体、泵体、缸体、阀体、壳体、床身等;形状复杂的工程塑料制件,多选用注塑成型工艺;形状复杂的陶瓷制件,多选用注浆成形或注射成型工艺;而形状简单的金属制件,可选用压力加工或焊接成型工艺;形状简单的工程塑料制件,可选用吹塑、挤出成型或模压成型工艺;形状简单的陶瓷制件,多选用模压成型工艺。

若产品为铸件,尺寸要求不高的可选用普通砂型铸造;而尺寸精度要求高的,则依铸造材料和批量不同,可分别选用熔模铸造、气化模铸造、压力铸造及低压铸造等成型工艺。若产品为锻件,尺寸精度要求低的,多采用自由锻造成型;而精度要求高的,则选用模锻成型、挤压成型等。若产品为塑料制件,精度要求低的,多选用中空吹塑;而精度要求高的,则选用注塑成型。


4)现有生产条件

现有生产条件是指生产产品现有的设备能力、人员技术水平及外协可能性等。例如,生产重型机械产品时,在现场没有大容量的炼钢炉和大吨位的起重运输设备条件下,常常选用铸造和焊接联合成型的工艺,即首先将大件分成几小块来铸造后,再用焊接拼成大件。

又如,车床上的油盘零件,通常是用薄钢板在压力机下冲压成型,但如果现场条件不具备,则应采用其他工艺方法。例如,现场没有薄板,也没有大型压力机,就不得不采用铸造成型工艺生产;当现场有薄板,但没有大型压力机时,就需要选用经济可行的旋压成型工艺来代替冲压成型。


5)充分考虑利用新工艺、新技术、新材料的可能性

随着工业市场需求日益增大,用户对产品品种和品质更新的要求越来越强烈,使生产性质由成批大量生产变成多品种、小批量生产,因而扩大了新工艺、新技术、新材料的应用范围。

因此,为了缩短生产周期,更新产品类型及质量,在可能的条件下就大量采用精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷挤压、液态模锻、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等静压成型、复合材料成型、快速成型等新工艺、新技术、新材料,采用无余量成型,使零件近净型化,从而显著提高产品品质和经济效益。

除此之外,为了合理选用成型工艺,还必须对各类成型工艺的特点、适用范围以及成型工艺对材料性能的影响有比较清楚的了解。金属材料的各种毛坯成型工艺的特点见表3

各种毛坯成型工艺的特点

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