工业部件在制造和使用中对金属材料的选择

中图分类号：TB3文献标识码：A 文章编号：1671－7597 (2008) 0120047－01

一、前言

在机械制造行业，首先面临的问题就是金属材料的选择问题。由于任何材料都不可能同时具备各个方面的优良性能，因此，金属材料的选择问题实质上就是用其所长，避其所短。具体地说，就是通过分析零件的工作条件、失效形式、经济成本、制造工艺等几方面的要求，进而做出最理想的选择。

二、金属材料的选择原则

（一）性能使用性原则

根据零件的工作环境条件、力学负荷条件，材料的性能指标来选择相应的金属材料。一般来说，不同的钢种都是为满足一定的性能而设计的，其化学成分、性能指标都有一定的标准，因此可根据材料力学所计算的性能指标来选择相应的金属材料。需要指出的是，一般情况下不可能正好找到最适合的材料，那么可以选择较高一级的材料。

（二）失效性选择原则

任何机件在服役过程中，经过一定时间后，产生了一定的破坏现象，使其不能继续正常地工作，或达不到预期要求，或变得不安全可靠，丧失了原有的功能，这种现象就是失效。分析该材料的零件如何失效，失效的主要原因，重新选择材料。

（三）加工工艺选择原则

任何金属材料制造的零件或部件，都是通过不同的加工工艺、采用不同的加工设备制造出来的。那么在考虑材料价格的同时，必须考虑加工成本，特别是当零件的体积比较小时更是如此。因此，在这种情况下，应该充分考虑材料的工艺加工性，以降低加工成本。

三、高温环境的金属材料

（一）粉末高温合金

粉末高温合金是20世纪60年代诞生的新一代高温合金，由于用精细的金属粉末作为成形材料，经过热加工处理得到的合金组织均匀，无宏观偏析，而且具有屈服强度高和疲劳性能好等一系列优点。经过近40年的发展，目前已经历第一代、第二代和第三代的研制历程。第三代所追求的性能指标是强度在第一代与第二代之间，裂纹扩展速率比第二代更低，且使用温度高于前两代。近年来，随着热等静压、挤压和等温锻造等成形工艺的逐渐成熟以及计算机模拟技术的发展，粉末高温合金的研制周期明显缩短，手段更为先进，性能不断提高。

（二）粉末高温合金的发展已经进行了近40年，今后具体发展方向可分为以下几个方面

1．粉末制备。粉末的制备包括制粉和粉末处理。目前，主要制粉工艺包括氩气雾化（AA）和等离子旋转电极法（PREP）都在积极改进，尽量降低粉末粒度和杂质含量。沿着制造超纯净细粉方向发展。另外，对粉末进行真空脱气和双韧化处理，提高压实盘坯的致密度和改善材料的强度和塑性，也是一个重要的研究内容。

2．热处理工艺。热处理工艺是制备高性能粉末高温合金的关键技术之一，由于在淬火过程中开裂问题经常发生，因此，如何选择合适的淬火介质或者合理的冷却曲线降低淬裂几率是热处理过程中的重要技术环节。如可以选择比水、油或盐浴更佳冷却速度的喷射液体或气体快冷，以及采用两种冷却介质匹配形成高温区冷却速度慢低温区冷却速度快的冷却曲线，还有可以采用二级盐浴冷却等，希望从根本上消除淬火开裂问题，得到低变形、无开裂的高性能粉末高温合金，有以下几种：

（1）Ti-6Al-4V合金

低Mo当量α2β型两相合金Ti-6Al-4V，在三类合金中β稳定系数最低（只有0.27），而铝当量则最高（达到6）。所以在退火状态的β相含量只有7%（体积分数）。它的优点是密度最低，强度和疲劳性能最好，成分最简单，半成品成本最低。但由于室温塑性没有达到足够高，所以加工紧固件时需要采用感应加热进行热镦成形，以及真空固溶处理加时效处理，加工成本较高。

（2）亚稳定β合金

第二类为β合金（如TB2，TB3，TB5，TB8等），与α2β型合金完全不同，β稳定系数很高，在1.15～1.97范围内，而铝当量则降低到3左右。所以在固溶处理时可以获得单一β相，从而能在室温下冷镦成形螺栓和铆钉，加工成本低。缺点是密度高，强度虽与Ti-6Al-4V相当，但疲劳性能不如Ti-6Al-4V，而且成分复杂，半成品成本高。由于同样需要进行真空时效处理，所以成品紧固件的成本仍要高于Ti-6Al-4V，而使用温度也比Ti-6Al-4V低。

（3）BT16合金

BT16合金成分设计独特。该合金铝当量与第二类β合金一样（达到3）。相对于第一类的Ti-6Al-4V合金，Al的固溶强化减弱。但由于BT16合金较高的Mo当量弥补了Al含量的不足，使得该合金在退火状态下具有高塑性，同时保持了较高的强度（σb>815MPa）。

四、使用情况

1．采用B T16 钛合金制造冷变形强化紧固件的工作量和成本最低，该合金紧固件可在160 ℃以下无限期使用。如采用固溶时效状态的B T16钛合金紧固件，长期工作温度可达350 ℃。

2．采用热镦和真空固溶时效处理制造的Ti-6Al-4V 紧固件的密度最低，强度和疲劳性能最好，可在400 ℃以下长期使用。

3．采用β合金制造的螺栓综合水平要比B T16和Ti-6Al-4V紧固件低，但可用其冷镦铆钉并在需要的场合使用。

五、结论

选择金属材料时，应遵循的综合原则是：首先满足零件的使用性能要求，同时兼顾金属材料的工艺性和经济性。合金钢由于含有合金元素，其生产比碳钢复杂，价格较高；因此，在使用碳钢能满足要求时，原则上不应采用合金钢。在确定零件的使用性能时，应从零件结构、工作条件、零件形状及尺寸、加工精度、生产批量等方面加以综合考虑。一般来说，对于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，应选择易塑变材料；承受负荷大的零件，应选择高强度材料；承受摩擦和磨损的零件，应选择高硬度、耐磨性材料；承受冲击负荷大的零件，应选择高韧性材料；承受交变负荷大的零件，应选择高疲劳强度材料；既承受摩擦和磨损、又承受负荷大的零件；应选择高韧性材料，同时对该材料进行表面处理以增加表面所不具备的耐磨性能等等。

参考文献：

[1]张义文，俄罗斯粉末高温合金[J].钢铁研究学报，1998，10（3）.74-76.

[2]邹金文，汪武祥，粉末高温合金研究进展与应用[J]，航空材料学报，2006，26（3），244-250.

[3]胡本芙，陈焕铭，金开生等，FGH95 高温合金的静态再结晶机制[J]，中国有色金属学报，2004，14（6），901-906.

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