🧰 3.5 材料的选用
机械基础 · 模块三 材料与选用实训课件

3.5 材料的选用

好钢用在刀刃上:给零件挑对“身材”

适用:中职机械、数控、机电、汽修专业 | 建议学时:2 学时(90 分钟)

齿轮? 轴? 弹簧? 45 钢 65Mn 20CrMnTi ⬇ ⬇ ⬇

🎯 学习目标(学完这节课,你能做到)

  1. 说出零件的三种失效形式:断裂、过量变形、表面损伤,并能举出车间里的例子。
  2. 认识常见钢材供应形式:钢板、钢管、钢丝、型钢,会认圆钢、角钢、槽钢、工字钢。
  3. 记住选材三原则:满足使用性能、兼顾工艺性能、考虑经济性。
  4. 会按“定要求 → 比同类 → 算关键”三步,为轴、齿轮、弹簧等常见零件选出合适材料。
  5. 能填写一张零件选材卡,写出材料牌号和热处理方法。

② 知识导入:材料选错了,会怎样?

🔧 场景一:自制传动轴“拧麻花”

学徒图便宜,用 Q235 圆钢车了一根传动轴,装上去没几天就扭弯了,零件“变形失效”。

⚙️ 场景二:铸铁轴“一声脆响”

又有人用 HT200 铸铁做轴,一次冲击就“啪”地断成两截——铸铁受拉、受冲击能力差。

💰 场景三:螺丝钉也用合金钢?

反过来,普通支架用 40CrNiMo 高级合金钢,性能是够了,可成本翻几倍,老板直摇头。

💡 选材就像买鞋:太小穿不上(性能不够会失效),太贵买不起(浪费),还要好走路(好加工)。合适的才是最好的!

③ 核心知识 · 一、零件的失效形式

失效:零件不能保证工作精度,或达不到预期的工作效果。

零件“坏了、不好用了”就叫失效。不一定是断了,变形了、磨损了、精度不够了,也算失效。
📘 专业说法
零件的失效是指零件不能保证工作精度或达不到预期工效。
🗣️ 大白话
零件“干不了活”或“干不好活”了,就叫失效。

与材料有关的失效形式有三种(这是选材的依据:选材就是为了让零件不失效):

💥 1. 断裂

零件完全断开,无法工作。是机械零件最主要的失效形式。

例:轴断、螺栓断、齿轮断齿。其中“疲劳断裂”最常见。

〰️ 2. 过量变形

受力后零件整体或局部变形过大(弹性变形、塑性变形或蠕变变形),机器不能正常工作或保证不了产品质量。

例:机床主轴弯了,加工的零件精度不合格。

🩹 3. 表面损伤

零件表面因机械和化学作用而损坏:磨损、接触疲劳(表面起麻点)、腐蚀(生锈)。

例:齿面磨薄、轴承滚道剥落、管道锈穿。

🔄 翻翻卡:失效相关术语(正面术语,背面大白话)

蠕变 = 在高温下长时间受力,零件慢慢“被拉长”,就像旧皮带越用越松。
失效形式说明材料哪方面不够选材时要重点看
断裂强度、韧性、疲劳强度不够强度 + 韧性 + 疲劳强度
过量变形强度、刚度不够屈服强度、弹性模量
表面损伤表面硬度、耐磨性、耐蚀性不够硬度、耐磨性、耐蚀性(可配合表面热处理)

③ 核心知识 · 二、钢材的供应形式

钢厂把钢水经过轧制、拉拔、挤压等压力加工,做成各种形状的型材卖给用户。去钢材市场采购,要先认识它们。

▭ 1. 钢板

按厚度分:薄板 <4 mm、中板 4~25 mm、厚板 >25 mm。窄而长、成卷供应的叫钢带。还有镀锌板、镀锡板、覆塑板。

◎ 2. 钢管

无缝钢管:冷拔或热轧成形,能承受较高压力,成本高,用于工业中高压管路。
有缝钢管(焊管):钢板卷起来焊成,用于市政、低压管道。

〰 3. 钢丝

用热轧线材拉拔而成。退火低碳钢丝软,用来捆扎;高碳钢丝做弹簧;多根捻在一起就是钢丝绳,用于吊运。

⌶ 4. 型钢

简单截面:圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢。
复杂截面:工字钢、角钢、槽钢、Z形钢、T形钢。普通型钢多用于建筑、桥梁;优质型钢用于机械零件和工具。

🔄 翻翻卡:钢材供应术语

圆钢方钢角钢槽钢工字钢 轴、销、螺栓锻件坯料支架、框架机架、车辆大梁厂房梁、桥梁
常见型钢的截面形状(看“断面”认型钢)

③ 核心知识 · 三、选用材料的基本原则

选材要兼顾使用要求、工艺要求、经济性,做到材尽其用。

材尽其用 = 每种材料都用在最合适的地方,不浪费,也不凑合。
①使用性能首要条件 ②工艺性能好不好加工 ③经济性花钱合不合算 材尽其用 铸、锻、焊、切削、热处理 材料价 + 加工费 + 寿命

🔄 翻翻卡:选材三原则

📘 专业说法
选材应兼顾使用要求、工艺要求和经济性,做到材尽其用。
🗣️ 大白话
要扛得住、做得出、花得起,三样都要顾。
① 满足使用性能(首要条件)

零件在工作中受什么力、多大力,有没有冲击、摩擦、高温、腐蚀?材料的力学性能、物理性能、化学性能要扛得住。性能不够,再便宜也不能用。

例:起重机吊钩要承受冲击,必须选韧性好的材料,不能用脆的铸铁。

② 兼顾材料的工艺性能

零件要能做得出来:形状复杂的箱体选铸铁好铸造;要焊接的结构选低碳钢好焊;大批量切削的零件选切削性好的材料。

工艺性能 = 材料“好不好加工”:好不好铸、好不好锻、好不好焊、好不好车、好不好热处理。
③ 考虑经济性

在满足使用性能的前提下,能用便宜的就不用贵的:能用碳钢就不用合金钢;能用国产常用牌号就不用稀缺材料。还要算总账:材料价格 + 加工费用 + 使用寿命。

注意:经济性 ≠ 只看材料单价。贵一点但寿命长好几倍,总体反而更省。

③ 核心知识 · 四、选材的方法和步骤

1. 两种常用选材方法

🅰 以综合力学性能为主要依据

零件受力复杂、要求强度和韧性都好(如轴、连杆、螺栓)。

常选:中碳钢或合金调质钢(45、40Cr),进行调质处理。

🅱 以磨损、疲劳强度为主要依据

零件表面摩擦大、反复受力(如齿轮、凸轮、轴颈、刀具、弹簧)。

常选:表面淬火的 45、40Cr;渗碳的 20CrMnTi;刀具用工具钢;弹簧用 65Mn、60Si2Mn。

📌 按含碳量粗选钢:要塑性、韧性好 → 低碳钢(冲压件、焊接件);要综合性能 → 中碳钢(轴、齿轮);要硬、耐磨 → 高碳钢(刀具、量具、弹簧)。

🔄 翻翻卡:选材方法术语

🔄 翻翻卡:常用材料牌号怎么读

2. 选材三步走

① 确定性能要求看工况、找失效形式 ② 比较同类零件参考成熟经验和手册 ③ 关键位置强度计算算一算够不够(技术员做) 最后确定:材料牌号 + 热处理方法
“比较同类零件”就是“抄作业”:别人用了几十年、证明好用的材料,先拿来参考,再根据自己的情况调整。

3. 选材向导:点一个零件看看怎么选

④ 实操技能:零件选材与钢材识别实训

实训任务为教师给出的零件(如减速器输出轴、直齿圆柱齿轮、压缩弹簧、机床底座)完成选材,并到材料库核对、领取材料。

器材零件图、选材卡、机械设计手册(或材料手册)、钢卷尺、游标卡尺、砂轮机(火花鉴别用)、护目镜

  1. 读图纸、问工况:看清零件名称、尺寸、技术要求(硬度、热处理),问清楚:受什么力?有没有冲击、摩擦?工作温度?
  2. 判断主要失效形式:会断?会变形?会磨损?先找出“最怕什么”,这是选材的依据,不能跳过。
  3. 确定性能要求:写出要重点保证的性能,如“强度+韧性”“表面硬、心部韧”“弹性好”。
  4. 比较同类零件、初选牌号:查手册或参考同类机器,初选 1~2 个牌号(如 45 / 40Cr)。
  5. 确定热处理:如调质、表面淬火、渗碳淬火、淬火+中温回火,并写出硬度要求。
  6. 检查工艺性和经济性:好不好加工?能不能用更便宜的材料代替?市场上好不好买?
  7. 到材料库核对实物:按“规格 + 牌号”领料(如“圆钢 Φ45,45 钢”)。认准牌号标记和端面色标,不确定时用火花鉴别复核;严禁凭外观“差不多就拿”。
  8. 测量规格、留加工余量:用卡尺量直径/厚度,下料长度要留足加工余量;搬运长料两人配合,注意安全。
  9. 填写选材卡,交老师检查:写出零件名称、工况、失效形式、材料牌号、热处理、选择理由。
零件名称工作条件主要失效形式材料牌号热处理选择理由
减速器输出轴传递转矩,有轻微冲击疲劳断裂、轴颈磨损45调质,轴颈表面淬火综合性能好,便宜,好加工
(自己填)
📏 钢材规格怎么读:圆钢 Φ40(直径40 mm);钢板 δ10(厚10 mm);钢管 Φ60×4(外径60、壁厚4);角钢 ∠50×5(边宽50、边厚5);槽钢 [10、工字钢 I20(号数≈高度的厘米数,即高100 mm、200 mm)。
🦺 钢材市场调查(课后活动):分组前往,听从带队老师安排;远离正在吊装、切割的区域;不攀爬钢材堆垛;记录钢板、管材、线材、型钢的牌号、规格和用途,写一份调查小报告。

⑤ 常见误区 & 易错坑点

零件只有断了才叫失效。
变形过大、磨损、生锈导致不能正常工作,都叫失效。
材料越贵越好,选最好的总没错。
要材尽其用:满足使用性能后,能用便宜的就不用贵的。
只要便宜就行,性能差点能凑合。
使用性能是首要条件,性能不够会失效,返工、停机更费钱。
经济性就是看材料单价。
要算总账:材料价 + 加工费 + 使用寿命。
选完牌号就行了,热处理不用管。
同一种 45 钢,调质、表面淬火、不处理,性能差很多。选材 = 牌号 + 热处理,要一起写。
铸铁硬,做轴更结实。
灰铸铁抗拉、抗冲击差,受冲击的轴、吊钩不能用;铸铁适合受压、减振的床身、底座。
低碳钢便宜,什么零件都可以用它。
低碳钢强度、硬度低,受力大、要耐磨的零件不能直接用(除非渗碳淬火)。
钢板 30 mm 叫中板。
厚度超过 25 mm 是厚板;4~25 mm 中板;小于 4 mm 薄板。
有缝钢管和无缝钢管随便换。
中高压管路必须用无缝钢管;有缝钢管只用于低压管道。
领料时外观差不多就拿。
不同牌号的钢外观几乎一样,必须核对牌号标记、色标,必要时火花鉴别。

⑥ 课堂小练习

🎮 热身游戏:选材连连看(对了跳一跳,错了抖一抖)

✍️ 选择 / 判断题

点击选项作答,马上显示对错和解析。全部做完看总分。

得分:0 / 0

⑦ 小结:一页记住

⑧ 拓展小知识:岗位上的选材

🚗 汽修岗:一辆车上的“材料地图”
零件常用材料为什么
车身外板低碳钢薄板(镀锌)塑性好、好冲压、好焊接、防锈
变速箱齿轮20CrMnTi 渗碳淬火齿面耐磨,心部抗冲击
曲轴45钢、QT700-2反复受力,要强度和抗疲劳
刹车盘灰铸铁 HT250耐磨、散热好、减振、便宜
气门弹簧弹簧钢(如 60Si2Mn)弹性好、抗疲劳
轮毂铝合金轻、散热好
🛠️ 数控 / 机电岗:“以塑代钢”“以铝代钢”

为了减轻重量、降低成本,很多零件改用新材料:仪表外壳、小齿轮用工程塑料(尼龙、ABS);机器人手臂、无人机机架用铝合金或碳纤维复合材料。选材不是一成不变的,要跟着技术进步走。

♻️ 选材也要讲“绿色”

现在选材还要考虑能不能回收、加工时污不污染。钢、铝都可以回炉重炼;尽量少用含铅、含镉等有害元素的材料。这也是“经济性”的一部分:对社会的长远成本。