教学情境一 船机主要部件的选材
学习与训练子目标
了解船机选材的原则
工业上常用的材料主要有金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等，它们各有其特点。
金属材料具有良好的力学性能、工艺性能，主要用来制造重要的结构零件和工程构件；高分子材料强度、弹性模量、疲劳抗力、韧性等较低，但密度小，减振性良好，耐腐蚀性好，弹性变形能力强，常用于制造轻载传动齿轮、耐腐蚀的化工设备与零件和密封元件等；陶瓷材料质地硬而脆，但耐高温和耐腐蚀性良好，用于制造耐高温、耐腐蚀、耐磨的零件；新型的复合材料具有优异的性能，但价格昂贵，主要用于航天工业上的一些重要构件。
选择材料时，一般是在满足零件使用性能要求的前提下，考虑材料的工艺性能和总的经济性，并要保证环境不被污染，符合可持续发展要求。
使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件来说，机械性能是主要考虑的，一些特殊条件下工作的零件则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。设计零件进行选材时，主要根据零件的工作条件，提出合理的性能指标。
知识点一 零件工作条件分析
一个零件的使用性能指标是在充分分析了零件的服役条件和失效形式后提出的。零件的服役条件包括：受力状况——拉伸、压缩、弯曲、扭转；载荷性质——静载、冲击载荷、循环载荷；工作温度——常温、低温、高温；环境介质——有无腐蚀介质或润滑剂的存在；特殊性能要求——导电性、导热性、导磁性、密度、膨胀等。
知识点二 常用力学性能指标在选材中的应用
常用的力学性能指标是强度、硬度、塑性、韧性等。
选材时经常要问的一个问题是：强度能否抵抗服役载荷的应力。其主要判据就是强度，屈服强度在成形工序估计所需外力或考虑单个过载的影响时，都是重要的指标。硬度对估计材料的磨损抗力和钢的大致强度都很有用，最广泛的应用是作为热处理的质量保证。塑性也是材料选择中的重要因素，如某种金属拉伸时具有一定的最小伸长值，则它在服役中将不会发生脆性断裂失效。较高的塑性可对零件起到过载保护作用，使零件成形更为容易。冲击韧性的实质是表征在冲击载荷和复杂应力状态下材料的塑性，它对材料组织缺陷和温度更为敏感，是判断材料脆断的一个重要指标。
以性能指标作为判据选择材料时，应充分考虑试验条件与实际工作条件的差别；热处理工艺改变组织后对性能指标的影响；形状尺寸效应等带来实际情况与实验数据之间的偏差。所以应对手册数据进行适当修正，用零件做模拟试验可提供更可靠的选材保证。
材料工艺性能的好坏对零件加工的难易程度、生产效率高低、生产成本大小等起着重要作用，同使用性能相比，工艺性能处于次要地位，但在特殊情况下，工艺性能也可能成为选材的主要依据。高分子材料、陶瓷材料的工艺路线较简单，而金属材料的工艺路线较复杂，但适应性能很好，常用的加工方法有铸造、压力加工、焊接、切削加工等。
金属材料加工的工艺路线远较高分子材料和陶瓷材料复杂，而且变化多，不仅影响零件的成形，还大大影响其最终性能。
一、性能要求不高的一般金属材料选材的工艺路线
毛坯→正火或退火→切削加工→零件
二、性能要求较高的金属零件选材的工艺路线
毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→精加工→零件
三、性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线
毛坯→预先热处理（正火、退火）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、固溶、时效或渗碳处理等）→半精加工→稳定化处理或氮化→精加工→稳定化处理→零件。
这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。从工艺性能出发，若是铸件，最好使用成分接近共晶点的合金，常用的铸造合金中铸造铝合金和铜合金最好，铸铁次之，铸钢最差。锻件或冲压件最好使用纯金属或单相固溶体合金，铝和铜压力加工性良好，低碳钢比高碳钢好，而碳钢比合金钢好。对于焊接结构的零件，因为碳和合金元素含量越高，焊接性能越差，所以低碳钢焊接性能良好，中、高碳钢和合金钢较差。切削加工性主要取决于加工表面质量、切屑排除难易程度和刀具磨损大小，钢铁材料硬度控制在170～230HBS之间便于切削。通过热处理可改善钢铁材料的切削加工性能。机械零件最终使用性能很大程度上取决于热处理工艺，通常碳钢加热时易过热，造成晶粒粗大，淬火时易变形开裂，因此制造高强度、大截面形状复杂的零件，应选用合金钢。
思考与训练
复习本教学情境的基本知识，思考选择正确答案。
选材原则
1. 关于零件材料的选用原则的叙述，正确的是＿＿。
Ⅰ. 根据工况确定对零件的性能要求；Ⅱ. 根据性能要求初选相应的材料；Ⅲ. 可对初选的材料进行热处理调配所需的性能。
A. Ⅰ+Ⅱ B. Ⅰ+Ⅲ C. Ⅱ+Ⅲ D. Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ
2. 零件选材时应考虑＿＿。
Ⅰ. 材料的使用性能；Ⅱ. 材料的工艺性能；Ⅲ. 材料的经济性。
A. Ⅰ+Ⅱ B. Ⅱ+Ⅲ C. Ⅰ+Ⅲ D. Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ
3. 所谓合理选材，叙述正确的是＿＿。
Ⅰ. 以满足使用性能为前提；Ⅱ. 最大限度地发挥材料的潜力；Ⅲ. 力求所花的总费用最低。
A. Ⅰ+Ⅱ B. Ⅱ+Ⅲ C. Ⅰ+Ⅲ D. Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ
4. 受力零件宜选用＿＿材料。
A. 铸铁 B. 工具钢 C. 结构钢 D. 低碳钢
5. 船用柴油机连杆螺栓一般选用＿＿的材料，齿轮零件可选用＿＿的材料。
A. 高强度/高硬度 B. 高硬度/高强度
C. 淬透性高/淬透性低 D. 淬透性低/淬透性高
6. 在工程设计中，对易发生脆性断裂的重要零构件，应按＿＿进行设计。
A. 屈服强度 B. 抗拉强度 C. 断裂韧性 D. 冲击韧性
7. 形状比较复杂、尤其是有复杂内腔的零件宜选用＿＿材料。
A. 铸铁 B. 工具钢 C. 结构钢 D. 特殊性能钢
8. 焊接结构宜选用＿＿材料。
A. 铸铁 B. 工具钢 C. 结构钢 D. 低碳钢
9. 模具宜选用＿＿材料。
A. 铸铁 B. 工具钢 C. 结构钢 D. 低碳钢
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