對(duì)任何零件都是用不同的工程材料經(jīng)過(guò)各種加工工藝制造出來(lái)的，因此材料的工藝性即加工零件的難易程度，自然是設(shè)計(jì)、加工所必須考慮的問(wèn)題。
1.各類工程材料的工藝性能
對(duì)材料工藝性能的要求與生產(chǎn)零件的加工工藝路線有密切的關(guān)系，工藝性能的具體要求就是從工藝路線中提出來(lái)的，下面簡(jiǎn)介各類材料的一般工藝路線及有關(guān)的工藝性能。
(1)金屬材料的工藝性能 精密加工金屬制件的工藝路線如圖1-3所示，由圖1-3看出，金屬材料加工成零件的主要加工工藝有五類，即鑄造、塑性成形加工、焊接、切削加工和熱處理。前三類是毛坯成形工藝，切削加工是***終成形工藝，熱處理則安排在各工序之間，以改善切削加工性能和使零件達(dá)到所要求的力學(xué)性能等，有的熱處理工藝安排在***后工序以達(dá)到加工零件***后的性能和精度要求。零件所用的材料不同，其加工工藝路線也不同，對(duì)材料工藝性能的要求也不同。
1)鑄造性能 鑄造性能包括熔化溫度、流動(dòng)性、縮孔性質(zhì)、偏析等。由于共晶成分的合金熔化溫度低、流動(dòng)性較***、形成集中縮孔、偏析傾向小因而鑄造性能******。鑄造合金大多為共晶成分的合金或接近共晶成分的合金。
由于鑄態(tài)組織較粗大及存在各種鑄造缺陷(如疏松、氣孔、偏析、夾雜等)，一般來(lái)說(shuō)，鑄件的力學(xué)性能低于材料成分相同的鍛件。因而鑄造工藝適用于制造形狀復(fù)雜、壁薄而性能要求不高的零件(如箱體、支架等)。常用的幾種金屬材料的鑄造性能如表1-4所示，可以看出，灰鑄鐵、鋁合金的鑄造性能******，應(yīng)用***廣。采用金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造和壓鑄等鑄造方法，可鑄造出精密的鑄件。
2)塑性成形 加工性能塑性成形加工分為熱塑性成形加工(如鍛造、壓軋、熱擠壓等)和冷塑性成形加工(如冷沖壓、冷擠壓等)兩類。
熱塑性成形加工是指材料加熱到某一定溫度(高于再結(jié)晶溫度)時(shí)進(jìn)行的塑性成形加工，其塑性成形加工性是指變形抗力、變形能力、加熱溫度等。低、中碳鋼具有較***的熱塑性成形加工性能，高碳鋼和合金鋼尤其是高碳高合金鋼熱塑性成形加工性能較差。鋼合金熱塑性成形性能一般。鋁合金由于鍛造溫度范圍窄熱塑性成形加工性能并不***。熱塑性成形加工可使材料致密、成分均勻、金相組織細(xì)化，成形后可提高材料的性能。在熱塑性成形加工的鋼制件中，雜質(zhì)按一定的方向分布，形成所調(diào)纖維組織。纖維組織分布的方向?qū)αW(xué)性能有較大的影響。試驗(yàn)證明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)式彎曲疲勞試樣的軸線與纖維組織方向垂直時(shí)，鋼的疲勞極限比纖維組織成軸向的試樣下降30%。說(shuō)明合理的鍛造工藝可使纖維組織與應(yīng)力方向一致，因而可提高零件的性能。所以像曲軸、連桿、齒輪等在交變載荷下工作的零件不用棒料直接切削加工，而是先將棒料鍛造成毛坯，使纖維方向與主應(yīng)力方向相一致。
冷塑性成形加工一般是在常溫下進(jìn)行，其加工成形性是指變形能力、變形抗力、硬化指數(shù)鋼的焊接性能與鋼的成分密切相關(guān)，等。低碳鋼、銅合金和鋁合金等，其硬度低、變形抗力小、變形能力大，冷塑性成形加工性能***。冷塑性成形后材料的硬度、強(qiáng)度提高，而塑性、沖擊韌度下降，這是由于形變引起強(qiáng)化的結(jié)果，故冷塑性成形加工也是提高這類材料力學(xué)性能的重要手段。
3)焊接性能焊接性能是指焊接時(shí)形成冷裂、熱裂以及形成氣孔的傾向，焊接性能也和接區(qū)的性能***壞有關(guān)。
鋁合金由于線膨脹系數(shù)大，易吸氫等原因，焊接后易形成氣孔、收縮大易形成裂紋，故它們的焊接性能并不***。采用鎢極氣體保護(hù)焊可獲得***良的焊接接縫。
近幾十年發(fā)展起來(lái)的電子束焊接已在民用工業(yè)中得到應(yīng)用，它的焊接速度快，焊縫非常窄，且熔透層深，使焊接變形盡可能減小，可用于精密焊接。激光焊是用聚集的激光束進(jìn)行焊接、焊接速度快，變形小，也是一種新發(fā)展的精密焊接方法。
4)切削加工性能切削加工性能是指切削的難易程度和加工的表面質(zhì)量，通常可由四個(gè)方面進(jìn)行衡量：切削時(shí)消耗的動(dòng)力；刀具的磨損；表面粗糙度；切屑的形態(tài)。切削加工性能的高低常用“切削加工性能指數(shù)來(lái)表示，該指數(shù)越高，切削加工性能越***。表1-5中列出了一些材料加工性能指數(shù)，可以看出，鋁及鋁合金具有***良的切削加工性能。
切削加工性能與所加工材料的硬度有密切關(guān)系，***適合切削加工的硬度范圍為170~230HBS。若硬度過(guò)低， 切削時(shí)金屬易粘刀而形成切削瘤， 加工后零件表面粗糙度高； 硬度過(guò)高，則切削抗力大，刀具磨損量也大，使加工變得困難。被加工材料的金相組織對(duì)切削加工性也有很大的影響，當(dāng)組織中含有大量硬而脆的化合物，尤其是含有大片狀、網(wǎng)狀、針狀化合物時(shí)，切削加工困難，這種情況可通過(guò)熱處理等工藝來(lái)改善組織，以利于切削加工。
5)熱處理工藝性能熱處理是通過(guò)對(duì)金屬制件加熱、保溫和冷卻過(guò)程，改變材料的組織從而獲得所需性能的工藝。鋼可以通過(guò)各種熱處理工藝在較大范圍內(nèi)改變鋼的性能，所以鋼的熱處理工藝性能是十分重要的。鋼的熱處理工藝性能包括淬透性、變形開(kāi)裂傾向、過(guò)熱敏感性、回火穩(wěn)定性及氧化、脫碳傾向等，其中***重要的是淬透性。
淬透性是鋼在淬火時(shí)獲得淬透層深度的能力。鋼的淬透性對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)很重要。例如用淬透性不同的兩種鋼材制成相同直徑的軸，進(jìn)行淬火(淬火介質(zhì)為水)后再經(jīng)高溫回火(或總稱調(diào)質(zhì)處理)，比較其力學(xué)性能如圖1-5所示。淬透性高的鋼制軸整個(gè)截面被淬透，淬火后由表面至中心的組織全為馬氏體，回火后為回火索氏體(滲碳體呈細(xì)顆粒狀)，由表面至中心的力學(xué)性能是相同的，回火索氏體有較高的沖擊韌度和強(qiáng)度，如圖1-5a所示；淬透性低的鋼制軸心部沒(méi)淬透(圖1-5b中影線部分所示)，調(diào)質(zhì)處理后，只有表層的組織為回火索氏體，而未淬透的心部為-HRC片狀索氏體，其強(qiáng)度尤其是沖擊韌度較低，如圖1-5b所示。對(duì)于承受拉、壓下工作的重要零件，如螺栓、拉桿、鍛模等常常要求全部淬透。車刀、鉆頭等切削工具由于不斷磨刃也要求全部淬透。對(duì)于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的軸類零件，由于***大表面表面應(yīng)力分布于外層，淬透層深度為半徑的1/3~1/2就可滿足要求了。
為了便于測(cè)量，一般規(guī)定從表面至半馬氏體淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)區(qū)(組織中馬氏體體積分?jǐn)?shù)為50%處)的距離為淬后力學(xué)性能的比較透層深度。
淬透性常用端淬法測(cè)得的淬透性曲線表示。圖1-6是40、40Cr、40CrNiMo三種鋼的淬透性曲線。已知40、40Cr和40CrNiMo三種鋼的半馬氏體的硬度分別為40HRC、45HRC和45HRC，可以由圖上查出三種鋼半馬氏體區(qū)處至水冷端的距離，分別為3.5mm、6mm和7.5mm，距水冷端的距離越大表明鋼的淬透性越***， 對(duì)比三種鋼的淬透性可知， 40CrNiMo鋼的淬透性******，合金鋼比碳鋼的淬透性***。當(dāng)零件要求淬透層深度一定時(shí)，采用合金鋼就可以用較低的冷卻速度進(jìn)行淬火得到所需的力學(xué)性能，而產(chǎn)生裂紋和變形的危險(xiǎn)性將減少。
(2)工程陶瓷材料的工藝性能 工程陶瓷材料的加工工藝路線如圖1-7所示，與金屬材料工程塑料的加工工藝路線如圖1-8所示。從圖中可以看出，其相比其工藝路線比較簡(jiǎn)單。工程陶瓷是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)等工藝特別制取的某些化合物(常用的有氧化鋁、碳化硅、氮化硅等)粉料，經(jīng)不同的成形工藝(見(jiàn)表1-7)和燒結(jié)工藝(見(jiàn)表1-8)而制成。陶瓷材料的性能是由原材料的成分、粉料粒度、成形工藝和燒結(jié)工藝所決定的。經(jīng)燒結(jié)后陶瓷的性能基本不變，成形加工后只需機(jī)械加工即可成為零件，由于陶瓷材料很硬，而且很脆，只能用碳化硅或金剛石砂輪進(jìn)行磨削加工或采用電子束、激光、超聲波等特種加工進(jìn)行加工。由于陶瓷材料對(duì)缺陷和應(yīng)力集中都很敏感，故陶瓷件的表面粗糙度比金屬件要求的要嚴(yán)，所以有些陶瓷零件磨加工后，還要求研磨或拋光。
(3)工程塑料的工藝性能工藝路線也是比較簡(jiǎn)單的。塑料成形后可進(jìn)行機(jī)械加工。
塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料的特點(diǎn)是，受熱時(shí)軟化，冷卻后變硬，這一過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行，可以多次成形，廢品可以回收利用。熱固性塑料的特點(diǎn)是，受熱時(shí)軟化，但加熱到--定溫度范圍并經(jīng)歷一定的時(shí)間后，由于它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而固化。再加熱時(shí)不再軟化，如果溫度過(guò)高則分解，只能塑制成形一次。不同類型的塑料其成形工藝是不同的，熱塑性塑料的成形過(guò)程(從加料到塑制件的獲得)多數(shù)是連續(xù)的，成形的方法多采用注射成形和擠壓成形。熱固性塑料多數(shù)是間歇的，成形的方法多采用模壓成形和鑄壓成形。塑料切削加工性能較***，與金屬材料基本相同。由于它的導(dǎo)熱性較差，在切削過(guò)程中熱量不易散出，使工件表面溫度急劇升高，使其燒焦(熱固性塑料)或變軟(熱塑性塑料)致使加工時(shí)變形較大，這一點(diǎn)在加工時(shí)要特別引起注意。
