选材的基本原则与方法

11.2　选材的基本原则与方法

研究和制造有竞争性的优质产品，最重要的要求之一就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合。由于所能采用的材料和加工方法很多，因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断、优化过程。毫无疑问。所选材料应满足产品使用的需要，经久耐用，易于加工，经济效益高，因此选材一般应遵循三个基本原则：使用性能、工艺性能和经济性能。在大多数情况下，使用性能是选材的首要原则与依据，然后再综合考虑工艺性能和经济性能，得出优化结果。

1．使用性能原则

使用性能是保证零部件完成指定功能的必要条件。使用性能是指零部件在工作过程中应具备的力学性能、物理性能和化学性能，它是选材的最主要依据。对于零部件的使用性能的要求，是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出的。根据使用性能，选材的步骤如下：

（1）分析零件的工作条件，确定使用性能

零部件的工作条件是复杂的。工作条件分析包括受力状态（拉、压、弯、剪切）、载荷性质（静载、动载、交变载荷）、载荷大小及分布、工作温度（低温、室温、高温、变温）、环境介质（润滑剂、海水、酸、碱、盐等）、对零部件的特殊性能要求（电、磁、热）等。在对工作条件进行全面分析的基础上确定零部件的使用性能。例如，曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件，它在工作时，受汽缸中周期性变化的气体压力，曲轴连杆机构的惯性力，扭转和弯曲应力及冲击力等。因此要求曲轴具有高的强度，一定的冲击韧性和弯曲、扭转疲劳强度，在轴颈处要有高的硬度和耐磨性。

（2）分析零件的失效原因，确定主要使用性能

对零部件使用性能的要求，往往是多项的。因此，需要通过对零部件失效原因的分析，找出导致失效的主导因素，准确地确定出零部件所必需的主要使用性能。例如，曲轴在工作时承受冲击、交变载荷作用，而失效分析表明，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂，而不是冲击断裂，因此应以疲劳抗力作为主要使用性能要求来进行曲轴的设计。制造曲轴的材料也可由锻钢改为价格便宜、工艺简单的球墨铸铁。表11-9列出了几种常见零部件的工作条件、失效形式及对性能的要求。

表11-9　一些常用零件的工作条件、主要失效形式及主要力学性能指标

（3）将对零部件的使用性能要求转化为对材料性能指标的要求

明确了零件的使用性能后，并不能马上进行选材，还要把使用性能的要求，通过分析、计算量化为具体数值，再按这些数值从手册的材料性能数据的大致应用范围选材。常规的力学性能指标有硬度、强度、塑性和冲击韧性等。对于非常规的力学性能指标如断裂韧性KIC及腐蚀介质中的力学性能指标，可通过模拟试验或查找有关资料相应的数据进行选材。按力学性能指标选材需要注意以下几个问题：

①材料的尺寸效应　标准试样的尺寸一般是较小的，确定的，而零件的尺寸一般是较大的、各不相同的。零件的尺寸越大，则其内部可能存在的缺陷数量就越多，最大的缺陷尺寸也就越大；零件的工艺性能也随之恶化，特别是热处理性能降低，如淬透性低的钢材就不易在整个截面上得到均匀一致的性能；零件在工作时的实际应力状态也将复杂恶劣，如大尺寸零件的应力状态较硬。所有的这一切都将使实际零件的力学性能下降，这就是尺寸效应。

②零件的结构形状对性能的影响　实际零件的油孔、键槽及过小的过渡圆角之处，通常存在着较大的应力集中，且其应力状态变得复杂，这也使得零件的性能低于试样的性能。如正火45钢的光滑试样的弯曲疲劳极限是280MPa，用其制造带直角键槽的轴，其弯曲疲劳极限则为140MPa。

③零件的加工工艺对性能的影响　材料性能是在试样处于确定状态下测定的，而实际零件在其制造过程中所经历的各种加工工艺有可能引入内部或表面缺陷，如铸造、焊接、锻造、热处理缺陷以及磨削裂纹和切削刀痕等，这些缺陷都将导致零件的使用性能降低。

2．工艺性原则

材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。任何零件都是由所选材料通过一定的加工工艺制造出来的，因此材料的工艺性能的好坏将直接影响到零件的质量、生产效率和成本。所选材料应具有好的工艺性能，即工艺简单、加工成型容易，能源消耗少，材料利用率高，产品质量好。其中金属材料的工艺性能主要是铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能、切削加工工艺性能等。

（1）铸造性能　材料的铸造性能一般按流动性、收缩特点和偏析倾向等综合评定。成分接近共晶点的合金的铸造性能最好，例如铝硅明、铸铁等。一些承受不大、受力简单而结构复杂，尤其是一些有复杂内腔结构的零部件，如机床床身、减速器机壳体、发动机汽缸等，应选用含有共晶体的铸铁、铸造铝合金等材料。

（2）压力加工性能　压力加工的方法很多，大体上可分为两类：热加工，主要有热锻、热挤压等；冷加工，主要有冷冲压、冷镦、冷挤压等。在选材时，承受较大、受力复杂的构件，如重要的轴、内燃机连杆、变速箱齿轮等，应选用中、低碳钢或合金结构钢、锻铝等具有良好可锻性的材料进行锻造成型，并进行必要的热处理，以强化组织、提高力学性能。许多轻工业产品一般承载不大，但要求色泽美观、质量轻而且批量大，如自行车、家用电器上的金属零件，宜选用塑性优良的低碳钢、有色合金，以便冷压成型，并进行必要的表面防护，装饰处理。

（3）焊接性能　在机械工业中，焊接的主要对象是各种钢，其焊接性能可大致由碳当量来评价。当碳当量超过0.44%时，焊接性能大大恶化，因此钢的含碳量越高、合金元素含量越高，则焊接性能越差。碳当量过高的钢，不宜采用焊接成型法来制造零件毛坯。许多容器、输送管道、蒸汽锅炉等产品以及某些工程结构，一般体积较大，要求气密性好，能承受一定的压力，应选择低碳钢、低合金钢等可焊接性好的材料焊接成型。铝合金、钛合金极易氧化，需要在保护气氛中焊接，焊接性能不好。

（4）机械加工性能　各种机械加工，主要是切削加工及磨削加工，是工业中应用最广的一种金属加工方法。绝大多数机器零件都要进行切削加工，应选用硬度适中（170～230HBS）、可切削性好的切削铝及其合金的切削加工性就好、而奥氏体不锈钢及高速钢的加工性能却很差。当材料的切削加工性差时，可采用必要的热处理以调整它的硬度，或改进切削加工工艺，才能保证切削质量。

（5）热处理工艺性能　许多金属构件都要进行热处理，尤其是进行淬火和回火处理，才能达到所要求的力学性能。因而选材时不能忽视热处理的工艺性能，特别是淬透性。对于要求整体淬透而截面较大的零件，应选用淬透性高的合金钢；形状比较复杂的对热处理变形要求严格的工件，也应选用淬透性杆合金钢，采用缓慢的冷却方式，以减小淬火变形；而对于只需要表层强化或形状简单的工件，则可以选用淬透性较低的材料。

选材时，与使用性能相比工艺性能处于次要地位，但在某些特殊情况下，工艺性能也可成为选材考虑的因素。以切削加工为例，在单件小批量生产的条件下，材料切削加工性能的好坏并不重要，而在大批量生产条件下，切削加工性便会成为选材的决定性因素。例如某厂曾试制一种25SiMnWV钢作为20CrMnTi钢的代用材料，虽然它的机械性能比20CrMnTi高，但其正火后硬度高，切削加工工艺差，不能适应大批量生产，故未被采用。

3.经济性原则

除了满足使用性能与工艺性能外，选材应能使零件在其制造及使用寿命内的总费用最低，这就是选材的经济性原则。一个零件的总成本与零件寿命、零件重量、加工费用、研究费用、维护费用和材料价格有关。

从产品制造成本构成比例看，机械产品成本中，材料成本占很大比例，降低材料成本对制造者和使用者都有利。所以在材料选择时，应从满足使用性能要求的所有材料中选择材料价格较低的。在金属材料中，碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此，在满足零件机械性能的前提下选择碳钢和铸铁（尤其是球墨铸铁），不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。低合金钢由于强度比碳钢高，总的经济效益比较显著，有扩大使用的趋势。此外，所选材料应尽量少而集中，以便于采购和管理。

从产品的寿命周期成本构成看，降低使用成本比降低制造成本更为重要，一些产品制造成本虽然较低，但使用成本较高，运行维护费用占使用成本的比例较大，所以减轻产品零部件的自重，降低运行能耗，同样是选择材料应考虑的重要因素。有时所选材料的制造成本较高，但其寿命长，运行维护费用低，反而使总成本降低。例如汽车用钢板，若将低碳优质碳素结构钢改为低碳低合金结构钢，虽然钢的成本提高，但由于钢的强度提高，钢板厚度可以减薄，用材总量减少，汽车自重减少，寿命提高，油耗减少，维修费减少，因此总成本反而降低。

随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。由于我国Ni、Cr、Co资源缺少，应尽量选用不含或少含这类元素的钢或合金。另外，还要注意生产所用材料的能耗，尽量选用耗能低的材料，例如为保证使用性能而选择非调质钢代替调质钢，既节省了能源，又减少了环境污染。

4.选材的基本方法

零件材料的选择通常可按以下步骤进行：

（1）分析零件的工作条件和失效形式，根据分析结果提出零件的最关键的性能，同时考虑其他的性能要求。

（2）对同类零件的用材情况和失效形式进行调查研究，这样可从其使用性能、原材料状况和加工工艺等方面分析其选材是否合理，以便作为选材时的参考。

（3）通过分析计算，确定零件应具有的主要力学性能判据，在特定条件下，还要考虑物理、化学性能判据。

（4）在以上工作的基础上，进行材料的预选择，此时不局限于选择一种材料，可提出多种用材方案，以便比较。

（5）对预选择的材料，在经过工艺性、经济性分析后，进行综合评价，应采用定性与定量相结合的方法。由此可确定零件所用材料的牌号，并同时决定零件的热处理方法或其他强化处理方法。

（6）必要时，对于重要的零件应在投产前先进行有关试验，如实验室试验、台架和工艺试验等，初步检验所选择材料和热处理方法是否满足所设计的性能判据要求，以及零件加工过程有无困难。试验结果基本满意后再进行正式投产。

上述选材步骤只就一般过程而言，并非一成不变。实际工作中，往往根据具体情况，侧重于其中某个或某些步骤，因而形成了以下几种选材方式。

（1）经验法

它是根据以往生产相同零件时选材的成功经验，或者根据有关设计手册对此类零件的推荐用材作为依据来选材。此外，在国内外已有同类产品的情况下，可通过技术引进或进行材料成分与性能测试，套用其中同类零件所用的材料。

（2）类比法

通过参考其他种类产品中功能或使用类似条件，且实际使用良好的零件的用材情况，经过合理的分析、对比后，选择与之相同或相近的零件。

（3）替代法

在生产零件或维修机械更新零件时，如果原来所选用的材料因某种原因无法得到或不能使用，则可参照原用材料的主要性能判据，另选一种性能与之近似的材料。为了确保零件的使用安全性，替代材料的品质和性能一般不低于原用的材料。

（4）试差法

如果是新设计的关键零件，应按照上述选材步骤的全过程进行，如果试验材料结果未能达到设计的性能要求，应找出差距，分析原因，并对所选材料牌号或热处理方法加以改进后再进行试验，直至其结果满足要求，并根据此结果确定所选材料及其热处理方法。

所选择的材料是否能够很好地满足零件的使用和加工要求，还有待于在实践中作出试验，因此，选材的工作不仅贯穿于产品的开发、设计、制造等各个阶段，而且还要在使用过程中及时发现问题，不断加以改进。