1樓：《草原的風
選擇材料的基本原則是在首先保證材料滿足使用效能的前提下，再考慮使材料的工藝效能儘可能良好和材料的經濟性儘量合理。零件的使用價值、安全可靠性和工作壽命一般主要取決於材料的使用效能，所以選材通常以材料製成零件後是否具有足夠的使用效能為基本出發點。
一、滿足使用效能
所謂使用效能，是指材料能保證零件正常工作所必須具備的效能。它包括力學效能、物理效能和化學效能。零件的使用效能主要是指材料的力學效能，一般選材時，首要任務是正確地分析零件的工作條件和主要的失效形式，以準確地判斷零件所要求的主要力學效能指標。
1、分析零件的工作條件
在分析零件工作條件的基礎上，提出對所用材料的效能要求。工作條件是指受力形式（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉或彎扭複合等）、載荷性質（靜載、動載、衝擊、載荷分佈等）、受摩擦磨損情況；工作環境條件（如環境介質、工作溫度等）；以及導電、導熱等特殊要求。
2、判斷主要失效形式
零件的失效形式與其特定的工作條件是分不開的。要深人現場，收集整理有關資料，進行相關的實驗分析，判斷失效的主要形式及原因，找出原設計的缺陷，提出改進措施，確定所選材料應滿足的主要力學效能指標，為正確選材提供具有實用意義的資訊，確保零件的使用效能和提高零件抵抗失效的能力。
3、合理選用材料的力學效能指標
(1) 正確運用材料的強度、塑性、韌性等指標
一般情況下，材料的強度越高，其塑性、韌性越低。片面地追求高強度以提高零件的承載能力不一定就是安全的，因為材料塑性的過多降低，遇有短時過載等因素，應力集中的敏感性增強，有可能造成零件的脆性斷裂。所以在提高屈服強度的同時，還應考慮材料的塑性指標。
塑性和韌性指標一般不直接用於設計計算，而較高的δ和ψ值能削減零件應力集中處（如臺階、鍵槽、螺紋、油孔、內部夾雜等處）的應力峰值，提高零件的承載能力和抗脆斷能力。
以低應力脆斷為主要失效形式的零件，如汽輪機、電動機轉子這類大鍛件以及在低溫下工作的石油化工容器、管道等，不應再以傳統力學方法用塑性指標粗略估算，而應運用斷裂力學方法進行斷裂韌度kic和斷裂指標ki≥kic方面的定量設計計算，以保證零件的使用壽命
(2) 巧用硬度與強度等力學指標間的關係
實際零件的力學效能（如σs、σ-1、δ、ψ、ak）數值是很難測得的。由於硬度的測定方法簡單，又不損壞零件，且材料硬度與強度以及強度與其他力學效能之間存在著一定關係，所以大多數零件在圖紙上只標出所要求的硬度值，來綜合體現零件所要求的全部力學效能。一般硬度值確定的規律為：
對承載均勻，截面無突變，工作時不發生應力集中的零件，可選較高的硬度值；反之，有應力集中的零件，則需要有較高的塑性，硬度值應該適當降低；對高精度零件，為提高耐磨性，保持高精度，硬度值要大些；對相互摩擦的一對零件，要注意兩者的硬度值應有一定的差別，易磨損件或重要件應有較高的硬度值。例如，軸頸與滑動軸承的配合，軸頸應比滑動軸承硬度高；一對齧合傳動齒輪，一般小齒輪齒面硬度應比大齒輪高；螺母硬度應比螺栓低些。多數熱作模具和某些冷作模具，切削刀具等，選材時還應該考慮其較高的熱硬性要求。
4、綜合考慮多種因素
若零件在特殊的條件下工作，則選材的主要依據也應視具體條件而定，如像儲存酸鹼的容器和管路等，應以耐蝕性為依據，考慮選用不鏽鋼、耐蝕mc尼龍和聚礬等；而作為電磁鐵材料，軟磁性又是重要的選材依據；精密鏜床鏜杆的主要失效形式為過量彈性變形，則關鍵效能指標為材料的剛度；零件要求彈性、密封、減振防振等，可考慮選擇能在－50～150℃溫度範圍內處於高彈性和優良伸縮性的橡膠材料。重要的螺栓的主要失效形式為過量的塑性變形和斷裂，則關鍵效能指標為屈服強度和疲勞強度；在600～700℃工作的內燃機排氣閥可選用耐熱鋼等；汽車發動機的氣缸可選用導熱性好，比熱容大的鑄造鋁合金等。選用高分子材料（如用尼龍繩作吊具等），還要考慮在使用時，溫度、光、水、氧、油等周圍環境對其效能的影響，所以防老化則必須作為其重要的選材依據。
5、合理利用材料的淬透性
淬透性對鋼的力學效能有很大的影響，未淬透鋼的心部，其衝擊韌度、屈強比和疲勞強度較低。對於截面尺寸較大的零件、在動載荷下工作的重要零件以及承受拉、壓應力而要求截面力學效能一致的零件（如連線螺栓、鍛模等）應選用能全部淬透的鋼。對某些承受彎曲和扭轉等複合應力作用下的軸類零件，由於它們截面上的應力分佈是不均勻的，最大應力發生在軸的表面，而心部受力較小，可用淬透性較低的鋼，但要保證淬硬層深度。
焊接件等不可選用淬透性高的鋼，避免造成焊接變形和開裂。承受衝擊和複雜應力的冷鐓凸模，其工作部分常因全部淬硬，造成韌性不足而脆斷。所以選材及熱處理時，不能盲目追求材料淬透性和淬硬性的提高。
(3) 零件的力學效能指標受預期壽命的影響
壽命越長，要求的指標越高，零件的生產和使用成本也會越高，所以要辯證處理製造成本與壽命的關係。例如，對滑動軸承而言，由於軸承的結構較簡單，容易加工，更換方便，因此應把軸頸的強度和表面硬度指標規定得比軸瓦高，使軸瓦壽命短於軸，維修時只更換軸瓦，降低維護費用。
(4)工作環境對不同材料組織和效能的影響
如工程塑料、橡膠等，不僅其力學效能受環境條件的影響很大，而且其物理、化學效能也會隨環境條件的變化而變化；複合材料、梯度功能材料等是針對特殊、複雜工作環境而發展的新材料，其力學及物理、化學效能不同於一般的金屬材料和非金屬材料，所以在選材時，應充分了解其特殊性及其適用範圍。
二、兼顧材料的工藝效能
任何一個零件都要通過若干加工工序製作而成。加工的難易程度必然要影響到生產率和加工成本以及產品質量。材料的工藝效能是指材料適應某種加工的難易程度。
材料工藝性的好壞對零件的加工生產有直接的影響。良好的工藝性，不僅可保證零件的製造質量，而且有利於提高生產率和降低成本。所以工藝性也是選材必須考慮的問題。
金屬材料的工藝效能包括鑄造性、壓力加工效能、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等；零件的形狀、尺寸精度和效能要求不同，採用的成形方法也不同。
材料所要求的工藝效能與零件製造的加工工藝路線密切相關，具體工藝效能就是從工藝路線中提出的。金屬材料的加工工藝路線複雜，要求的工藝效能也較多，其中主要的有鑄造效能、鍛造效能、焊接效能、切削加工效能和熱處理工藝效能等。金屬材料的一般工藝路線和有關工藝效能如下。
1、金屬材料的工藝效能
①鑄造性
包括流動性、收縮、偏析和吸氣性等。流動性愈好、收縮愈小、偏析和吸氣性愈小，則鑄造性愈好。金屬材料中，鑄造性較好的有各種鑄鐵、鑄鋼及鑄造鋁合金和銅合金。其中以灰鑄鐵鑄造性最好。
②鍛造性
包括塑性和變形抗力。塑性愈好，變形抗力愈小，則鍛造性愈好。在碳鋼中，低碳鋼的鍛造性最好，中碳鋼次之，高碳鋼最差。
在合金鋼中，低合金鋼的鍛造性近似於中碳鋼，高合金鋼比碳鋼差。鋁合金在鍛造溫度下塑性比鋼差，鍛造溫度範圍較窄，所以銀造性不好。銅合金的鍛造性一般較好。
③焊接性
包括焊接接頭產生工藝缺陷（如裂紋、脆性、氣孔等）的傾向及焊接接頭在使用過程中的可靠性（包括力學效能和特殊效能）。含碳量<0.25腸的低碳鋼及含碳量＜。。
18 fo的合金鋼有較好的焊接性。含碳量》0.4腸的碳鋼及含碳量》0.
38腸的合金鋼焊接性較差。灰鑄鐵的焊接效能比低碳鋼差得多。銅合金及鋁合金的焊接效能一般都比碳鋼差。
④切削加工性
切削加工性一般用切削抗力的大小、零件加工後的表面粗糙度、斷屑難易及刀具是否容易磨損等來衡量，一般有色金屬很容易加工。正火狀態低碳鋼切削加工效能好，中碳鋼次之，都好於高碳鋼。不鏽鋼及耐熱合金則很難加工。
⑤熱處理工藝
包括淬透性、淬火變形開裂傾向、過熱敏感性、回火脆性傾向及氧化、脫碳傾向等。
2、金屬材料的加工工藝路線
3、金屬材料加工工藝路線的選擇
① 效能要求不高的零件
毛坯→正火或退火→切削加工→零件。
毛坯由鍛壓或鑄造獲得。這類零件效能要求不高。一般採用鑄鐵、碳鋼等製造，其工藝效能都較好。
② 效能要求較高的零件
毛坯→預先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、固溶時效成表面處理）→精加工→零件。
預先熱處理是為了改善切削加工性，併為最終熱處理作好組織準備。大部分效能要求較高的零件，如各種合金鋼、高強度鋁合金製造的軸類、齒輪等零件，均採用這種工藝路線，它們的工藝效能都需要仔細分析。
③ 效能要求高的精密零件
毛坯→預先熱處理（正火、退火）→粗車→調質→精車→去應力退火→粗磨→最終熱處理（滲氮等）→精磨→穩定化處理（時效等）→零件。
這類零件除了要求有較高的使用效能外，還要有很高的尺寸精度和小的表面粗糙度，由於加工路線複雜，效能和尺寸精度要求很高，因而零件所有材料的工藝效能應充分保證。這類零件有精密絲槓、鏜床主軸等。
三、選材的經濟性
零件選用的材料必須保證它的生產和使用的總成本最低。據有關資料統計，在一般的工業部門中，材料**要佔產品**的30%-70%。所以在能滿足使用要求的前提下，應儘可能採用廉價的材料，把產品的總成本降至最低，以便取得最大的經濟效益，使產品在市場上具有較強的競爭力。
零件總成本包括材料本身的**與生產有關的其它一切費用。
1、儘量降低材料及其加工成本
在滿足零件對使用效能與工藝效能要求的前提下，能用鑄鐵不採用鋼，能用非合金鋼不用合金鋼，能用矽錳鋼不用鉻鎳鋼，能用型材不用鍛件、加工件，且儘量用加工效能好的材料。能正火使用的零件就不必調質處理。需要進行技術協作時，要選擇加工技術好、加工費用低的工廠。
材料**要廣，儘量採用符合我國資源情況的材料，如含鋁超硬高速鋼 (w6mo5cr3v2al)具有與含鈷高速鋼（w18cr4v2co8）相似的效能，但是**便宜。9mn2v鋼不含鉻元素，效能與crwmn鋼相近，拉刀、長絞刀、長絲錐可採用來代替。
2、用非金屬材料代替金屬材料
非金屬材料的資源豐富，效能也在不斷提高，應用範圍不斷擴大，尤其是發展較快的聚合物具有很多優異的效能，在某些場合可代替金屬材料，既改善了使用效能，又可降低製造成本和使用維護費用。因此，在保證使用效能的前提下，能夠用非金屬材料代替金屬材料時，儘量使用非金屬材料。
3、零件的總成本
零件的總成本包括原材料**、零件的加工製造費用、管理費用、試驗研究費和維修費等。在金屬材料中，碳鋼和鑄鐵（尤其是球墨鑄鐵）的**比較低廉，並有較好的工藝性，所以在滿足使用效能的條件下應優先選用。低合金鋼的強度比碳鋼高，總的經濟效益也比較顯著，有擴大使用的趨勢。
此外，選材時還應考慮國家的生產和**情況，所選的鋼種應儘量少而集中，以便採購和管理。總之，作為一個設計和工藝人員，在選材時必須從實際情況出發，全面考慮使用效能、工藝效能和經濟性等方面的問題。
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