金屬材料選材的基本原則與方法

基本原則

       在進行材料及成型工藝的選擇時，要考慮到在該工況下材料性能是否達到要求，及用該材料制造零件時，其成型加工過程是否容易，同時還要考慮材料或機件的生產及使用是否經濟等因素即從適用性、工藝性和經濟性3個方面進行考慮。

適用性原則

       適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應工況，并能達到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件，是在進行材料選擇時首先要考慮的問題。
       材料的使用要求體現在對其化學成分、組織結構、力學性能、物理性能和化學性能等內部質量的要求上。為滿足材料的使用要求，在進行材料選擇時，主要從零件的負載情況、材料的使用環境和材料的使用性能要求三個方面考慮。零件的負載情況主要是指載荷的大小和應力狀態。材料的使用環境指材料所處的環境，如介質、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應力、廣義許用變形等。只有將以上三方面進行充分的考慮，才能使材料滿足使用性能要求。

工藝性原則

       一般地，材料一經選擇，其加工工藝大體上就能確定。同時加工工藝過程又使材料的性能發生改變；零件的形狀結構及生產批量、生產條件也對材料加工工藝產生重大的影響。
       工藝性原則是指選材時要考慮到材料的加工工藝性，優先選擇加工工藝性好的材料，降低材料的制造難度和制造成本。
       各種成型工藝各有其特點和優缺點，同一材料的零件，當使用不同成型工藝制造時，其難度和成本是不一樣的，所要求的材料工藝性能也是不同的。例如，當零件形狀比較復雜、尺寸較大時，用鍛造成型往往難以實現，若采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能，在結構上也要適應鑄造或焊接的要求。再如，用冷拔工藝制造鍵、銷時，應考慮材料的伸長率，并考慮形變強化對材料力學性能的影響。

經濟性原則

       在滿足材料使用要求和工藝要求的同時，也必須考慮材料的使用經濟性。經濟性原則是指在選用材料時，應選擇性能價格比高的材料。材料的性能就是指其使用性能。材料的使用性能一般可以用使用時間和安全程度來代表。材料價格主要由成本決定。材料的成本包括生產成本和使用成本。一般地，材料成本由原材料成本、原材料利用率、材料成型成本、加工費、安裝調試費、維修費、管理費等因素決定。

材料及成型工藝選擇的步驟、方法及依據

        材料及成型工藝的選擇步驟如下：首先根據使用工況及使用要求進行材料選擇，然后根據所選材料，同時結合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的復雜程度、零件的生產批量、現有生產條件和技術條件等，選擇合適的成型工藝。
1、選擇材料及其成型工藝的步驟、方法
       分析零件的服役條件，找出零件在使用過程中具體的負荷情況、應力狀態、溫度、腐蝕及磨損等情況。

       大多數零件都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學性能。在其他條件下使用的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學性能。如高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強度和抗氧化性；化工設備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴寒地區使用的焊接結構，應附加對低溫韌性的要求；在潮濕地區使用時，應附加對耐大氣腐蝕性的要求等。

(1)通過分析或試驗，結合同類材料失效分析的結果，確定允許材料使用的各項廣義許用應力指標，如許用強度、許用應變、許用變形量及使用時間等。
(2)找出主要和次要的廣義許用應力指標，以重要指標作為選材的主要依據。
(3)根據主要性能指標，選擇符合要求的幾種材料。
(4)根據材料的成型工藝性、零件的復雜程度、零件的生產批量、現有生產條件、技術條件選擇材料及其成型工藝。
(5)綜合考慮材料成本、成型工藝性、材料性能、使用的可靠性等，利用優化方法選出最適用的材料。

(6)必要時選材要經過試驗投產，再進行驗證或調整。

       上述只是選材步驟的一般規律，其工作量和耗時都是相當大的。對于重要零件和新材料，在選材時，需要進行大量的基礎性試驗和批量試生產過程，以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經驗來選擇材料，確定材料的牌號和規格，安排成型工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來的材料及成型工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應找出引起失效的原因，并采取相應的措施。如果是材料或其生產工藝的問題，可以考慮選用新材料或新的成型工藝。

2、選材依據

(1)負荷情況

       工程材料在使用過程中受到各種力的作用，有拉應力、壓應力、剪應力、切應力，扭矩、沖擊力等。材料在負荷下工作，其力學性能要求和失效形式是和負荷情況緊密相關的。
       在工程實際中，任何機械和結構，必須保證它們在完成運動要求的同時，能安全可靠地工作。例如要保證機床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產生過度變形。又如千斤頂頂起重物時，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態，而不允許突然彎曲。對工程構件來說，只有滿足了強度、剛度和穩定性的要求，才能安全可靠地工作。實際上，在材料力學中對材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況，或根據受力情況進行材料選擇時，除了考慮材料的力學性能外，還必須應用材料力學的有關知識進行科學的選材。

表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學性能

(2)材料的使用溫度

       大多數材料都在常溫下使用，當然也有在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。
       隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當溫度降低到一定程度時，其韌性、塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉折溫度。在低于韌脆轉折溫度下使用時，材料容易發生低應力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時，應選用韌脆轉折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。

       隨著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會發生一系列變化，主要是強度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產生影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不宜超過480℃，而合金鋼的使用溫度不宜超過1150℃。

(3)受腐蝕情況

       在工業上，一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時間內單位面積上金屬材料的損失量來表示；也可用單位時間內金屬材料的腐蝕深度來表示。工業上常用6類10級的耐蝕性評級標準，從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕，見表2。

表2 金屬材料耐蝕性的分類評級標準

       大多數工程材料都是在大氣環境中工作的，大氣腐蝕是一個普遍的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d，在需要時常涂敷油漆等保護層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。

(4)耐磨損情況

影響材料耐磨性的因素如下：

①材料本身的性能：包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導熱性、化學穩定性、表面狀態等。
②摩擦條件：包括相磨物質的特性、摩擦時的壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。

       一般來說，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性較高；如同時具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用過程中，也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會在摩擦中軟化。

3、材料成型工藝的選擇依據

       一般而言，當產品的材料確定后，其成型工藝的類型就大體確定了。例如，產品為鑄鐵件，則應選鑄造成型；產品為薄板件，則應選板料沖壓成型；產品為ABS塑料件，則應選注塑成型；產品為陶瓷件，則應選相應的陶瓷成型工藝等。然而，成型工藝對材料的性能也產生一定的影響，因此在選擇成型工藝中，還必須考慮材料的最終性能要求。

(1)產品材料的性能

①材料的力學性能。
例如，材料為鋼的齒輪零件，當其力學性能要求不高時，可采用鑄造成型；而力學性能要求高時，則應選用壓力加工成型。
②材料的使用性能。
例如，若選用鋼材模鍛成型制造轎車、汽車發動機中的飛輪零件，由于轎車轉速高，要求行駛平穩，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成型，而應采用閉式模鍛成型。這是因為，開式模鍛成型工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會被切斷而外露；而閉式模鍛的鍛件沒有飛邊，可克服此缺點。
③材料的工藝性能。
材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝；聚四氟乙烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動性差，故不宜采用注塑成型工藝，而只宜采用壓制燒結的成型工藝。
④材料的特殊性能。
材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、導電或絕緣等。例如，耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成型；選用塑料制造，則可用注塑成型；如要求既耐熱又耐腐蝕，那么就應選用陶瓷制造，并相應地選用注漿成型工藝。

(2)零件的生產批量

       對于成批大量生產的產品，可選用精度和生產率都比較高的成型工藝。雖然這些成型工藝裝備的制造費用較高，但這部分投資可由每個產品材料消耗的降低來補償。如大量生產鍛件，應選用模鍛、冷軋、冷拔和冷擠壓等成型工藝；大量生產非鐵合金鑄件，應選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成型工藝；大量生產MC尼龍制件，宜選用注塑成型工藝。
       而單件小批生產這些產品時，可選用精度和生產率均較低的成型工藝，如手工造型、自由鍛造、手工焊，及它們與切削加工相聯合的成型工藝。

(3)零件的形狀復雜程度及精度要求

       形狀復雜的金屬制件，特別是內腔形狀復雜的零件，可選用鑄造成型工藝，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等；形狀復雜的工程塑料制件，多選用注塑成型工藝；形狀復雜的陶瓷制件，多選用注漿成形或注射成型工藝；而形狀簡單的金屬制件，可選用壓力加工或焊接成型工藝；形狀簡單的工程塑料制件，可選用吹塑、擠出成型或模壓成型工藝；形狀簡單的陶瓷制件，多選用模壓成型工藝。
       若產品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成型工藝。若產品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成型；而精度要求高的，則選用模鍛成型、擠壓成型等。若產品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑；而精度要求高的，則選用注塑成型。

(4)現有生產條件

       現有生產條件是指生產產品現有的設備能力、人員技術水平及外協可能性等。例如，生產重型機械產品時，在現場沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運輸設備條件下，常常選用鑄造和焊接聯合成型的工藝，即首先將大件分成幾小塊來鑄造后，再用焊接拼成大件。
       又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機下沖壓成型，但如果現場條件不具備，則應采用其他工藝方法。例如，現場沒有薄板，也沒有大型壓力機，就不得不采用鑄造成型工藝生產；當現場有薄板，但沒有大型壓力機時，就需要選用經濟可行的旋壓成型工藝來代替沖壓成型。

(5)充分考慮利用新工藝、新技術、新材料的可能性

       隨著工業市場需求日益增大，用戶對產品品種和品質更新的要求越來越強烈，使生產性質由成批大量生產變成多品種、小批量生產，因而擴大了新工藝、新技術、新材料的應用范圍。

因此，為了縮短生產周期，更新產品類型及質量，在可能的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態模鍛、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等靜壓成型、復合材料成型、快速成型等新工藝、新技術、新材料，采用無余量成型，使零件近凈型化，從而顯著提高產品品質和經濟效益。
       除此之外，為了合理選用成型工藝，還必須對各類成型工藝的特點、適用范圍以及成型工藝對材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成型工藝的特點見表3。

表3 各種毛坯成型工藝的特點