全屏显示专题章节

设计、生产零件时可选用的材料，首先必须满足零件在具体工作条件下具有一定的工作寿命，其次必须适应制造该零件的各种加工工艺要求，还要考虑零件的生产成本和经济效益。所以，材料选用一般原则：必须满足零件的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性能和经济性。

材料的使用性能应满足产品零件的工作条件要求，是选材时首先要考虑的问题，因为材料使用性能的好坏是决定产品零件使用价值和工作寿命的主要因素。如果材料的使用性能不能满足零件工作条件要求，就会造成机械零件或设备的早期损坏，甚至造成严重的人身、设备事故，因此，正确选用性能合乎要求的材料是一个不容忽视的问题。

金属材料的使用性能包括力学性能和物理化学性能两个方面。力学性能主要包括强度、硬度、刚度、塑性、韧性、疲劳强度等；物理化学性能主要包括密度、导热性、导电性、磁性、耐热性、耐腐蚀性等。一般机械零件使用时只要考虑其中的力学性能和耐热性、耐腐蚀性等。

零件的工作条件不同，其对材料使用性能的要求也不同，选材时首先应根据零件的工作条件，分析其可能的失效（即损坏）形式，找出零件对材料的主要性能要求，才能有针对性地选择出合适的材料，满足零件的工作条件要求，保证产品零件正常运转，经久耐用。

合理地选用金属材料的力学性能指标是十分重要的，选材时必须注意以下几个问题。

（1）充分考虑尺寸效应对力学性能的影响。钢材截面大小不同，即使热处理相同，其力学性能也是有很大差异的。截面尺寸越大，尺寸效应越明显，尺寸效应除与大截面材料内部产生的冶金缺陷的可能性增大有关外，还与钢材的淬透性有着密切的关系。表9－1所示的是几种钢在调质时的尺寸效应实例。

由表9－1可知，淬透性低的钢（如碳钢）尺寸效应比较敏感，当截面尺寸增大时，力学性能显著下降，而淬透性高的钢（如合金钢）尺寸效应较小。

（2）综合考虑材料强度、塑性、韧性的合理配合。通常机械零件强度设计是以屈服强度σ_s为依据（脆性材料用抗拉强度σ_b），提高强度指标可以减轻机器的自重，延长使用寿命，但一般会使塑性、韧性有不同程度的降低，当过载时，零件就会有断裂的危险，所以选材时，正确处理各力学性能间的关系是很重要的。

设计时一般不直接计算，而是凭经验估计零件所承受的塑性指标。塑性的主要作用是避免应力集中，增强零件抗过载能力，提高零件的安全性，塑性要求不能过高，否则将导致机械零件尺寸增大。

冲击韧性α_k值一般也不直接用于设计计算，只有在承受较大能量的动载荷作用，且零件局部应力集中现象严重时，才考虑材料的冲击韧性。

在零件受小能量多次冲击的情况下，不要求高的冲击韧性，而应采用强度较高而冲击韧性低的材料，并进行相应的热处理（如淬火中温回火，甚至低温回火）。

（3）合理选用硬度值。通常在设计图纸上仅用硬度作为力学性能的技术要求。其原因包括两点：一是硬度试验简便，不损伤工件；二是在一定的工艺条件下，硬度与强度及其他性能指标之间存在一定关系，即只要硬度合格，其他力学性能指标也基本合格。但值得注意的是，材料经某些不同的热处理可能得到相差很小的硬度值，而其他力学性能却有较大的差别。因此，在图纸上应首先标明热处理工艺，然后标明热处理后应达到的硬度值。

材料的工艺性能是指材料本身适应于某种加工的能力。材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率和生产成本等方面起着十分重要的作用，是选材时必须同时考虑的另一个重要因素。

金属材料的加工方法有铸造、压力加工、焊接和切削加工、热处理等，相应的工艺性能如下。

铸造性能主要包括流动性、收缩性、偏析倾向，以及产生热裂、缩孔、气孔的倾向等。不同的金属材料，其铸造性能有很大的差异。例如，在铁碳合金中，铸铁的铸造性能优于铸钢。

压力加工性主要包括冷冲压性和锻造、轧制性两方面。一般来说，低碳钢的压力加工性能比高碳钢好，而碳钢比合金钢好。

切削加工性一般用切削抗力大小、零件表面结构、加工时切屑排除难易及刀具磨损来衡量。它是合理选择结构钢的重要依据之一。

焊接性一般用焊接处出现裂纹、气孔及其他缺陷的倾向来衡量。焊接性通常分为良好、一般、较差和低劣等四级。它是选择焊接结构材料的重要依据之一。

5．热处理工艺性

热处理工艺性主要包括淬硬性、淬透性、淬火变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性、回火稳定性、氧化脱碳倾向等。这些性质均与金属材料的成分有关，是选用合金钢时必须考虑的重要工艺性能。

材料工艺性能的好坏，对单件和小批量生产并不显得十分突出，而对大批量生产往往成为选材时起决定性的因素。

所谓材料的经济性，就是在满足力学性能要求的前提下，首先应考虑选用价格比较便宜的材料。凡能用碳素钢的就不用合金钢，能用合金钢的就不用高合金钢，这一点对大批量生产的零件尤为重要。其次应从材料的加工费用方面来考虑，也就是合理安排零件的生产工艺，尽量减少生产工序，并采用无切屑或少切屑的新工艺（如精铸、模锻、冷挤等），以提高材料的利用率，降低生产成本。

此外，选材时还应考虑国家资源和供应条件。所选材料要立足于国内和货源较近的地区，同时尽量减少所选材料的品种、规格，以便采购和简化供应、保管和生产管理工作。

在考虑材料的经济性时，对某些重要的或加工过程复杂的零件，一般考虑使用周期较长的模具，也不能单纯考虑材料的成本而忽略整个加工过程、零件和工具的质量、寿命。在这种情况下，采用价格比较昂贵的合金钢或硬质合金等材料，比成本低且使用寿命不长的碳钢更为经济。

1．对零件进行分析

主要分析零件的工作条件及其失效形式，分析的目的是根据具体情况抓住主要矛盾，找出最关键的性能要求，同时兼顾其他性能。

2．对同类产品零件的用材情况进行调查研究

对于大批量生产和重要的主品零件，应对同类产品的用材情况进行调查。这样可以从其使用性能、原材料供应和加工中各个方面分析其选材是否合理，以便选材时参考。

3．确定零件应具备的主要性能指标

通过零件分析，找出最关键的性能要求后，一般都要结合力学计算或试验的方法，确定零件应具有的力学性能和物理化学性能指标，以便下一步选择具体的材料牌号。

4．初选并确定处理方法

初选出材料牌号并确定热处理和其他加工方法。

5．试验并小批量试制

对于关键零件，投产前常先进行实验室试验，初步检验所选择的材料与热处理方法能否达到所要求的各项性能指标，冷、热加工工艺上有无困难。当实验室试验基本满意后，就可加工少量零件进行试验台台架试验与装机（车）试验（无试验台设备的中、小型工厂，一般只进行装机试验），经过试验基本满意后，即可进行小批量试制。

小批试制产品质量过关后，选材方案就可以基本确定下来，进行大批量生产。

上述选材步骤只是一般规律，并不是一成不变的。例如，某些重要零件的选材如果与同类产品基本相似，有丰富的实践经验，可不进行试验而直接进行小批量试制；对不太重要的零件或某些单件、小批量生产的非标准设备及设备改装和维修中所用的材料，材料选择及热处理方法比较有把握，即可投产，没有必要进行试验或小批量试制。