金属选材的基本原则和方法

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基本原则

在进行材料及成型工艺的选择时，要考虑到在该工况下材料性能是否达到要求，及用该材料制造零件时，其成型加工过程是否容易，同时还要考虑材料或机件的生产及使用是否经济等因素即从适用性、工艺性和经济性3个方面进行考虑。

适用性原则

适用性原则是指所选择的材料必须能够适应工况，并能达到令人满意的使用要求。满足使用要求是选材的必要条件，是在进行材料选择时首先要考虑的问题。

材料的使用要求体现在对其化学成分、组织结构、力学性能、物理性能和化学性能等内部质量的要求上。为满足材料的使用要求，在进行材料选择时，主要从零件的负载情况、材料的使用环境和材料的使用性能要求三个方面考虑。零件的负载情况主要是指载荷的大小和应力状态。材料的使用环境指材料所处的环境，如介质、工作温度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用寿命、材料的各种广义许用应力、广义许用变形等。只有将以上三方面进行充分的考虑，才能使材料满足使用性能要求。

工艺性原则

一般地，材料一经选择，其加工工艺大体上就能确定。同时加工工艺过程又使材料的性能发生改变；零件的形状结构及生产批量、生产条件也对材料加工工艺产生重大的影响。

工艺性原则是指选材时要考虑到材料的加工工艺性，优先选择加工工艺性好的材料，降低材料的制造难度和制造成本。

各种成型工艺各有其特点和优缺点，同一材料的零件，当使用不同成型工艺制造时，其难度和成本是不一样的，所要求的材料工艺性能也是不同的。例如，当零件形状比较复杂、尺寸较大时，用锻造成型往往难以实现，若采用铸造或焊接，则其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，在结构上也要适应铸造或焊接的要求。再如，用冷拔工艺制造键、销时，应考虑材料的伸长率，并考虑形变强化对材料力学性能的影响。

经济性原则

在满足材料使用要求和工艺要求的同时，也必须考虑材料的使用经济性。经济性原则是指在选用材料时，应选择性能价格比高的材料。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时间和安全程度来代表。材料价格主要由成本决定。材料的成本包括生产成本和使用成本。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、加工费、安装调试费、维修费、管理费等因素决定。

材料及成型工艺选择的步骤、方法及依据

材料及成型工艺的选择步骤如下：首先根据使用工况及使用要求进行材料选择，然后根据所选材料，同时结合材料的成本、材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件和技术条件等，选择合适的成型工艺。

1选择材料及其成型工艺的步骤、方法

分析零件的服役条件，找出零件在使用过程中具体的负荷情况、应力状态、温度、腐蚀及磨损等情况。

大多数零件都在常温大气中使用，主要要求材料的力学性能。在其他条件下使用的零件，要求材料还必须有某些特殊的物理、化学性能。如高温条件下使用，要求零件材料有一定的高温强度和抗氧化性；化工设备则要求材料有高的抗腐蚀性能；某些仪表零件要求材料具有电磁性能等。严寒地区使用的焊接结构，应附加对低温韧性的要求；在潮湿地区使用时，应附加对耐大气腐蚀性的要求等。

(1) 通过分析或试验，结合同类材料失效分析的结果，确定允许材料使用的各项广义许用应力指标，如许用强度、许用应变、许用变形量及使用时间等。

(2) 找出主要和次要的广义许用应力指标，以重要指标作为选材的主要依据。

(3) 根据主要性能指标，选择符合要求的几种材料。

(4) 根据材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有生产条件、技术条件选择材料及其成型工艺。

(5) 综合考虑材料成本、成型工艺性、材料性能、使用的可靠性等，利用优化方法选出最适用的材料。

(6) 必要时选材要经过试验投产，再进行验证或调整。

上述只是选材步骤的一般规律，其工作量和耗时都是相当大的。对于重要零件和新材料，在选材时，需要进行大量的基础性试验和批量试生产过程，以保证材料的使用安全性。对不太重要的、批量小的零件，通常参照相同工况下同类材料的使用经验来选择材料，确定材料的牌号和规格，安排成型工艺。若零件属于正常的损坏，则可选用原来的材料及成型工艺；若零件的损坏属于非正常的早期破坏，应找出引起失效的原因，并采取相应的措施。如果是材料或其生产工艺的问题，可以考虑选用新材料或新的成型工艺。

2选材依据

（1）负荷情况

工程材料在使用过程中受到各种力的作用，有拉应力、压应力、剪应力、切应力，扭矩、冲击力等。材料在负荷下工作，其力学性能要求和失效形式是和负荷情况紧密相关的。

在工程实际中，任何机械和结构，必须保证它们在完成运动要求的同时，能安全可靠地工作。例如要保证机床主轴的正常工作，则主轴既不允许折断，也不允许受力后产生过度变形。又如千斤顶顶起重物时，其螺杆必须保持直线形式的平衡状态，而不允许突然弯曲。对工程构件来说，只有满足了强度、刚度和稳定性的要求，才能安全可靠地工作。实际上，在材料力学中对材料的这三方面要求都有具体的使用条件。在分析材料的受力情况，或根据受力情况进行材料选择时，除了考虑材料的力学性能外，还必须应用材料力学的有关知识进行科学的选材。

表1 几种常见零件的受力情况、失效形式及要求的力学性能

（2）材料的使用温度

大多数材料都在常温下使用，当然也有在高温或低温下使用的材料。由于使用温度不同，要求材料的性能也有很大差异。

随着温度的降低，钢铁材料的韧性和塑性不断下降。当温度降低到一定程度时，其韧性、塑性显著下降，这一温度称为韧脆转折温度。在低于韧脆转折温度下使用时，材料容易发生低应力脆断，从而造成危害。因此，选择低温下使用的钢铁时，应选用韧脆转折温度低于使用工况的材料。各种低温用钢的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低温韧性。

随着温度的升高，钢铁材料的性能会发生一系列变化，主要是强度、硬度降低，塑性、韧性先升高而后又降低，钢铁受高温氧化或高温腐蚀等。这都对材料的性能产生影响，甚至使材料失效。例如，一般碳钢和铸铁的使用温度不宜超过480℃，而合金钢的使用温度不宜超过1150℃。

（3）受腐蚀情况

在工业上，一般用腐蚀速度表示材料的耐蚀性。腐蚀速度用单位时间内单位面积上金属材料的损失量来表示；也可用单位时间内金属材料的腐蚀深度来表示。工业上常用6类10级的耐蚀性评级标准，从I类完全耐蚀到VI类不耐蚀，见表2。

表2 金属材料耐蚀性的分类评级标准

大多数工程材料都是在大气环境中工作的，大气腐蚀是一个普遍的问题。大气的湿度、温度、日照、雨水及腐蚀性气体含量对材料腐蚀影响很大。在常用合金中，碳钢在工业大气中的腐蚀速度为10^-605m/d，在需要时常涂敷油漆等保护层后使用。含有铜、磷、镍、铬等合金组分的低合金钢，其耐大气腐蚀性有较大提高，一般可不涂油漆直接使用。铝、铜、铅、锌等合金耐大气腐蚀很好。

（4）耐磨损情况

影响材料耐磨性的因素如下：

① 材料本身的性能：包括硬度、韧性、加工硬化的能力、导热性、化学稳定性、表面状态等。

② 摩擦条件：包括相磨物质的特性、摩擦时的压力、温度、速度、润滑剂的特性、腐蚀条件等。

一般来说，硬度高的材料不易为相磨的物体刺入或犁入，而且疲劳极限一般也较高，故耐磨性较高；如同时具备较高的韧性，即使被刺入或犁入，也不致被成块撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用过程中，也是可变的。易于加工硬化的金属在摩擦过程中变硬，而易于受热软化的金属会在摩擦中软化。

3材料成型工艺的选择依据

一般而言，当产品的材料确定后，其成型工艺的类型就大体确定了。例如，产品为铸铁件，则应选铸造成型；产品为薄板件，则应选板料冲压成型；产品为ABS塑料件，则应选注塑成型；产品为陶瓷件，则应选相应的陶瓷成型工艺等。然而，成型工艺对材料的性能也产生一定的影响，因此在选择成型工艺中，还必须考虑材料的最终性能要求。

（1）产品材料的性能

① 材料的力学性能。

例如，材料为钢的齿轮零件，当其力学性能要求不高时，可采用铸造成型；而力学性能要求高时，则应选用压力加工成型。

② 材料的使用性能。

例如，若选用钢材模锻成型制造轿车、汽车发动机中的飞轮零件，由于轿车转速高，要求行驶平稳，在使用中不允许飞轮锻件有纤维外露，以免产生腐蚀，影响其使用性能，故不宜采用开式模锻成型，而应采用闭式模锻成型。这是因为，开式模锻成型工艺只能锻造出带有飞边的飞轮锻件，在随后进行的切除飞边修整工序中，锻件的纤维组织会被切断而外露；而闭式模锻的锻件没有飞边，可克服此缺点。

③ 材料的工艺性能。

材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸气的非铁金属材料的焊接性差，其连接就宜采用氩弧焊接工艺，而不宜采用普通的手弧焊接工艺；聚四氟乙烯材料，尽管它也属于热塑性塑料，但因其流动性差，故不宜采用注塑成型工艺，而只宜采用压制烧结的成型工艺。

④ 材料的特殊性能。

材料的特殊性能包括材料的耐磨损、耐腐蚀、耐热、导电或绝缘等。例如，耐酸泵的叶轮、壳体等，若选用不锈钢制造，则只能用铸造成型；选用塑料制造，则可用注塑成型；如要求既耐热又耐腐蚀，那么就应选用陶瓷制造，并相应地选用注浆成型工艺。

（2）零件的生产批量

对于成批大量生产的产品，可选用精度和生产率都比较高的成型工艺。虽然这些成型工艺装备的制造费用较高，但这部分投资可由每个产品材料消耗的降低来补偿。如大量生产锻件，应选用模锻、冷轧、冷拔和冷挤压等成型工艺；大量生产非铁合金铸件，应选用金属型铸造、压力铸造、及低压铸造等成型工艺；大量生产MC尼龙制件，宜选用注塑成型工艺。

而单件小批生产这些产品时，可选用精度和生产率均较低的成型工艺，如手工造型、自由锻造、手工焊，及它们与切削加工相联合的成型工艺。

（3）零件的形状复杂程度及精度要求

形状复杂的金属制件，特别是内腔形状复杂的零件，可选用铸造成型工艺，如箱体、泵体、缸体、阀体、壳体、床身等；形状复杂的工程塑料制件，多选用注塑成型工艺；形状复杂的陶瓷制件，多选用注浆成形或注射成型工艺；而形状简单的金属制件，可选用压力加工或焊接成型工艺；形状简单的工程塑料制件，可选用吹塑、挤出成型或模压成型工艺；形状简单的陶瓷制件，多选用模压成型工艺。

若产品为铸件，尺寸要求不高的可选用普通砂型铸造；而尺寸精度要求高的，则依铸造材料和批量不同，可分别选用熔模铸造、气化模铸造、压力铸造及低压铸造等成型工艺。若产品为锻件，尺寸精度要求低的，多采用自由锻造成型；而精度要求高的，则选用模锻成型、挤压成型等。若产品为塑料制件，精度要求低的，多选用中空吹塑；而精度要求高的，则选用注塑成型。

（4）现有生产条件

现有生产条件是指生产产品现有的设备能力、人员技术水平及外协可能性等。例如，生产重型机械产品时，在现场没有大容量的炼钢炉和大吨位的起重运输设备条件下，常常选用铸造和焊接联合成型的工艺，即首先将大件分成几小块来铸造后，再用焊接拼成大件。

又如，车床上的油盘零件，通常是用薄钢板在压力机下冲压成型，但如果现场条件不具备，则应采用其他工艺方法。例如，现场没有薄板，也没有大型压力机，就不得不采用铸造成型工艺生产；当现场有薄板，但没有大型压力机时，就需要选用经济可行的旋压成型工艺来代替冲压成型。

（5）充分考虑利用新工艺、新技术、新材料的可能性

随着工业市场需求日益增大，用户对产品品种和品质更新的要求越来越强烈，使生产性质由成批大量生产变成多品种、小批量生产，因而扩大了新工艺、新技术、新材料的应用范围。

因此，为了缩短生产周期，更新产品类型及质量，在可能的条件下就大量采用精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷挤压、液态模锻、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等静压成型、复合材料成型、快速成型等新工艺、新技术、新材料，采用无余量成型，使零件近净型化，从而显著提高产品品质和经济效益。

除此之外，为了合理选用成型工艺，还必须对各类成型工艺的特点、适用范围以及成型工艺对材料性能的影响有比较清楚的了解。金属材料的各种毛坯成型工艺的特点见表3。

表3 各种毛坯成型工艺的特点