金屬材料的選用原則

黨成龍　趙一新

摘要：材料式人類用來(lái)制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。毫無(wú)疑問，人類社會(huì)的發(fā)展伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展。其中金屬材料材料在工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位，據(jù)估計(jì)，目前金屬材料在工業(yè)中的應(yīng)用約為94%～95%，這樣研究金屬材料的應(yīng)用就顯得格外重要。由于金屬材料品種有很多，因此如何合理選擇和使用金屬材料成為一項(xiàng)十分重要的工作。本文就如何選擇金屬材料作粗淺的探索，希望能為相關(guān)工作人員提供些許幫助。

關(guān)鍵詞：金屬材料；選材；使用性能；工藝性能；經(jīng)濟(jì)性

金屬材料的選擇和使用同其它各類材料一樣，是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。要正確選用材料，首先應(yīng)對(duì)零件的特點(diǎn)和工作條件進(jìn)行分析，比如零件的尺寸、精度要求，工作環(huán)境及負(fù)載等。要生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材、冷熱工藝、生產(chǎn)成本等方面進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)還要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性，以提高生產(chǎn)率，降低成本。

下面就材料的使用性能、材料的工藝性能和材料的經(jīng)濟(jì)性作簡(jiǎn)要的探索：

1.材料的使用性能要求

各種機(jī)械產(chǎn)品，由于它們的用途、工作條件等的不同，對(duì)其組成的零部件也自然有著不同的要求，具體表現(xiàn)在受載大小、形式及性質(zhì)的不同，受力狀態(tài)、摩擦條件、工作環(huán)境等的不同。

比如對(duì)于承受拉伸壓縮載荷的零件，要求材料具有較好的抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和屈服比。若這類零件受的載荷很大，可以選用35GrMo等合金調(diào)質(zhì)鋼，以滿足屈服強(qiáng)度和高淬透性的要求；若這類零件受載荷較大，可以采用45鋼等中碳優(yōu)質(zhì)碳素鋼；若載荷不大，可選用碳素結(jié)構(gòu)鋼，如Q235等。

像導(dǎo)軌、履帶和軸承等承受摩擦磨損的載荷，對(duì)于這類零件首先應(yīng)選擇摩擦系數(shù)小的材料，而且必須有良好的潤(rùn)滑性能。選擇材料時(shí)候，應(yīng)該將相互配合的兩個(gè)零件分開選材，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝復(fù)雜、成本高的主要零件，應(yīng)選擇性能較好的材料，并且應(yīng)有足夠高的硬度。與之相配合的另一個(gè)零件應(yīng)選擇性能較差、硬度較低的材料，以便于更換，保證主零件有較長(zhǎng)壽命，還能降低成本。

另外，像軸類零件、齒輪等承受周期性交變載荷的零件，應(yīng)選擇具有較好彎曲疲勞強(qiáng)度的材料；飛輪、帶輪等高速旋轉(zhuǎn)還有慣性要求的零件，應(yīng)選擇屈服強(qiáng)度高的材料，防止由于在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力作用下產(chǎn)生塑性變形；現(xiàn)如今，許多類型零件的用材已經(jīng)專業(yè)化了，這些專業(yè)化的零件選材時(shí)不用在通用材料里選擇，只需按零件的具體要求選擇合適的牌號(hào)即可。

設(shè)計(jì)零件時(shí)還可以通過對(duì)零件的失效分析進(jìn)行選材。機(jī)械零件的失效形式有以下三種：①斷裂失效，包括塑性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、低應(yīng)力斷裂、介質(zhì)加速斷裂；②過量變形失效，主要包括過量的彈性變形和塑形變形失效；③表面損傷的失效，如磨損、腐蝕、表面疲勞失效等。

2.材料的工藝性能要求

材料工藝性能的好壞，對(duì)零件加工的難易程度、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本等方面都起著十分重要的作用。材料工藝性能的好壞，對(duì)單件和小批量生產(chǎn)來(lái)說并不顯得十分突出，而在批量生產(chǎn)條件下，就明顯地反映出它的重要性。

金屬材料的基本加工方法包括：切削加工、鑄造、壓力加工、焊接和熱處理等。

切削加工性能：切削加工是最常用的金屬加工方法。一般通過零件表面粗糙度、切削抗力大小、切屑排除的難易及切削刀具磨損程度來(lái)衡量其好壞。

鑄造性能：主要包括流動(dòng)性、收縮率、偏析及產(chǎn)生裂紋、縮孔等。不同的材料，其鑄造性能差異很大，在鐵碳合金中鑄鐵的鑄造性能要比鑄鋼好。

壓力加工性能：壓力加工是通過沖壓等方法，使用外力使零件形狀發(fā)生改變的一種冷加工方法。一般來(lái)說，低碳鋼、高碳鋼和合金鋼的壓力加工性能依次降低。

焊接性：一般以焊縫處出現(xiàn)裂紋、脆性、氣孔或其他缺陷的傾向來(lái)衡量焊接性能的好壞。

熱處理工藝性：主要包括淬硬性、淬透性、淬火變形、開裂、回火脆性、回火穩(wěn)定性等。

生產(chǎn)方法、零件機(jī)構(gòu)、零件材料之間存在相互依存又相互制約的關(guān)系。比如有的零件結(jié)構(gòu)只存在一種合理的生產(chǎn)方法或者只能選用一種材料。也有一類零件結(jié)構(gòu)可以有很多種生產(chǎn)方法，或者很多種材料可以選擇。還有時(shí)應(yīng)先根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)確定生產(chǎn)方法，根據(jù)確定下來(lái)的生產(chǎn)方法選擇合適的材料。也可以先選擇材料，再確定生產(chǎn)方法，最后設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?？傊?，不論用哪一種方法，都應(yīng)使三者實(shí)現(xiàn)最佳的統(tǒng)一。

3.選材料應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)的要求

金屬零件的選材在滿足零件使用性能和工藝性能的前提下，還應(yīng)該注意材料的經(jīng)濟(jì)性。 對(duì)設(shè)計(jì)選材來(lái)說，保證經(jīng)濟(jì)性的前提是準(zhǔn)確的計(jì)算。選材時(shí)應(yīng)考慮滿足使用性能和工藝性能的前提下，選用價(jià)格最低的材料，不能單純追求某一項(xiàng)指標(biāo)，應(yīng)綜合考慮全局。

金屬材料中碳鋼和鑄鐵的價(jià)格低廉，在滿足其他要求下，應(yīng)首選碳鋼和鑄鐵。低合金鋼的強(qiáng)度高，工藝性能好，價(jià)格也比較低，也可以作為首選?？傊?，能用碳鋼鑄鐵的不用合金鋼；能用低合金鋼的，不用高合金鋼；能用普通鋼的，不用不銹耐熱鋼。

小批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件，材料費(fèi)在零件制造成本中占的比例較大，而在大批量生產(chǎn)中，加工費(fèi)則是制造成本的主要部分。因此，材料的工藝性對(duì)成本的影響很大，在選材時(shí)應(yīng)考慮這方面的影響。

同時(shí)，還應(yīng)考慮原用材料的要求及具體零件的使用條件和對(duì)壽命的要求，若零件的使用性能很差，零件的壽命很短，則零件更換產(chǎn)生的費(fèi)用也應(yīng)考慮在內(nèi)。也不可盲目選用高一級(jí)材料，以保證選用材料的經(jīng)濟(jì)性。

此外，在選材時(shí)還應(yīng)盡量立足于國(guó)內(nèi)條件和國(guó)家資源，考慮到國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)和供應(yīng)狀況。同時(shí)應(yīng)盡量減少材料的品種、規(guī)格等，以減少采購(gòu)費(fèi)用。這些都直接影響到選材的經(jīng)濟(jì)性。

作者簡(jiǎn)介：

黨成龍（1994年9月17日），男，漢族，山東省臨沂市人，本科在讀，鄭州大學(xué)，機(jī)械工程，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。