金屬材料的選用原則

黨成龍　趙一新

摘要：材料式人類用來制造各種產品的物質，是人類生活和生產的物質基礎。毫無疑問，人類社會的發展伴隨著材料的發明和發展。其中金屬材料材料在工業生產中占據重要地位，據估計，目前金屬材料在工業中的應用約為94%～95%，這樣研究金屬材料的應用就顯得格外重要。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，希望能為相關工作人員提供些許幫助。

關鍵詞：金屬材料；選材；使用性能；工藝性能；經濟性

金屬材料的選擇和使用同其它各類材料一樣，是一個比較復雜的問題。要正確選用材料，首先應對零件的特點和工作條件進行分析，比如零件的尺寸、精度要求，工作環境及負載等。要生產出高質量的產品，必須從產品的結構設計、選材、冷熱工藝、生產成本等方面進行綜合考慮。同時還要求材料有較好的加工工藝性能和經濟性，以提高生產率，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濟性作簡要的探索：

1.材料的使用性能要求

各種機械產品，由于它們的用途、工作條件等的不同，對其組成的零部件也自然有著不同的要求，具體表現在受載大小、形式及性質的不同，受力狀態、摩擦條件、工作環境等的不同。

比如對于承受拉伸壓縮載荷的零件，要求材料具有較好的抗壓強度、屈服強度和屈服比。若這類零件受的載荷很大，可以選用35GrMo等合金調質鋼，以滿足屈服強度和高淬透性的要求；若這類零件受載荷較大，可以采用45鋼等中碳優質碳素鋼；若載荷不大，可選用碳素結構鋼，如Q235等。

像導軌、履帶和軸承等承受摩擦磨損的載荷，對于這類零件首先應選擇摩擦系數小的材料，而且必須有良好的潤滑性能。選擇材料時候，應該將相互配合的兩個零件分開選材，對于結構復雜、制造工藝復雜、成本高的主要零件，應選擇性能較好的材料，并且應有足夠高的硬度。與之相配合的另一個零件應選擇性能較差、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，應選擇具有較好彎曲疲勞強度的材料；飛輪、帶輪等高速旋轉還有慣性要求的零件，應選擇屈服強度高的材料，防止由于在高速旋轉時離心力作用下產生塑性變形；現如今，許多類型零件的用材已經專業化了，這些專業化的零件選材時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即可。

設計零件時還可以通過對零件的失效分析進行選材。機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、低應力斷裂、介質加速斷裂；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，對零件加工的難易程度、生產效率和生產成本等方面都起著十分重要的作用。材料工藝性能的好壞，對單件和小批量生產來說并不顯得十分突出，而在批量生產條件下，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衡量其好壞。

鑄造性能：主要包括流動性、收縮率、偏析及產生裂紋、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生改變的一種冷加工方法。一般來說，低碳鋼、高碳鋼和合金鋼的壓力加工性能依次降低。

焊接性：一般以焊縫處出現裂紋、脆性、氣孔或其他缺陷的傾向來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、回火穩定性等。

生產方法、零件機構、零件材料之間存在相互依存又相互制約的關系。比如有的零件結構只存在一種合理的生產方法或者只能選用一種材料。也有一類零件結構可以有很多種生產方法，或者很多種材料可以選擇。還有時應先根據零件的結構確定生產方法，根據確定下來的生產方法選擇合適的材料。也可以先選擇材料，再確定生產方法，最后設計結構。總之，不論用哪一種方法，都應使三者實現最佳的統一。

3.選材料應滿足經濟的要求

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，還應該注意材料的經濟性。 對設計選材來說，保證經濟性的前提是準確的計算。選材時應考慮滿足使用性能和工藝性能的前提下，選用價格最低的材料，不能單純追求某一項指標，應綜合考慮全局。

金屬材料中碳鋼和鑄鐵的價格低廉，在滿足其他要求下，應首選碳鋼和鑄鐵。低合金鋼的強度高，工藝性能好，價格也比較低，也可以作為首選。總之，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。

小批量生產結構簡單的零件，材料費在零件制造成本中占的比例較大，而在大批量生產中，加工費則是制造成本的主要部分。因此，材料的工藝性對成本的影響很大，在選材時應考慮這方面的影響。

同時，還應考慮原用材料的要求及具體零件的使用條件和對壽命的要求，若零件的使用性能很差，零件的壽命很短，則零件更換產生的費用也應考慮在內。也不可盲目選用高一級材料，以保證選用材料的經濟性。

此外，在選材時還應盡量立足于國內條件和國家資源，考慮到國內的生產和供應狀況。同時應盡量減少材料的品種、規格等，以減少采購費用。這些都直接影響到選材的經濟性。

作者簡介：

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，機械工程，研究方向：機械設計。