金属材料的选用原则

党成龙　赵一新

摘要：材料式人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。毫无疑问，人类社会的发展伴随着材料的发明和发展。其中金属材料材料在工业生产中占据重要地位，据估计，目前金属材料在工业中的应用约为94%～95%，这样研究金属材料的应用就显得格外重要。由于金属材料品种有很多，因此如何合理选择和使用金属材料成为一项十分重要的工作。本文就如何选择金属材料作粗浅的探索，希望能为相关工作人员提供些许帮助。

关键词：金属材料；选材；使用性能；工艺性能；经济性

金属材料的选择和使用同其它各类材料一样，是一个比较复杂的问题。要正确选用材料，首先应对零件的特点和工作条件进行分析，比如零件的尺寸、精度要求，工作环境及负载等。要生产出高质量的产品，必须从产品的结构设计、选材、冷热工艺、生产成本等方面进行综合考虑。同时还要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以提高生产率，降低成本。

下面就材料的使用性能、材料的工艺性能和材料的经济性作简要的探索：

1.材料的使用性能要求

各种机械产品，由于它们的用途、工作条件等的不同，对其组成的零部件也自然有着不同的要求，具体表现在受载大小、形式及性质的不同，受力状态、摩擦条件、工作环境等的不同。

比如对于承受拉伸压缩载荷的零件，要求材料具有较好的抗压强度、屈服强度和屈服比。若这类零件受的载荷很大，可以选用35GrMo等合金调质钢，以满足屈服强度和高淬透性的要求；若这类零件受载荷较大，可以采用45钢等中碳优质碳素钢；若载荷不大，可选用碳素结构钢，如Q235等。

像导轨、履带和轴承等承受摩擦磨损的载荷，对于这类零件首先应选择摩擦系数小的材料，而且必须有良好的润滑性能。选择材料时候，应该将相互配合的两个零件分开选材，对于结构复杂、制造工艺复杂、成本高的主要零件，应选择性能较好的材料，并且应有足够高的硬度。与之相配合的另一个零件应选择性能较差、硬度较低的材料，以便于更换，保证主零件有较长寿命，还能降低成本。

另外，像轴类零件、齿轮等承受周期性交变载荷的零件，应选择具有较好弯曲疲劳强度的材料；飞轮、带轮等高速旋转还有惯性要求的零件，应选择屈服强度高的材料，防止由于在高速旋转时离心力作用下产生塑性变形；现如今，许多类型零件的用材已经专业化了，这些专业化的零件选材时不用在通用材料里选择，只需按零件的具体要求选择合适的牌号即可。

设计零件时还可以通过对零件的失效分析进行选材。机械零件的失效形式有以下三种：①断裂失效，包括塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力断裂、介质加速断裂；②过量变形失效，主要包括过量的弹性变形和塑形变形失效；③表面损伤的失效，如磨损、腐蚀、表面疲劳失效等。

2.材料的工艺性能要求

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都起着十分重要的作用。材料工艺性能的好坏，对单件和小批量生产来说并不显得十分突出，而在批量生产条件下，就明显地反映出它的重要性。

金属材料的基本加工方法包括：切削加工、铸造、压力加工、焊接和热处理等。

切削加工性能：切削加工是最常用的金属加工方法。一般通过零件表面粗糙度、切削抗力大小、切屑排除的难易及切削刀具磨损程度来衡量其好坏。

铸造性能：主要包括流动性、收缩率、偏析及产生裂纹、缩孔等。不同的材料，其铸造性能差异很大，在铁碳合金中铸铁的铸造性能要比铸钢好。

压力加工性能：压力加工是通过冲压等方法，使用外力使零件形状发生改变的一种冷加工方法。一般来说，低碳钢、高碳钢和合金钢的压力加工性能依次降低。

焊接性：一般以焊缝处出现裂纹、脆性、气孔或其他缺陷的倾向来衡量焊接性能的好坏。

热处理工艺性：主要包括淬硬性、淬透性、淬火变形、开裂、回火脆性、回火稳定性等。

生产方法、零件机构、零件材料之间存在相互依存又相互制约的关系。比如有的零件结构只存在一种合理的生产方法或者只能选用一种材料。也有一类零件结构可以有很多种生产方法，或者很多种材料可以选择。还有时应先根据零件的结构确定生产方法，根据确定下来的生产方法选择合适的材料。也可以先选择材料，再确定生产方法，最后设计结构。总之，不论用哪一种方法，都应使三者实现最佳的统一。

3.选材料应满足经济的要求

金属零件的选材在满足零件使用性能和工艺性能的前提下，还应该注意材料的经济性。 对设计选材来说，保证经济性的前提是准确的计算。选材时应考虑满足使用性能和工艺性能的前提下，选用价格最低的材料，不能单纯追求某一项指标，应综合考虑全局。

金属材料中碳钢和铸铁的价格低廉，在满足其他要求下，应首选碳钢和铸铁。低合金钢的强度高，工艺性能好，价格也比较低，也可以作为首选。总之，能用碳钢铸铁的不用合金钢；能用低合金钢的，不用高合金钢；能用普通钢的，不用不锈耐热钢。

小批量生产结构简单的零件，材料费在零件制造成本中占的比例较大，而在大批量生产中，加工费则是制造成本的主要部分。因此，材料的工艺性对成本的影响很大，在选材时应考虑这方面的影响。

同时，还应考虑原用材料的要求及具体零件的使用条件和对寿命的要求，若零件的使用性能很差，零件的寿命很短，则零件更换产生的费用也应考虑在内。也不可盲目选用高一级材料，以保证选用材料的经济性。

此外，在选材时还应尽量立足于国内条件和国家资源，考虑到国内的生产和供应状况。同时应尽量减少材料的品种、规格等，以减少采购费用。这些都直接影响到选材的经济性。

作者简介：

党成龙（1994年9月17日），男，汉族，山东省临沂市人，本科在读，郑州大学，机械工程，研究方向：机械设计。