8.1選材的原則與方法8.2材料選擇方法舉例8.1.1選材的一般原則

合理的選材應符合良好的使用性能、優良的工藝性能和合理的經濟性等三方面要求。

1.使用性能

材料的使用性能是指為保證零件正常工作而具備的性能。它決定了零件的使用價值和工作壽命，通常是選材的主要依據。必須指出，使用性能是多方面的，有力學性能、化學性能和物理性能等。所以，在分析選擇材料是否滿足使用要求時，不能孤立地校核某個性能就作結論。8.1選材的原則與方法

2．工藝性能

工藝性能包括鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能(淬透性、過熱敏感性、回火脆性、回火穩定性)等。材料的工藝性能直接影響制件的質量、生產成本和生產效率，是選材不可忽視的因素，有時還是選材的決定性因素。考慮材料的工藝性能時，應注意根據零件結構特點及生產批量來分析。

3．經濟性

用最少的成本生產出所需要的產品，是指導生產的基本法則。選材時，應注意降低零件的總成本。零件的總成本包括材料本身的價格及與生產有關的其他一切費用。

工程材料的相對價格相差較大，且各個時期的波動也很大，但各材料的相對價格基本穩定，且維持一定關系，如圖8-1～圖8-4所示。

由圖可知，鑄鐵和碳鋼的價格較低，應優先采用。合金鋼和有色合金價格較貴，在要求滿足較高的力學性能和特殊性能時，才加以選用。塑料的應用日益廣泛，在許多場合，塑料件已成功地替代了金屬件。當前我國工業現代化正在迅速發展，新材料、新工藝不斷涌現。例如，我國立足于國內富有資源，研制成功了一大批新型合金鋼種，其中稀土鎂球墨鑄鐵已能代替部分鍛鋼，制成曲軸、凸輪軸、齒輪等重要零件。因此，選材時應密切結合國情，并充分考慮本地本廠實際情況。圖8-1幾種工程材料單位質量成本對比圖8-2幾種工程材料單位體積成本對比圖8-3以成本/體積/拉伸強度為基礎的?幾種工程材料成本對比圖8-4以成本/體積/比強度為基礎的幾種工程材料成本對比8.1.2選材的步驟和方法

選材問題大多發生在下列幾種場合：新產品設計；改變產品設計；改變產品的生產工藝；原來使用的材料成本過高或貨源不足，供應有困難。選材工作涉及面廣、影響大，必須由設計、生產組織、物資管理、供銷等多方面人員相互配合，按如下步驟進行：首先確定對性能的要求；然后制定并比較各種備選的用材方案，從中選擇并確定在技術、經濟上都滿意的選材方案。機械零件選材的一般步驟如圖8-5所示。

1.確定對性能的要求

1)對使用性能的要求

對使用性能的要求，是在對零件的工作條件及形狀尺寸分析的基礎上提出的。

工作條件分析，首先是零件在工作中所受載荷的類型及大小。要判明載荷是短期作用還是長期作用，是恒定載荷還是交變載荷，是緩慢作用的靜載荷還是快速作用的動載荷。圖8-5機械零件選材的一般步驟最關鍵的是確定主要載荷形式是受拉伸、壓縮、扭轉、剪切還是彎曲，載荷的大小、分布及有無較大的局部應力集中等。載荷的類型及大小是決定材料使用性能的主要依據之一，應在選材前搞清楚。

工作條件分析的第二個內容是零件的工作環境，主要包括溫度和介質(是否有腐蝕性)。這兩種因素對于確定材料要求的使用性能具有非常重要的作用。

最后，對材料的某些特殊要求的使用性能，在工作條件分析中也應充分考慮。例如特殊的電性能(絕緣性或導電性)、熱性能(導熱性、熱膨脹性)、相對密度、外觀要求等。這些特殊的使用性能要求，往往對材料提出了許多重要限制，從而大大縮小了候選材料的范圍。

2)關鍵性的性能要求

零件的工作條件是復雜的，往往對材料有許多方面的性能要求。所以應該分析確定其中最關鍵的性能指標，作為解決矛盾的主要依據。這通常可根據零件的損壞形式的分析來確定。零件的損壞形式有過量彈性變形、過量塑性變形、斷裂、過量磨損等。若主要損壞形式為過量彈性變形的零件，如精密鏜床的鏜桿，則關鍵性能指標是剛度；若主要損壞形式為過量塑性變形的零件，如重要螺栓，則關鍵性能指標為屈服點；若主要損壞形式是磨損，如軸承，則關鍵性能指標為表面硬度及耐磨性；當有尖銳缺口或裂紋一類缺陷存在時，斷裂抗力可能成為對材料要求的一個重要使用性能；如受的是交變載荷，則疲勞抗力是主要使用性能；等等。表8-1列舉了一些零件的工作條件、主要損壞形式及關鍵性能指標。表8-1一些零件的工作條件、主要損壞形式及關鍵性能指標

3)對工藝性能的要求

選材時，應結合零件的加工制造工藝，提出對材料工藝性能的要求。在明確對工藝性能的要求時，應充分考慮零件的形狀尺寸、生產批量等因素。

一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其力學性能可以滿足一般零件的要求，因此用途較廣。而它的強度還不夠高，淬透性差，所以制造大截面、形狀復雜和高強度的淬火零件，常選用淬透性好、強度高的合金鋼。但合金鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較差。碳含量低于0.4%的碳鋼和普通低合金鋼有良好的焊接性能，常作為焊接結構用材。如采用鑄造毛坯，則應盡量選熔點低、凝固溫度范圍小的合金。

2.確定用材方案

將零件的要求與材料的性能相對照，并參照同類產品的選材情況，提出若干種技術上可行的用材方案，供進一步分析、選擇。對于可以用不同加工工藝制造的制品，應按每種加工方法提出若干備選的用材方案。備選材料的性能不應低于要求，但也不宜過高，以免優材劣用。

技術上可行的選材方案，經濟上未必合算。這可應用價值工程原理進行綜合的定量分析。價值工程主要研究以最低的成本獲得必要的功能，從而實現提高產品的價值，取得最佳的技術經濟效果。價值工程基本表達式為式中，V為價值；F為產品功能；C為實現該功能所耗費的成本。V值越高的材料，在經濟上、技術上就越有利，因而應優先選用。

3.鋼的代用

由前面的知識可知，合金鋼中幾種不同的合金元素所起的作用可能相同。因此，雖然鋼的成分可能有顯著差異，但經適當熱處理后，其性能可能幾乎相同。另一方面，其中某些元素可能比另一些元素價格高、資源短缺(如我國Cr、Ni短缺，Si、Mn、Mo、Ti等豐富)，在一般情況下，對昂貴而短缺的鋼種可用相應的代用鋼。如生產上常用35SiMn替代40Cr，用9Mn2V替代CrWMn或9SiCr，用5CrMnMo替代5CrNiMo等。不僅合金鋼之間可互相替代，不同含碳量的鋼經不同熱處理也能獲得大致近似的性能，從而可互相替代。如滲碳鋼經淬火低溫回火，可獲得與調質鋼經調質后相近的性能。前面也曾提到，在某些情況下，還可用球墨鑄鐵代替鑄鋼或鍛鋼件。

總之，在實際生產中，因各種原因而采用代用鋼的情況很多，因此應在掌握基本選材規律的基礎上靈活運用。表8-2列出了幾種常見代用鋼。表8-2常?見?代?用?鋼值得指出的是，具有許多優異特性的有機高分子材料的飛躍發展，使得它們在許多場合用以代替鋼與有色金屬。這樣不僅可降低成本，且往往性能更優異，從而取得良好的使用效果，在選材時應予以足夠重視。表8-3列出了一些用塑料替代金屬的應用實例。表8-3用塑料代替金屬的應用實例8.2.1以綜合力學性能為主的選材方法

許多零件在使用中，不僅要有較高的強度，而且要有較好的韌性和塑性。這些零件過去都用中碳調質鋼經調質處理制造，近來也用低碳含量的鋼種經淬火—低溫回火制造。在選材中主要考慮以下兩方面因素。8.2材料選擇方法舉例

1．鋼的淬透性

制件越大，越應注意淬透性是否足夠，是否能保證獲得滿意的淬透層深度。對淬透層深度的要求，取決于制件的工作條件。

例如圖8-6所示的躍進—130型載重汽車(2.5噸)的半軸，在汽車運行時，發動機輸出的扭矩經多級變速和主動器傳遞給半軸，再由半軸傳動車輪。在上坡或啟動時，扭矩很大，尤其在緊急制動或在不平坦的道路上行駛時，工作條件更為繁重。因此，半軸在工作中承受沖擊、反復彎曲疲勞和扭轉應力的作用，從而要求材料有足夠的抗彎強度、疲勞強度及較好的韌性。圖8-6躍進—130型載重汽車(2.5噸)的半軸該半軸的熱處理技術條件如下：

(1)硬度：桿部37～44HRC；盤部24～34HRC。

(2)金相組織：回火索氏體或回火托氏體。

(3)可選材料：40Cr、42CrMo、40CrMnMo鋼。根據上述條件，選用40Cr可滿足要求。

半軸的生產工藝流程為下料→鍛造→正火→機械加工→調質→盤部鉆孔→磨花鍵。

2．鋼的韌性

淬透性相同的鋼，回火至相同硬度時，抗拉強度基本相同，但由于回火穩定性的差異，韌性差別很大。工作時受很大沖擊的零件，必須用沖擊韌性ak較高的材料制造；工作時受沖擊次數較多，而每次沖擊能量不大的零件，決定其壽命的不是ak，而是多沖抗力。低碳含量的鋼種，經淬火—低溫回火后一般都能滿足多沖抗力方面的要求；對于調質鋼，采用較低的回火溫度可得到滿意的多沖抗力；在某些場合，使用球墨鑄鐵亦可滿足多沖抗力的要求。

如圖8-7所示的內燃機曲軸，工作時受到內燃機周期性氣體壓力，曲軸連桿機構的慣性力、扭轉和彎曲應力，以及沖擊力等。因此其性能要求是保證有高的強度、一定的沖擊韌性和彎曲、扭轉疲勞強度，在軸頸處要求有高的硬度和耐磨性。圖8-7內燃機曲軸技術要求：Rm≥750MPa、A≥2%，Ak≥12J；軸體硬度為240～260HBW，軸頸表面硬度不低于625HV。

根據上述要求，可選用QT700-2球墨鑄鐵，其加工工藝流程為鑄造→高溫正火→高溫回火→切削加工→軸頸氣體滲氮。

高溫正火(950℃)是為了獲得基體組織中珠光體的數量并細化珠光體，提高強度、硬度和耐磨性。高溫回火(560℃)是為了消除正火時產生的內應力。軸頸氣體滲氮(滲氮溫度為570℃)是為在保證不改變組織及加工精度的前提下，提高軸頸表面的硬度和耐磨性。也可采用對軸頸進行表面淬火來提高其耐磨性。還可對軸頸進行噴丸處理和滾壓加工，以提高其疲勞強度。8.2.2以耐磨性為主的鋼材選擇方法

耐磨的金屬材料很多，有鑄鐵、高錳鑄鋼、青銅、巴氏合金、碳素鋼和合金鋼等。這些材料都有各自的特點和適用條件。例如，鑄鐵耐磨性好，但韌性差，有的鑄鐵強度較低，僅適用于不沖擊或沖擊較小的條件；高錳鑄鋼在沖擊載荷及單位壓力很大的磨損條件下才顯示出優越的耐磨性。而許多承受一定沖擊并要求耐磨的零件，都用鋼材經表面硬化處理制造。

1．表面硬化工藝的選擇

表面硬化的方法主要有滲碳—淬火、表面淬火及氮化。

滲碳—淬火可取得較厚的淬硬層(可達3mm)，淬火后硬度很高(可達800HV)，能有效地提高耐磨性及疲勞強度。其缺點是滲碳后必須淬火，變形較大。表面淬火可獲得較厚的硬化層，變形小、生產率高。但表面硬度(700HV)及耐磨性不如滲碳—淬火，而且對于復雜零件及小批量生產時，由于不易或不宜制造感應加熱器而不能采用感應加熱表面淬火。氮化不僅能保證極高的表面硬度(900～1100HV)、耐磨性和疲勞強度，還能提供一定的耐蝕性和熱穩定性。而且由于氮化加熱溫度較低，無需繼之以淬火，故變形小。但氮化時間長，硬化層薄(約為0.5mm)而脆。

根據上述比較，在選材時對表面硬化工藝的選擇應根據以下原則：摩擦速度不太高、摩擦壓力較大而形狀很復雜的零件，最好用滲碳處理；形狀簡單的零件則可用表面淬火處理；若零件工作時摩擦速度大而摩擦壓力較低，受到沖擊也較小，則采用氮化為好。

2．表面硬化用鋼的選擇

由于工藝不同，因此備選鋼種和選擇時的考慮因素也有所不同。

1)滲碳鋼的選用

滲碳件淬火后除要磨削個別部位外，一般不再加工。為了保證淬火變形較小，大多采用油淬，所以基本上都選用合金滲碳鋼。選擇合金滲碳鋼時應注意其滲透性應足以滿足零件心部的硬度要求，同時應在淬火時不致產生過大的變形。例如汽車和拖拉機的齒輪，不僅要求有足夠的耐磨性和疲勞強度，而且要求心部有足夠的強度和沖擊韌性。為此常選用滲碳鋼(如20CrMnTi)制造，并經滲碳—淬火處理(參見圖5-2)。其制造工藝流程為下料→鍛造→正火→機械加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→磨內孔或換擋槽→裝配。

2)表面淬火鋼的選用

由于表面淬火以前一般均進行調質或正火，因此對鋼的要求基本上與調質鋼相同。但表面淬火鋼對含碳量要求較嚴，最好采用含碳量范圍小的精選鋼。此外，鋼的晶粒度應均勻細小，對脫碳層深度也要有所限制。對于形狀復雜的零件，為了得到沿零件輪廓均勻分布的淬硬層，可采用降低常存元素錳的含量(wMn≤0.2%)，并含有少量細化晶粒元素鈦的低淬透性鋼，如55Tid或60Tid。例如，機床齒輪工作條件沒有汽車、拖拉機齒輪繁重，且精度要求較高，故常選用含碳量為0.40%～0.50%的碳鋼或低合金鋼(40、45、40Cr、45Mn2、40MnB等)制造，并經調質或正火保證心部強度，然后借助表面淬火提高表面硬度和耐磨性。其制造工藝流程為下料→鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→高頻淬火及回火→精磨錐孔(花鍵孔或圓孔)。

3)氮化鋼的選用

氮化用的典型鋼種是38CrMoAlA。隨著氮化工藝的發展，可以氮化處理的鋼種日益增多。如耐磨性要求不高，同時又要求有較高的疲勞強度或韌性，亦可采用碳素鋼或合金結構鋼進行軟氮化處理。

如圖8-8所示的鏜桿，工作中承受中等載荷、不太大的沖擊，轉速很高，精度要求極高，在滑動軸承中運轉，內錐孔與外錐圓常有相對摩擦。因此要求具有很高的表面硬度、耐磨性及疲勞強度，心部有較高的綜合性能，很小的熱處理變形。為此可選用氮化鋼38CrMoAlA經調質后再氮化處理，以滿足上述要求。具體生產工藝流程為下料→鍛造→退火→粗加工→調質→精加工→除應力處理→粗磨→氮化→精磨→研磨。圖8-8鏜桿簡圖8.2.3以彈性為主的選材方法

彈性零件的主要性能指標是彈性模量、屈服點、彈性極限和疲勞強度，通常用彈簧鋼及銅合金制造。選材時應考慮以下因素。

1．制件的彈性變形量

產生彈性變形的難易程度取決于彈性模量。彈性模量越大，越不易產生彈性變形。鋼的彈性模量比銅合金大，故要求容易發生彈性變形的制件常用銅合金制造。

2．制件的工作條件

與選材有關的工作條件有承載大小、溫度高低、周圍介質等。工作應力越大或承載次數越多，所選材料強度越大。在較高溫度下或腐蝕介質中工作的零件，應選能適應這些工作條件的合金彈簧鋼、耐熱鋼、不銹鋼、銅合金等。

3．鋼材的選擇

板簧或較粗的螺旋彈簧應選用熱軋扁鋼或圓鋼，加熱成型后再進行熱處理。較細的螺旋彈簧則應選用冷拉鋼絲，冷成型后進行熱處理。對于尺寸大或熱成型后立即淬火的鋼，由于加熱溫度高，應注意采用過熱敏感性和脫碳傾向小的鋼種。在采用彈簧鋼絲時，應優先選用已由鋼廠進行強化處理，因而在冷卷成型后只需消除應力的碳素彈簧鋼及65Mn彈簧鋼絲。因此用這類鋼絲制造彈簧時，尺寸易控制，質量易保證。在冷卷時