鋼材金屬選材的基本原則和方法有哪些？
在進(jìn)行材料及成型工藝的選擇時，要考慮到在該工況下材料性能是否達(dá)到要求，及用該材料制造零件時，其成型加工過程是否容易，同時還要考慮材料或機(jī)件的生產(chǎn)及使用是否經(jīng)濟(jì)等因素即從適用性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性3個方面進(jìn)行考慮。
適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應(yīng)工況，并能達(dá)到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件，是在進(jìn)行材料選擇時首先要考慮的問題。
材料的使用要求體現(xiàn)在對其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。為滿足材料的使用要求，在進(jìn)行材料選擇時，主要從零件的負(fù)載情況、材料的使用環(huán)境和材料的使用性能要求三個方面考慮。零件的負(fù)載情況主要是指載荷的大小和應(yīng)力狀態(tài)。材料的使用環(huán)境指材料所處的環(huán)境，如介質(zhì)、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應(yīng)力、廣義許用變形等。只有將以上三方面進(jìn)行充分的考慮，才能使材料滿足使用性能要求。
一般地，材料一經(jīng)選擇，其加工工藝大體上就能確定。同時加工工藝過程又使材料的性能發(fā)生改變；零件的形狀結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)批量、生產(chǎn)條件也對材料加工工藝產(chǎn)生重大的影響。
工藝性原則是指選材時要考慮到材料的加工工藝性，優(yōu)先選擇加工工藝性好的材料，降低材料的制造難度和制造成本。
各種成型工藝各有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，同一材料的零件，當(dāng)使用不同成型工藝制造時，其難度和成本是不一樣的，所要求的材料工藝性能也是不同的。例如，當(dāng)零件形狀比較復(fù)雜、尺寸較大時，用鍛造成型往往難以實(shí)現(xiàn)，若采用鑄造或焊接，則其材料必須具有良好的鑄造性能或焊接性能，在結(jié)構(gòu)上也要適應(yīng)鑄造或焊接的要求。再如，用冷拔工藝制造鍵、銷時，應(yīng)考慮材料的伸長率，并考慮形變強(qiáng)化對材料力學(xué)性能的影響。
在滿足材料使用要求和工藝要求的同時，也必須考慮材料的使用經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)濟(jì)性原則是指在選用材料時，應(yīng)選擇性能價格比高的材料。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時間和安全程度來代表。材料價格主要由成本決定。材料的成本包括生產(chǎn)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、加工費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)、維修費(fèi)、管理費(fèi)等因素決定。
材料及成型工藝的選擇步驟如下：首先根據(jù)使用工況及使用要求進(jìn)行材料選擇，然后根據(jù)所選材料，同時結(jié)合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件和技術(shù)條件等，選擇合適的成型工藝。
分析零件的服役條件，找出零件在使用過程中具體的負(fù)荷情況、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。
大多數(shù)零件都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學(xué)性能。在其他條件下使用的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學(xué)性能。如高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強(qiáng)度和抗氧化性；化工設(shè)備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴(yán)寒地區(qū)使用的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)附加對低溫韌性的要求；在潮濕地區(qū)使用時，應(yīng)附加對耐大氣腐蝕性的要求等。
(1) 通過分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類材料失效分析的結(jié)果，確定允許材料使用的各項(xiàng)廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，如許用強(qiáng)度、許用應(yīng)變、許用變形量及使用時間等。
(2) 找出主要和次要的廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，以重要指標(biāo)作為選材的主要依據(jù)。
(3) 根據(jù)主要性能指標(biāo)，選擇符合要求的幾種材料。
(4) 根據(jù)材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件、技術(shù)條件選擇材料及其成型工藝。
(5) 綜合考慮材料成本、成型工藝性、材料性能、使用的可靠性等，利用優(yōu)化方法選出最適用的材料。
(6) 必要時選材要經(jīng)過試驗(yàn)投產(chǎn)，再進(jìn)行驗(yàn)證或調(diào)整。
上述只是選材步驟的一般規(guī)律，其工作量和耗時都是相當(dāng)大的。對于重要零件和新材料，在選材時，需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)和批量試生產(chǎn)過程，以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經(jīng)驗(yàn)來選擇材料，確定材料的牌號和規(guī)格，安排成型工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來的材料及成型工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應(yīng)找出引起失效的原因，并采取相應(yīng)的措施。如果是材料或其生產(chǎn)工藝的問題，可以考慮選用新材料或新的成型工藝。
（1）負(fù)荷情況
工程材料在使用過程中受到各種力的作用，有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、切應(yīng)力，扭矩、沖擊力等。材料在負(fù)荷下工作，其力學(xué)性能要求和失效形式是和負(fù)荷情況緊密相關(guān)的。
在工程實(shí)際中，任何機(jī)械和結(jié)構(gòu)，必須保證它們在完成運(yùn)動要求的同時，能安全可靠地工作。例如要保證機(jī)床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產(chǎn)生過度變形。又如千斤頂頂起重物時，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài)，而不允許突然彎曲。對工程構(gòu)件來說，只有滿足了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，才能安全可靠地工作。實(shí)際上，在材料力學(xué)中對材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況，或根據(jù)受力情況進(jìn)行材料選擇時，除了考慮材料的力學(xué)性能外，還必須應(yīng)用材料力學(xué)的有關(guān)知識進(jìn)行科學(xué)的選材。
表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學(xué)性能
零件 | 工作條件 | 常見失效形式 | 主要力學(xué)性能要求 | ||
應(yīng)力種類 | 載荷性質(zhì) | 其他 | |||
普通緊固螺栓 | 拉應(yīng)力 切應(yīng)力 | 靜載荷 | 過量變形、斷裂 | 屈服強(qiáng)度 抗剪強(qiáng)度 | |
傳動軸 | 彎應(yīng)力 扭應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 軸頸處摩擦，振動 | 疲勞破壞、過量變形、軸頸處磨損 | 綜合力學(xué)性能 |
傳動齒輪 | 壓應(yīng)力 彎應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 強(qiáng)烈摩擦，振動 | 磨損、麻點(diǎn)剝落、齒折斷 | 表面：硬度及彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞抗力；心部：屈服強(qiáng)度、韌性 |
彈簧 | 扭應(yīng)力 彎應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 振動 | 彈性喪失、疲勞斷裂 | 彈性極限、屈服比、疲勞強(qiáng)度 |
油泵柱塞副 | 壓應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 摩擦，油的腐蝕 | 磨損 | 硬度、抗壓強(qiáng)度 |
冷作模具 | 復(fù)雜應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 強(qiáng)烈摩擦 | 磨損、脆斷 | 硬度、足夠的強(qiáng)度、韌性 |
壓鑄模 | 復(fù)雜應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 高溫、摩擦、金屬液腐蝕 | 熱疲勞、脆斷、磨損 | 高溫強(qiáng)度、熱疲勞抗力、韌性與紅硬性 |
滾動軸承 | 壓應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 強(qiáng)烈摩擦 | 疲勞斷裂、磨損、麻點(diǎn)剝落 | 接觸疲勞抗力、硬度、耐磨性 |
曲軸 | 彎應(yīng)力 扭應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 軸頸摩擦 | 脆斷、疲勞斷裂、咬蝕、磨損 | 疲勞強(qiáng)度、硬度、沖擊疲勞抗力、綜合力學(xué)性能 |
連桿 | 拉應(yīng)力 壓應(yīng)力 | 循環(huán)沖擊 | 脆斷 | 抗壓疲勞強(qiáng)度、沖擊疲勞抗力 | |
（2）材料的使用溫度
大多數(shù)材料都在常溫下使用，當(dāng)然也有在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。
隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當(dāng)溫度降低到一定程度時，其韌性、塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)折溫度。在低于韌脆轉(zhuǎn)折溫度下使用時，材料容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時，應(yīng)選用韌脆轉(zhuǎn)折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。
隨著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會發(fā)生一系列變化，主要是強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產(chǎn)生影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不宜超過480℃，而合金鋼的使用溫度不宜超過1150℃。
（3）受腐蝕情況
在工業(yè)上，一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時間內(nèi)單位面積上金屬材料的損失量來表示；也可用單位時間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來表示。工業(yè)上常用6類10級的耐蝕性評級標(biāo)準(zhǔn)，從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕，見表2。
表2 金屬材料耐蝕性的分類評級標(biāo)準(zhǔn)
大多數(shù)工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的，大氣腐蝕是一個普遍的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d，在需要時常涂敷油漆等保護(hù)層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。
（4）耐磨損情況
影響材料耐磨性的因素如下：
① 材料本身的性能：包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。
② 摩擦條件：包括相磨物質(zhì)的特性、摩擦?xí)r的壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。
一般來說，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性較高；如同時具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用過程中，也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會在摩擦中軟化。
一般而言，當(dāng)產(chǎn)品的材料確定后，其成型工藝的類型就大體確定了。例如，產(chǎn)品為鑄鐵件，則應(yīng)選鑄造成型；產(chǎn)品為薄板件，則應(yīng)選板料沖壓成型；產(chǎn)品為ABS塑料件，則應(yīng)選注塑成型；產(chǎn)品為陶瓷件，則應(yīng)選相應(yīng)的陶瓷成型工藝等。然而，成型工藝對材料的性能也產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇成型工藝中，還必須考慮材料的最終性能要求。
（1）產(chǎn)品材料的性能
① 材料的力學(xué)性能。
例如，材料為鋼的齒輪零件，當(dāng)其力學(xué)性能要求不高時，可采用鑄造成型；而力學(xué)性能要求高時，則應(yīng)選用壓力加工成型。
② 材料的使用性能。
例如，若選用鋼材模鍛成型制造轎車、汽車發(fā)動機(jī)中的飛輪零件，由于轎車轉(zhuǎn)速高，要求行駛平穩(wěn)，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產(chǎn)生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成型，而應(yīng)采用閉式模鍛成型。這是因?yàn)?，開式模鍛成型工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進(jìn)行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會被切斷而外露；而閉式模鍛的鍛件沒有飛邊，可克服此缺點(diǎn)。
③ 材料的工藝性能。
材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝；聚四氟乙烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動性差，故不宜采用注塑成型工藝，而只宜采用壓制燒結(jié)的成型工藝。
④ 材料的特殊性能。
材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、導(dǎo)電或絕緣等。例如，耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成型；選用塑料制造，則可用注塑成型；如要求既耐熱又耐腐蝕，那么就應(yīng)選用陶瓷制造，并相應(yīng)地選用注漿成型工藝。
（2）零件的生產(chǎn)批量
對于成批大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可選用精度和生產(chǎn)率都比較高的成型工藝。雖然這些成型工藝裝備的制造費(fèi)用較高，但這部分投資可由每個產(chǎn)品材料消耗的降低來補(bǔ)償。如大量生產(chǎn)鍛件，應(yīng)選用模鍛、冷軋、冷拔和冷擠壓等成型工藝；大量生產(chǎn)非鐵合金鑄件，應(yīng)選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成型工藝；大量生產(chǎn)MC尼龍制件，宜選用注塑成型工藝。
而單件小批生產(chǎn)這些產(chǎn)品時，可選用精度和生產(chǎn)率均較低的成型工藝，如手工造型、自由鍛造、手工焊，及它們與切削加工相聯(lián)合的成型工藝。
（3）零件的形狀復(fù)雜程度及精度要求
形狀復(fù)雜的金屬制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的零件，可選用鑄造成型工藝，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等；形狀復(fù)雜的工程塑料制件，多選用注塑成型工藝；形狀復(fù)雜的陶瓷制件，多選用注漿成形或注射成型工藝；而形狀簡單的金屬制件，可選用壓力加工或焊接成型工藝；形狀簡單的工程塑料制件，可選用吹塑、擠出成型或模壓成型工藝；形狀簡單的陶瓷制件，多選用模壓成型工藝。
若產(chǎn)品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成型工藝。若產(chǎn)品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成型；而精度要求高的，則選用模鍛成型、擠壓成型等。若產(chǎn)品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑；而精度要求高的，則選用注塑成型。
（4）現(xiàn)有生產(chǎn)條件
現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品現(xiàn)有的設(shè)備能力、人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。例如，生產(chǎn)重型機(jī)械產(chǎn)品時，在現(xiàn)場沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運(yùn)輸設(shè)備條件下，常常選用鑄造和焊接聯(lián)合成型的工藝，即首先將大件分成幾小塊來鑄造后，再用焊接拼成大件。
又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機(jī)下沖壓成型，但如果現(xiàn)場條件不具備，則應(yīng)采用其他工藝方法。例如，現(xiàn)場沒有薄板，也沒有大型壓力機(jī)，就不得不采用鑄造成型工藝生產(chǎn)；當(dāng)現(xiàn)場有薄板，但沒有大型壓力機(jī)時，就需要選用經(jīng)濟(jì)可行的旋壓成型工藝來代替沖壓成型。
（5）充分考慮利用新工藝、新技術(shù)、新材料的可能性
隨著工業(yè)市場需求日益增大，用戶對產(chǎn)品品種和品質(zhì)更新的要求越來越強(qiáng)烈，使生產(chǎn)性質(zhì)由成批大量生產(chǎn)變成多品種、小批量生產(chǎn)，因而擴(kuò)大了新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用范圍。
因此，為了縮短生產(chǎn)周期，更新產(chǎn)品類型及質(zhì)量，在可能的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等靜壓成型、復(fù)合材料成型、快速成型等新工藝、新技術(shù)、新材料，采用無余量成型，使零件近凈型化，從而顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。
除此之外，為了合理選用成型工藝，還必須對各類成型工藝的特點(diǎn)、適用范圍以及成型工藝對材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成型工藝的特點(diǎn)見表3。
表3 各種毛坯成型工藝的特點(diǎn)
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