零件選材的原則通常為滿足使用要求、擁有良好的可加工性及最低的成本。選材的方法就是三者兼顧，并取得最佳的平衡。

選材問題不僅對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員十分重要，對(duì)一般的工程技術(shù)人員和管理人員等也是必不可少的。例如2000 年三峽水電站大壩工程為制造壩底輸水管由日本進(jìn)口了一批50 mm 厚的低碳鋼板，由于壩底輸水管要承受很大的壓力，并且所處的方位要求具有無限長(zhǎng)壽命，所以材料必須達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度、塑性指標(biāo)。但進(jìn)口檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)這批板的性能未達(dá)標(biāo)，為此中方要求退貨并索賠。日方起初根本不承認(rèn)，后經(jīng)雙方多次抽樣及性能檢測(cè)，鐵的事實(shí)使得日方不得不承認(rèn)這批板在生產(chǎn)時(shí)，由于為了降低成本調(diào)整工藝導(dǎo)致性能不合格，最終日方同意退換并賠償中方所造成的一切經(jīng)濟(jì)損失。事實(shí)證明，不僅從事大壩施工的技術(shù)人員，與這起對(duì)外貿(mào)易有關(guān)的海關(guān)人員、管理人員、律師等都得對(duì)選材原則有所了解。

1、選材原則

1.1、滿足使用要求

材料的使用性能應(yīng)滿足服役條件，這是保證實(shí)現(xiàn)零件的設(shè)計(jì)功能以及安全耐用的必要條件，也是選材的基本出發(fā)點(diǎn)。使用性能是指零件在一定條件下，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目的或者規(guī)定用途的能力，這里主要是指在零件的服役條件下材料所應(yīng)該具備的力學(xué)性能以及物理和化學(xué)性能。對(duì)工程機(jī)械而言，首要的是力學(xué)性能。對(duì)一些在承受沖擊、腐蝕、高溫或高壓等特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)零件的服役條件綜合考慮材料的物理、化學(xué)性能。下面談?wù)劄闈M足材料服役條件的選材方法。

1) 系統(tǒng)分析零件服役條件來疏理出其使用性能。零件的服役條件包括：受力情況，如載荷的性質(zhì)、形式、分布及大小、應(yīng)力狀態(tài)；環(huán)境狀況，如工作溫度、工作介質(zhì)有無腐蝕性；零件外形，是否有厚薄不均、靠近邊角處有孔或細(xì)長(zhǎng)軸等形態(tài)；有無其它特殊要求，如對(duì)導(dǎo)電性、熱膨脹、磁性、熔點(diǎn)、密度、外觀的要求等。在對(duì)服役條件系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上確定零件的使用要求，例如在沖擊載荷下工作應(yīng)具有足夠的韌性；交變載荷作用下要求有較高的疲勞強(qiáng)度；在磨擦環(huán)境中要求具備高硬度和耐磨性；在酸堿等腐蝕介質(zhì)中服役要求一定的耐蝕及耐酸性；在高溫高載荷條件下服役應(yīng)具有高溫強(qiáng)度和抗氧化性能；制造儀表等精密零件要使用無磁性的奧氏體鋼以排除地磁場(chǎng)的干擾；對(duì)厚薄不均或邊角有孔的零件應(yīng)考慮應(yīng)力集中的影響，對(duì)零件的外形進(jìn)行調(diào)整等等。

2) 通過對(duì)零件失效分析來確定其最主要的使用性能。失效分析好似一面鏡子，不斷反映零件所固有的，以及質(zhì)量控制中的最薄弱的環(huán)節(jié)。通過失效分析找出導(dǎo)致失效的主導(dǎo)因素，可以迅速準(zhǔn)確地確定零件必備的主要使用性能，以便采取措施極大地延長(zhǎng)零件壽命。如八十年代我國(guó)從美國(guó)進(jìn)口了一批黑鷹直升機(jī)，其中一架在青藏高原執(zhí)行任務(wù)時(shí)發(fā)生墜機(jī)事故，經(jīng)中美雙方專家對(duì)回收的飛機(jī)殘骸進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)是其尾部減速齒輪軸疲勞失效引起的。由于及時(shí)準(zhǔn)確的失效分析，科學(xué)地判明了飛機(jī)失事的原因，確定直升機(jī)尾部減速齒輪軸疲勞性能是主要的使用性能之一，其后美方抓住主要矛盾，果斷地采取了一系列預(yù)防措施，如加強(qiáng)探傷、采取新的表面強(qiáng)化處理工藝等，從而杜絕了同類事故的發(fā)生。

3) 用計(jì)算機(jī)建模將零件的使用性能具體轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)。根據(jù)零件的外形、工作環(huán)境及所承受的載荷狀況，利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備或計(jì)算機(jī)模擬零件的服役條件，制作與零件同材質(zhì)的試樣進(jìn)行模擬運(yùn)作，分析其應(yīng)力分布并進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)在長(zhǎng)期工程實(shí)踐中建立的工作應(yīng)力、使用壽命或安全性與實(shí)驗(yàn)室性能指標(biāo)的關(guān)系，推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)的具體數(shù)值。這樣可以大大簡(jiǎn)化選材過程，只需對(duì)照實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能指標(biāo)的數(shù)據(jù)，利用各類技術(shù)手冊(cè)就可以選材了。

但是，必須注意到零件實(shí)際的服役狀況與實(shí)驗(yàn)室模擬的條件并不能簡(jiǎn)單地等同起來，因此手冊(cè)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件所給出的力學(xué)性能數(shù)據(jù)并不能無條件地適用工程實(shí)際，在生產(chǎn)實(shí)踐中還必須綜合考慮材料的化學(xué)成分、加工方法及處理特點(diǎn)，并對(duì)零件尺寸與手冊(cè)中試樣尺寸的差別進(jìn)行分析，再進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?、整補(bǔ)等處理后才可以使用。此外，選材時(shí)不僅要考慮材料的成分，還要考慮材料的強(qiáng)化手段，有時(shí)通過兩者的有機(jī)結(jié)合和適當(dāng)?shù)臒崽幚?，往往可以將廉價(jià)材料制成高性能的零件。

總之，當(dāng)初步選定材料后，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上再做臺(tái)架試驗(yàn)和裝機(jī)試驗(yàn)，在取得成效后小批量生產(chǎn)，待材料力學(xué)性能的可靠性獲得認(rèn)可后，方能最后定型并投產(chǎn)使用。

1.2、保證工藝性能

材料的工藝性能可定義為材料經(jīng)濟(jì)地適應(yīng)各種加工工藝而獲得規(guī)定的使用性能和外形的能力。選材時(shí)要特別考慮材料的工藝性能，因?yàn)楣馐遣牧系氖褂眯阅芊弦螅荒芗庸こ伤蟮男螤钜膊荒苁褂?。如鋼材的抗拉?qiáng)度若接近1500 MPa，進(jìn)行機(jī)械加工就很困難了。用SiN 陶瓷刀具進(jìn)行車、刨都還勉強(qiáng)，鉆孔、攻內(nèi)螺紋就幾乎不可能了。所以對(duì)于使用的高強(qiáng)度鋼材，應(yīng)使其處于低強(qiáng)度狀態(tài)進(jìn)行加工，在其達(dá)到規(guī)定的形狀后再通過熱處理使其達(dá)到高強(qiáng)度。通常情況下，我們是根據(jù)以下幾個(gè)方面來考慮材料的工藝性的。

1) 鑄造性能：主要包括流動(dòng)性、收縮性、偏析、充型能力、吸氣性等。收縮性是指鑄件凝固時(shí)體積收縮的能力；偏析是指化學(xué)成分不均性；充型能力是指液態(tài)合金充滿鑄型，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力；吸氣性是指在熔煉和澆注時(shí)吸收氣體的性能。一般來說凡合金相圖上液-固相線距離較近且靠近共晶成分的合金其鑄造性能就好。因此相圖具備這種特點(diǎn)的鑄造鋁合金、鑄造銅合金等就具有優(yōu)良的鑄造性能。同樣道理，在工程上應(yīng)用最廣的鋼鐵材料中，鑄鐵的鑄造性能就大大優(yōu)于鑄鋼；而中、低碳鋼的鑄造性能又優(yōu)于高碳鋼，所以一般高碳鋼是不用于鑄件的。

2) 壓力加工性能：是指利用金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，能獲得具有一定形狀、尺寸和力學(xué)性能的原材料、毛坯或零件的生產(chǎn)方法。一般情況，鑄鐵由于其高脆性無法進(jìn)行壓力加工，而鋼由于具有一定的塑性是可以進(jìn)行壓力加工的，由于鋼的塑性依其成分呈現(xiàn)較大差異，隨著鋼中碳及合金元素含量的增高，塑性顯著降低，壓力加工性能也逐漸變差。因此高碳鋼或高碳高合金鋼( 如高鉻鋼、高速鋼等) 一般只能進(jìn)行熱壓力加工，而且其熱加工性能也較差。而低碳鋼、變形鋁合金及大多數(shù)銅合金等非鐵金屬，由于其良好的塑性具有較好的壓力加工性能。

3) 焊接性能：包括焊接應(yīng)力、變形及晶粒粗化傾向，焊縫脆性、裂紋、氣孔及其它缺陷傾向等。鋼鐵材料的焊接性能隨著材料中碳及合金元素含量的升高而變差。一般情況下，鋼比鑄鐵、碳鋼比合金鋼易于焊接，且低碳鋼的焊接性能最好。鋁合金、銅合金的焊接性能一般不好，應(yīng)采用一些高級(jí)的焊接方法，如氬弧焊或特殊措施進(jìn)行焊接。

4) 機(jī)械加工性能：指切削抗力、零件表面光潔度、排除切屑難易程度及刀具磨損量等。一般來說材料的硬度越高，加工硬化越強(qiáng)，切屑不易斷排，刀具越易磨損，其機(jī)械加工性能就越差。

5) 熱處理工藝性能：指材料的熱敏感性、氧化、脫碳傾向、淬透性、回火脆性、淬火變形和開裂傾向等。這些性能均取決于材料的化學(xué)成分與組織，成為選材和制定生產(chǎn)工藝的重要依據(jù)。

綜上所述，與使用要求相比，工藝性能往往處于次要地位；但在某些情況下，工藝性能也可成為生產(chǎn)中首要考慮的因素。針對(duì)不同產(chǎn)品的制造，鑄造、鍛造、粉末冶金和焊接組裝等毛坯生產(chǎn)方法會(huì)有不同的生產(chǎn)成本。一般情況下復(fù)雜的零件或大批量的零件用鑄造法比較好，對(duì)小批量生產(chǎn)的大尺寸簡(jiǎn)單構(gòu)件則用機(jī)加工法更上算。對(duì)于一些精密構(gòu)件，往往用粉末冶金的方法生產(chǎn)毛坯會(huì)有較好的經(jīng)濟(jì)效益，雖然金屬粉末原材料價(jià)格并不便宜，但由于不需要切削加工，因而具有更低的成本。對(duì)大型企業(yè)而言，由于規(guī)模生產(chǎn)，工藝周期的長(zhǎng)短和加工費(fèi)用的高低，往往成為企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。因此迫切要求材料工藝性能的穩(wěn)定，只有采用的加工工藝穩(wěn)定，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。如使用板材進(jìn)行冷加工的工廠，必須要求板材的硬度等性能指標(biāo)穩(wěn)定，才能在相同的工藝條件下，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

1.3、兼顧生產(chǎn)成本

除了使用性能與工藝性能外，生產(chǎn)成本也是選材必須考慮的重要問題。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的條件下，企業(yè)的生存取決于產(chǎn)品的成本和利潤(rùn)，因此在材料的選用上價(jià)格是一個(gè)必須考慮的重要因素。我們應(yīng)合理地選用材料，使其性能充分發(fā)揮，做到“物盡其用”。

選材的經(jīng)濟(jì)性不僅僅體現(xiàn)在所選材料本身的價(jià)格，更重要的是采用的制造工藝，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時(shí)所選材料應(yīng)符合國(guó)家的資源和供應(yīng)情況。

1) 材料的價(jià)格：材料的價(jià)格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在許多工業(yè)部門中可占產(chǎn)品價(jià)格的30% ～ 70%，不同材料的價(jià)格差異很大，而且在不斷變動(dòng)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)材料的市場(chǎng)價(jià)格有所了解，并時(shí)時(shí)關(guān)心材料的市場(chǎng)價(jià)格變動(dòng)情況，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。

2) 國(guó)家的資源狀況：隨著工業(yè)的發(fā)展，資源的問題日益突出，選用材料時(shí)必須對(duì)此有所考慮，特別是對(duì)于大批量生產(chǎn)的零件，所用的材料應(yīng)該是來源豐富并符合我國(guó)的資源狀況的。例如，我國(guó)缺鉬，但是鎢卻十分豐富，所以我們選用高速鋼時(shí)就要盡量多用鎢高速鋼，而少用鉬高速鋼；再如我國(guó)的稀土儲(chǔ)量約占全世界總儲(chǔ)量的80%，因此，在選擇合金化元素時(shí)，應(yīng)在可能的情況下盡量使用稀土元素。另外同一單位所選用的材料和種類、規(guī)格，應(yīng)盡量少而集中，便于集中采購(gòu)和管理，減少不必要的附加費(fèi)用。

3) 零件的總成本：由于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的要求，選材從幾個(gè)方面影響零件的總成本，也就是材料的價(jià)格，零件的自重，零件的壽命、零件的加工費(fèi)用、試驗(yàn)研究費(fèi)( 為采用新材料所必須進(jìn)行的研究與試驗(yàn)費(fèi)) 及維修費(fèi)等。要綜合考慮以上因素，選用材料時(shí)使零件的總成本降至最低。

2、其他需要考慮的因素

除了以上這些原則以外，近年來考慮人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，使我們的子孫后代仍能在地球上生存下去，能源和環(huán)保也是選材時(shí)必須考慮的兩個(gè)重要因素。

1973 年阿拉伯國(guó)家對(duì)西方進(jìn)行石油禁運(yùn)而導(dǎo)致的能源危機(jī)，促使美國(guó)政府用法律規(guī)定了汽車的耗油量上限，這樣就使得美國(guó)的汽車公司開發(fā)高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料來減輕汽車的油耗，這時(shí)材料的比強(qiáng)度就成為選材的重要條件之一。

再比如建筑物窗戶所用材料，除考慮美觀、安全外，節(jié)能也成為一個(gè)重要因素，自古以來都用木窗?？紤]到環(huán)境保護(hù)，60 年代用鋼窗代替了木窗，80 年代用鋁合金代替了鋼窗，近年來又有用塑鋼窗代替鋁合金窗的趨勢(shì)。在隔熱保溫方面塑鋼優(yōu)于鋁合金，鋁合金又優(yōu)于鋼。窗的隔熱好，就容易做到室內(nèi)冬暖夏涼，減少使用空調(diào)、暖氣，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

在材料設(shè)計(jì)和制造上必須考慮到廢棄材料的回收、再生利用。這樣一方面可以減輕地球的環(huán)境負(fù)擔(dān)，另一方面變廢為寶，也可避免資源枯竭。在材料使用上，也應(yīng)盡量采用這種可回收利用的材料。目前日常生活中，司空見慣的一次性筷子與塑料包裝袋的使用就是一個(gè)突出的問題。如果每個(gè)人在材料使用上都有環(huán)境意識(shí)，人類社會(huì)就會(huì)得到可持續(xù)發(fā)展。另外，從環(huán)境保護(hù)角度選材還包括材料制造、使用過程中要盡量減少環(huán)境污染的問題。

3、結(jié)語(yǔ)

選材時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)零件的服役條件和失效形式找出該零件的主要力學(xué)性能指標(biāo)；其次，選用的材料應(yīng)具有良好的加工工藝性，能夠保證零件便于加工制造；第三，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，材料還應(yīng)有較好的經(jīng)濟(jì)性，使零件的總成本最低，使用壽命又最長(zhǎng)；最后，從人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，也要考慮能源和環(huán)保這兩個(gè)重要因素?？傊?，選材的任務(wù)就是求得它們之間的平衡和統(tǒng)一。