材料及成型工艺选择的基本原则：适用性、工艺性和经济性

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基本原理

在选择材料和成型工艺时，需要考虑材料性能在工作条件下是否满足要求，用该材料制造零件时是否容易成型加工。 同时，还需要考虑材料或零件的生产和使用是否经济等因素，即考虑适用性、加工性和经济性三个方面。

适用性原则

适用性原则是指所选用的材料必须能适应工况条件，满足满意的使用要求。满足使用要求是材料选择的必要条件，是选用材料时首先要考虑的问题。

材料的使用要求体现在其化学成分、组织结构、力学性能、物理性能、化学性能等内在质量的要求上。为满足材料的使用要求，在选用材料时，主要考虑零件的载荷条件、材料的使用环境和材料的使用性能要求三个方面。零件的载荷条件主要指载荷的大小和应力状态。材料的使用环境指材料所处的环境，如介质、工作温度、摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用寿命、材料的各种广义许用应力、广义许用变形等。只有充分考虑以上三个方面，材料才能满足使用性能要求。

工艺原理

一般来说，材料一旦选定，它的加工工艺就大致可以确定了。同时，加工过程会改变材料的性能；零件的形状和结构、生产批次和生产条件等也对材料加工工艺有重大影响。

加工性原则是指在选用材料时应考虑材料的加工工艺性，优先选择加工工艺性好的材料，以降低材料的制造难度和成本。

每种成型工艺都有各自的特点和优缺点。采用不同的成型工艺制造同一材料的零件时，其难度和成本是不同的，所要求的材料工艺性能也不尽相同。例如，当零件形状比较复杂、尺寸较大时，用锻造方法往往难以实现。若采用铸造或焊接，则材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能，结构也必须满足铸造或焊接的要求。再如，采用冷拔工艺制造键、销时，要考虑材料的伸长率，还要考虑变形强化对材料力学性能的影响。

经济原则

在满足材料使用要求和工艺要求的同时，还要考虑材料的经济性。经济性原则就是在选用材料时，应选用性能价格比高的材料。材料的性能是指材料在使用时的性能，材料在使用时的性能一般可以用使用时间、安全等级来表示。材料的价格主要由成本决定，材料的成本包括生产成本和使用成本，一般材料成本由原材料成本、原材料利用率、材料成型成本、加工费、安装调试费、维护费、管理费等因素决定。

选择材料和成型工艺的步骤、方法和依据

选择材料和成型工艺的步骤是：首先根据使用工况​​条件和要求选择材料，然后根据所选材料，结合材料的成本、材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有的生产条件和技术条件等，选择合适的成型工艺。

选择材料及其成型工艺的步骤和方法

分析零件的使用情况，了解零件在使用过程中的具体载荷情况、应力状态、温度、腐蚀和磨损情况。

大多数零件是在常温大气条件下使用的，主要要求是材料的力学性能。在其它条件下使用的零件，还要求材料必须具有某些特殊的物理化学性能。例如，在高温条件下使用时，要求零件材料具有一定的高温强度和抗氧化性能；化工设备要求材料具有较高的耐腐蚀性能；某些仪器仪表零件要求材料具有电磁性能等。在严寒地区使用的焊接结构，还应附加要求其具有低温韧性；在潮湿地区使用时，还应附加要求其具有耐大气腐蚀性能。

（1）通过分析或试验，结合类似材料失效分析结果，确定材料使用的广义许用应力指标，如许用强度、许用应变、许用变形和使用寿命等。

（2）找出主、次广义允许应力指标，并将重要指标作为材料选择的主要依据。

（3）根据主要性能指标，选择几种符合要求的材料。

（4）根据材料的成型工艺性、零件的复杂程度、零件的生产批量、现有的生产条件和技术条件，选择材料及其成型工艺。

（5）综合考虑材料成本、成型加工性、材料特性、使用可靠性等，运用优化方法，选择最合适的材料。

（6）必要时，所选材料必须经过试生产，然后进行验证或调整。

以上只是选材步骤的一般规律，工作量和时间消耗相当大。对于重要的零件和新材料，选材时需进行大量的基础试验和批量试制过程，以保证材料使用的安全性。对于重要性较低、批量较小的零件，通常根据同类材料在相同工况条件下的使用经验来选择材料，并确定材料的牌号和规格，安排成型工艺。如果零件的损坏属于正常现象，可采用原有的材料和成型工艺；如果零件的损坏属于非正常早期损坏，应查找失效原因，采取相应措施。如果是材料或其生产工艺方面的问题，可考虑采用新材料或新的成型工艺。

选材依据

（1）载荷条件

工程材料在使用过程中要承受各种力的作用，包括拉应力、压应力、剪应力、剪切应力、扭矩、冲击力等。材料在载荷作用下工作时，其力学性能、破坏形式与载荷条件密切相关。

在工程实际中，任何机械与结构在完成运动要求的同时，都要保证其能够安全可靠地工作。例如，为保证机床主轴的正常工作，主轴受力后不允许断裂或变形过大。又如，千斤顶在举升重物时，其丝杠必须保持直线平衡状态，不允许突然弯曲。对于工程零部件而言，只有满足强度、刚度、稳定性的要求，才能安全可靠地工作。其实，在材料力学中，对材料的这三项要求都有特定的使用条件。在分析材料的受力情况或根据受力情况进行材料选择时，除了要考虑材料的力学性能外，还需应用材料力学的有关知识，科学地选用材料。

表1 几种常见零部件的受力情况、失效形式及所需力学性能

成分

工作环境

常见故障模式

主要力学性能要求

压力类型

荷载性质

其他

普通紧固螺栓

拉伸应力

剪切应力

静载荷

过度变形和断裂

屈服强度

剪切强度

传动轴

弯曲应力

扭转应力

周期性冲击

轴颈处的摩擦和振动

疲劳损坏、过度变形、轴颈磨损

综合力学性能

传动齿轮

压缩应力

弯曲应力

周期性冲击

强烈摩擦、振动

磨损、点蚀、剥落、齿断裂

表面：硬度、弯曲疲劳强度、接触疲劳抗力；芯部：屈服强度、韧性

春天

扭转应力

弯曲应力

周期性冲击

振动

失去弹性，疲劳断裂

弹性极限、屈服比、疲劳强度

油泵柱塞副

压缩应力

周期性冲击

摩擦、油腐蚀

穿

硬度、抗压强度

冷作模具

复杂应力

周期性冲击

强摩擦

磨损

硬度、足够的强度、韧性

压铸

复杂应力

周期性冲击

高温、摩擦、液态金属腐蚀

热疲劳、脆性断裂、磨损

高温强度、抗热疲劳性、韧性和红硬性

滚动轴承

压缩应力

周期性冲击

强摩擦

疲劳断裂、磨损、点蚀和剥落

耐接触疲劳性、硬度、耐磨性

曲轴

弯曲应力

扭转应力

周期性冲击

轴颈摩擦

脆性断裂、疲劳断裂、侵蚀、磨损

疲劳强度、硬度、抗冲击疲劳性能、综合力学性能

关联

拉伸应力

压缩应力

周期性冲击

脆性断裂

压缩疲劳强度、抗冲击疲劳强度

（2）材料工作温度

大部分材料都是在常温下使用的，但也有在高温或低温下使用的材料，由于使用温度不同，所要求的材料性能也有很大差别。

随着温度的降低，钢铁材料的韧性和塑性不断降低。当温度降到一定程度时，它的韧性和塑性就显著下降。这个温度叫韧-脆转变温度。在韧-脆转变温度以下使用时，材料易发生低应力脆性断裂，造成危害。因此，在选择低温使用的钢材时，应选用韧-脆转变温度低于使用条件的材料。各种低温钢合金化的目的，就是为了降低碳含量，提高材料的低温韧性。

随着温度的升高，钢铁材料的性能会发生一系列的变化，主要是强度和硬度下降，塑性和韧性先升高后降低，而且钢铁在高温下会发生氧化或腐蚀。这些都会影响材料的性能，甚至使材料失效。例如一般碳钢、铸铁的工作温度不宜超过480℃，合金钢的工作温度不宜超过1150℃。

（3）腐蚀条件

工业上一般用腐蚀速率来表示材料的耐腐蚀性能。腐蚀速率用单位时间内单位面积损失的金属材料量来表示；也可以用单位时间内金属材料的腐蚀深度来表示。工业上常用6类10级的耐腐蚀等级标准，从完全耐腐蚀的I级到不耐腐蚀的VI级，如表2所示。

表2 金属材料耐腐蚀性能分类及评级标准

大部分工程材料都在大气环境中工作，大气腐蚀是普遍存在的问题。大气的湿度、温度、日照、雨水及腐蚀性气体含量对材料的腐蚀影响很大。常用合金中，碳钢在工业大气中的腐蚀速度为10^-605m/d，必要时常涂敷油漆等防护层后使用。含有铜、磷、镍、铬等合金成分的低合金钢，耐大气腐蚀性能大大提高，一般不涂油漆可直接使用。铝、铜、铅、锌等合金对大气腐蚀的耐蚀性都很强。

（4）耐磨性

影响材料耐磨性的因素有以下几点：

①材料本身的性质：包括硬度、韧性、加工硬化能力、热导率、化学稳定性、表面状态等。

②摩擦条件：包括摩擦材料的特性，摩擦时的压力、温度、速度，润滑剂的特性，腐蚀情况等。

一般来说，硬度高的材料不易被摩擦物体穿透或犁削，其疲劳极限一般较高，因此耐磨性较高。如果还具有较高的韧性，即使被穿透或犁削，也不会被撕成碎片，可以提高耐磨性。所以，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用过程中也会发生变化。易加工硬化的金属在摩擦过程中变硬，而易受热软化的金属在摩擦过程中也会变软。

材料成形工艺选择依据

一般来说，产品的材料一旦确定，其成型工艺类型也就大致确定了。例如，产品为铸铁件，则应选择铸造成型；产品为薄板件，则应选择钣金冲压成型；产品为ABS塑料件，则应选择注塑成型；产品为陶瓷件，则应选择相应的陶瓷成型工艺等。但成型工艺对材料的性能也有一定的影响，因此在选择成型工艺时，还必须考虑材料最终的性能要求。

（1）产品材质性能

①材料的力学性能。

例如，对于钢制成的齿轮零件，当力学性能要求不高时，可以采用铸造；但当力学性能要求较高时，应采用压力加工。

②材料的性能。

例如，若用钢模锻制造轿车及汽车发动机中的飞轮零件，由于轿车速度高，要求行驶平稳，飞轮锻件在使用过程中不允许有裸露的纤维，以免腐蚀，影响其使用性能。因此，不宜采用开式模锻，而应采用闭式模锻。这是因为开式模锻工艺只能锻造出带有飞边的飞轮锻件，在随后的飞边切割、修整工序中，锻件的纤维组织会被切断而裸露；而闭式模锻的锻件没有飞边，可以克服这一缺点。

③材料的加工性能。

材料的工艺性能包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。例如，易氧化、易吸气的有色金属材料，焊接性较差，因此应优先采用氩弧焊进行连接，而不是普通的手弧焊。聚四氟乙烯虽然也属于热塑性塑料，但流动性较差，因此不宜采用注塑工艺，只能采用压制和烧结工艺。

④材料的特殊性能。

材料的特殊性能包括耐磨、耐腐蚀、耐热、导电或绝缘等。例如，耐酸泵的叶轮、壳体若采用不锈钢，则只能采用铸造方法；若采用塑料，则可采用注塑方法；如果既要求耐热又要求耐腐蚀，则应采用陶瓷，并据此选择注浆成型工艺。

（2）零件生产批次

对于大批量生产的产品，可选用精度和生产率相对较高的成型工艺，虽然这些成型工艺设备的制造费用较高，但这部分投资可以通过每件产品材料消耗的减少来补偿。例如，锻件大批量生产，应选用模锻、冷轧、冷拔、冷挤压等成型工艺；有色合金铸件大批量生产，应选用金属型铸造、压力铸造、低压铸造等成型工艺；MC尼龙件大批量生产，宜选用注射成型工艺。

当单件、小批量生产这些产品时，可采用精度和生产率较低的成形工艺，如手工造型、自由锻造、手工焊接以及它们与切削加工的复合成形工艺。

（3）零件形状复杂程度及精度要求

对于形状复杂的金属零件，特别是内在形状复杂的零件，可采用铸造成型技术，如箱体、泵体、缸体、阀体、壳体、床体等；对于形状复杂的工程塑料件，多采用注射成型技术；对于形状复杂的陶瓷件，多采用注浆成型或注射成型技术；对于形状简单的金属件，可采用压力加工或焊接成型技术；对于形状简单的工程塑料件，可采用吹塑、挤出成型或压塑成型技术；对于形状简单的陶瓷件，多采用压塑成型技术。

如果产品是铸件，尺寸要求不高，可选用普通砂型铸造；如果尺寸精度要求高，则根据铸件材质、批量可选用熔模铸造、气化模铸造、压力铸造、低压铸造等。如果产品是锻件，尺寸精度要求低，多采用自由锻造；精度要求高，可选用模锻、挤压成型等。如果产品是塑料件，精度要求低，多采用中空吹塑；精度要求高，可选用注塑。

（4）现有生产条件

现有生产条件是指产品生产现有的设备能力、人员技术水平以及外购可能性等。例如生产重型机械产品时，如果现场没有大容量炼钢炉、大吨位起重运输设备，往往采用铸焊联合成型工艺，即先将大件分割成若干小件进行铸造，然后再焊接成一个大件。

例如车床上的油底壳零件，通常采用薄钢板在压力机下冲压而成，但如果现场条件不具备，则应采用其他工艺方法。例如，如果现场没有薄板或大型压力机，则必须采用铸造工艺生产；当现场有薄板而又没有大型压力机时，则需要采用经济可行的旋压工艺来代替冲压。

（5）充分考虑采用新工艺、新技术、新材料的可能性

随着工业市场需求的不断增长，用户对产品品种、质量更新的要求越来越强烈，使得生产性质由批量大生产向多品种、小批量生产转变，从而扩大了新工艺、新技术、新材料的应用范围。

因此，为了缩短生产周期，更新产品种类和质量，在可能的条件下广泛采用精密铸造、精密锻造、精密冲裁、冷挤压、液态模锻、超塑性成形、注射成型、粉末冶金、陶瓷等静压、复合材料成形、快速成型等新工艺、新技术、新材料，采用零残留成形，可使零件接近净成形，从而明显提高产品质量和经济效益。

此外，为了合理地选择成形工艺，还需要对各种成形工艺的特点、适用范围及其对材料性能的影响等有比较清晰的了解。金属材料各种毛坯成形工艺的特点如表3所示。

表3 各种毛坯成形工艺的特点