金属材料选用：产品研制开发的关键环节，如何做到科学合理选材？

资料来源于网络，整理分享，仅供参考！

原材料在整个生产制造活动中起着极其重要的作用，材料成本一般占零件成本的70%左右，因此金属材料的选用是产品开发过程中非常重要的关键环节。如何做到科学合理的选材，保证产品零件具有最佳的安全可靠性、最高的使用寿命、良好的经济性和批量生产的稳定性，从而保证产品的安全性、可靠性和舒适性，以最高的性价比参与市场竞争。特别是近年来，随着我国经济的快速发展，工艺技术的不断进步，重型车市场的不断扩大，某厂产销量逐年翻番。因此，作为体现产品设计、制造技术先进性的新材料、新工艺，对材料的要求也越来越高。因此，从多种材料中选择、确定或开发新的适用材料，也会受到多种因素的制约。 通过十余年不断总结经验，认为产品开发中材料的选择与确定应遵循的基本原则是：“保证质量、合理选材、节约材料、有效管理”。即：设计选材首先应从认真分析产品零件的受力情况、工作条件、结构形式入手，充分了解和分析产品用零件的重要安全特性和产品有效寿命周期内或零件在三包期内可能出现的失效形式，确定具体的设计计算方法，选取能满足产品性能要求和抗失效效果的主要性能参数。必要时进行CAE可靠性分析，充分进行系统分析，掌握零件用材料的性能要求、成分要求、工艺和热处理要求，以及金相组织、缺陷和供应状况要求、原材料的资源和价格状况等。产品金属材料的选择与确定应遵循的基本原则：

1、必须满足产品零件的性能要求。首先，采用常规强度理论计算力学性能。其中，力学性能主要包括：抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率、冲击功、硬度等。这些性能除受材料的冶炼方法、化学成分影响外，还与零件的截面尺寸、形状、热处理条件等有关。其中，金属材料的力学性能可以查阅相应的材料标准或相关手册。这些数据是通过大量的试验、生产实践、系统的论证和分析得出的，并根据长期的统计积累上升为各级标准。因此，设计人员在对产品零件进行强度计算时，可以根据零件的载荷大小、分配方式、工作条件等，直接从相应的材料标准中选择，经验证后完成零件图样设计、材料牌号和标准选择。通过改变结构，可以提高零件的强度，减轻零件的重量，节省钢材。 但强度和韧性都是相对的，不宜过分强调强度，因为强度过高会在一定程度上降低钢材的韧性。零件结构对刚度有一定的要求，不允许随着钢材强度的提高而过分减小截面，使强度过高的钢材不能充分发挥其作用。换言之：选用脆性材料的原则只适用于静载荷，当有冲击条件时，应选用塑性材料。另外，在零件设计时，应采用合理的热处理技术要求，充分发挥金属材料的热处理性能和潜力。

2、应充分考虑零件的工作环境、条件和结构。当工作中可能或经常发生磨损时，应选用表面处理和热处理适宜的钢材或高碳钢。进一步提高零件的表面硬度或本体硬度，以增强或满足其耐磨性要求。当工作环境比较炎热潮湿时，应选用防锈、防腐性能好的材料。如不锈钢、耐候钢或有色金属等。当工作温度或环境温度变化较大或工作极限温度较高或较低时，应选用线膨胀系数和高温力学性能变化相对较小的材料，并有适宜的低温冷脆性和冲击性能。为避免因线膨胀系数不同，使配合零件产生过大的热应力或配合过松或高温变形或低温脆裂、低温冲击断裂等现象。选用超高强度钢时，要根据零件的结构特点，慎重选用强度和韧性相对适中的钢材。 也就是说：在选用高强度钢时，必须兼顾其适中的韧性。否则，特别是一些薄壁件，有时一味追求高强度而忽略韧性的下降，最终会因韧性储备不足而导致零件频繁发生脆性断裂的现象。除上述特殊情况外，一般零件应优先选用碳素钢或低合金结构钢。其中，低合金结构钢是在碳素钢的基础上加入一些合金元素。因此，与碳素钢相比，它具有较好的韧性、塑性和焊接性。此外，由于加入了Al、Nb、Ti等耐候或细化晶粒的元素，还具有优良的耐腐蚀性能或较低的脆性转变温度。

3、要充分考虑钢材的冶炼工艺和冶炼质量。钢材冶炼的质量直接关系到零件的使用性能和寿命，而钢材冶炼的质量又与冶炼设备和冶炼工艺有直接关系。例如，钢中夹杂物的存在，会导致钢的塑性和冲击值的下降，也是疲劳损伤的根源；气孔、疏松的存在，会造成产品力学性能的不均匀；严重的表面脱碳，会降低钢材的表面强度和硬度。因此，在选用钢材时，要对其冶炼设备、冶炼工艺和冶炼质量的控制和要求给予足够的重视。例如，在零件制造过程中，经常出现的裂纹（或发丝裂纹），主要问题是：氧化物的含量、形状和尺寸。而影响夹杂物的主要原因是钢的冶炼方法。 那么单纯地要求夹杂物小于几级，如何取样，如何判定，都不能从根本上解决问题。根本问题是：生产厂家有没有转炉，电炉设备，炉外有没有精炼设备等。因此，对一些安全、重要部位及钢材的放行许可，必须充分调查研究。

4、应满足零件的工艺性要求。零件的使用性能除了设计的先进性和科学性外，还与所选材料的工艺性密切相关。在选择材料时，了解其工艺性是非常必要的。塑性变形和焊接性能主要与材料的化学成分、纯度、强度和韧性有关。当C含量较高（C>0.25%）、淬硬性较高时，强度也较高，成形相对困难，由于回弹等因素，成形尺寸难以控制，焊接也困难。对于冷加工切削零件，选择材料时的工艺性要求主要应考虑其切削加工性和效率。例如：如果材料的强度和硬度过高，对刀具和操作者的要求也较高，加工会相对困难一些，但零件的表面光洁度会提高；如果材料的强度和硬度过低，则容易粘刀，切削效率低，零件的表面粗糙度也难以控制。 另外，当需要进行大型、高效的数控机床加工时，应优先选用合适的易切削钢，并严格控制S含量的上下限。对于冷弯冲压件，选材时除考虑强度要求外，还应考虑冷弯冲压工艺性能，即弯曲芯径、n、r值等。同时，影响冷弯冲压性能的因素还有：成分、金相组织、夹杂物、加工性能、表面质量、轧制方向、滑移周期等。对于锻件，选材时的工艺性要求主要考虑冷、热顶锻性能、金相组织、表面质量等，否则任何弱性能都会通过锻造过程表现为内部或外部缺陷，如裂纹等。对于焊接件，选材时的工艺性要求主要考虑成分。低碳钢（C≤0.25%）和低合金钢焊接性能优良，另外，其他钢种需要特殊的焊接工艺，焊接质量难以保证。 当工序复杂时，选择材料时应考虑工序的顺序。 例如，先进行机械加工时，应主要考虑力学性能；当进行锻造或其他热加工时，应主要考虑化学性能，再通过随后的热处理等工序来获得零件的最终使用性能和其他力学性能。

5、充分考虑材料的资源利用、标准化、再利用和统一化。材料的选用必须立足国内资源，考虑国家资源的合理利用和目前国内生产供应形势。例如，含Ni、Cr、Cu等稀有元素的国产材料，应尽量少用或不用。在保证零件使用性能的前提下，尽量采用含Mn合金代替Ni、Cr合金。选用材料时，应优先考虑我国标准材料，尽量少用非标准材料。同时，尽量采用普通、常用材料，特殊规格、牌号、标准的材料，尽量不用或少用。选用材料时，要充分考虑其通用性。我们知道，任何产品技术的发展和进步，都靠继承和创新。没有创新，产品就不能赢得市场和用户。同样，没有继承，创新也无从谈起。尤其对于产品，市场用户对其各方面的需求是不断变化的。 由于设计时间和设计人员的不同，对同一种材料往往给出不同的技术要求，给采购、检验、管理以及生产使用的通用性带来很多不便，不仅增加了材料成本，造成不必要的浪费，而且直接制约了生产进度。因此，应运用材料标准化的原则，合理地减少、统一和通用材料要求，在保证产品质量和满足工艺要求的前提下，使不同产品同类零件的材料选用和要求达到高度统一，从而实现系列产品所用材料的标准化。

6、应充分考虑材料的经济性。材料的经济性首先是材料本身的相对价格。当用通用性强、价格低廉的材料就能满足要求时，就不应使用价格昂贵的材料。例如，需要切削加工的零件，应选用热轧钢材，而不应选用价格相对昂贵的冷轧钢材。碳钢能满足使用要求的，就不应选用合金钢；能用铸铁的，就不应选用铸钢。这些基本原则对大批量生产的零件尤为重要。材料的正确使用热处理技术，通过改变材料的组织特性，扩大其使用范围，对提高产品质量、降低成本、延长零件使用寿命有着十分重要的意义。因此，要充分发挥材料本身的潜力，不断创新和提高材料的加工性能和使用性能。 例如，对低碳钢或低合金钢采用淬火工艺，可获得低碳马氏体组织，既可提高材料的强度和韧性，又可满足零件较好性价比的要求。积极提高材料利用率，降低材料成本。例如：采用无切削或少切削工艺（如精密铸造、模锻、冷拔等）；将冲压板料改卷、套料、排料、小件再利用等工艺，最大限度提高材料利用率，降低材料成本和生产成本。在保证产品质量的前提下，选材特殊要求越少，验收项目越少，越容易通过比质比价的方式采购。严格控制材料替代。特殊情况需要材料替代时，在满足材料性能的前提下，尽量用化学成分和力学性能相近的材料替代。例如：用合金钢代替碳钢，用不锈钢代替一般合金钢，用棒料代替管料。

总之，产品研发中材料的选择和确定应遵循一定的原则，在保证零件产品性能和工艺性能的前提下，还应充分考虑其实用性和当地国内资源条件，在优先选择的基础上，合理压缩材料的品种和规格，选用的材料应科学合理、常用易购，避免和减少一切不必要的浪费。同时，应采用合理的控制和稳定的供应方式，保证供应材料的质量稳定性，避免因采购、管理、供应等方面的差异而引起的一切质量波动和损失。