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。

選材問題不僅對產(chǎn)品設計人員十分重要，對一般的工程技術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壽命，所以材料必須達到規(guī)定的強度、塑性指標。但進口檢查時發(fā)現(xiàn)這批板的性能未達標，為此中方要求退貨并索賠。日方起初根本不承認，后經(jīng)雙方多次抽樣及性能檢測，鐵的事實使得日方不得不承認這批板在生產(chǎn)時，由于為了降低成本調(diào)整工藝導致性能不合格，最終日方同意退換并賠償中方所造成的一切經(jīng)濟損失。事實證明，不僅從事大壩施工的技術人員，與這起對外貿(mào)易有關的海關人員、管理人員、律師等都得對選材原則有所了解。

1、選材原則

1.1、滿足使用要求

材料的使用性能應滿足服役條件，這是保證實現(xiàn)零件的設計功能以及安全耐用的必要條件，也是選材的基本出發(fā)點。使用性能是指零件在一定條件下，實現(xiàn)預定目的或者規(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該具備的力學性能以及物理和化學性能。對工程機械而言，首要的是力學性能。對一些在承受沖擊、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、化學性能。下面談談為滿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長軸等形態(tài)；有無其它特殊要求，如對導電性、熱膨脹、磁性、熔點、密度、外觀的要求等。在對服役條件系統(tǒng)分析的基礎上確定零件的使用要求，例如在沖擊載荷下工作應具有足夠的韌性；交變載荷作用下要求有較高的疲勞強度；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具有高溫強度和抗氧化性能；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的干擾；對厚薄不均或邊角有孔的零件應考慮應力集中的影響，對零件的外形進行調(diào)整等等。

2) 通過對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致失效的主導因素，可以迅速準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零件壽命。如八十年代我國從美國進口了一批黑鷹直升機，其中一架在青藏高原執(zhí)行任務時發(fā)生墜機事故，經(jīng)中美雙方專家對回收的飛機殘骸進行分析，發(fā)現(xiàn)是其尾部減速齒輪軸疲勞失效引起的。由于及時準確的失效分析，科學地判明了飛機失事的原因，確定直升機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防措施，如加強探傷、采取新的表面強化處理工藝等，從而杜絕了同類事故的發(fā)生。

3) 用計算機建模將零件的使用性能具體轉(zhuǎn)化為實驗室力學性能指標。根據(jù)零件的外形、工作環(huán)境及所承受的載荷狀況，利用實驗室設備或計算機模擬零件的服役條件，制作與零件同材質(zhì)的試樣進行模擬運作，分析其應力分布并進行計算，再根據(jù)在長期工程實踐中建立的工作應力、使用壽命或安全性與實驗室性能指標的關系，推導出實驗室力學性能指標的具體數(shù)值。這樣可以大大簡化選材過程，只需對照實驗室力學性能指標的數(shù)據(jù)，利用各類技術手冊就可以選材了。

但是，必須注意到零件實際的服役狀況與實驗室模擬的條件并不能簡單地等同起來，因此手冊中根據(jù)實驗室條件所給出的力學性能數(shù)據(jù)并不能無條件地適用工程實際，在生產(chǎn)實踐中還必須綜合考慮材料的化學成分、加工方法及處理特點，并對零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別進行分析，再進一步對數(shù)據(jù)進行適當?shù)男拚?、整補等處理后才可以使用。此外，選材時不僅要考慮材料的成分，還要考慮材料的強化手段，有時通過兩者的有機結(jié)合和適當?shù)臒崽幚恚梢詫⒘畠r材料制成高性能的零件。

總之，當初步選定材料后，首先應當進行實驗室驗證，在此基礎上再做臺架試驗和裝機試驗，在取得成效后小批量生產(chǎn)，待材料力學性能的可靠性獲得認可后，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)濟地適應各種加工工藝而獲得規(guī)定的使用性能和外形的能力。選材時要特別考慮材料的工藝性能，因為光是材料的使用性能符合要求，不能加工成所要求的形狀也不能使用。如鋼材的抗拉強度若接近1500 MPa，進行機械加工就很困難了。用SiN 陶瓷刀具進行車、刨都還勉強，鉆孔、攻內(nèi)螺紋就幾乎不可能了。所以對于使用的高強度鋼材，應使其處于低強度狀態(tài)進行加工，在其達到規(guī)定的形狀后再通過熱處理使其達到高強度。通常情況下，我們是根據(jù)以下幾個方面來考慮材料的工藝性的。

1) 鑄造性能：主要包括流動性、收縮性、偏析、充型能力、吸氣性等。收縮性是指鑄件凝固時體積收縮的能力；偏析是指化學成分不均性；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行壓力加工，而鋼由于具有一定的塑性是可以進行壓力加工的，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，應采用一些高級的焊接方法，如氬弧焊或特殊措施進行焊接。

4) 機械加工性能：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，切屑不易斷排，刀具越易磨損，其機械加工性能就越差。

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)方法會有不同的生產(chǎn)成本。一般情況下復雜的零件或大批量的零件用鑄造法比較好，對小批量生產(chǎn)的大尺寸簡單構(gòu)件則用機加工法更上算。對于一些精密構(gòu)件，往往用粉末冶金的方法生產(chǎn)毛坯會有較好的經(jīng)濟效益，雖然金屬粉末原材料價格并不便宜，但由于不需要切削加工，因而具有更低的成本。對大型企業(yè)而言，由于規(guī)模生產(chǎn)，工藝周期的長短和加工費用的高低，往往成為企業(yè)生產(chǎn)的關鍵因素。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。如使用板材進行冷加工的工廠，必須要求板材的硬度等性能指標穩(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。在市場經(jīng)濟的條件下，企業(yè)的生存取決于產(chǎn)品的成本和利潤，因此在材料的選用上價格是一個必須考慮的重要因素。我們應合理地選用材料，使其性能充分發(fā)揮，做到“物盡其用”。

選材的經(jīng)濟性不僅僅體現(xiàn)在所選材料本身的價格，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，同時所選材料應符合國家的資源和供應情況。

1) 材料的價格：材料的價格在產(chǎn)品的總成本中占有較大的比重，據(jù)有關資料統(tǒng)計，在許多工業(yè)部門中可占產(chǎn)品價格的30% ～ 70%，不同材料的價格差異很大，而且在不斷變動，因此設計人員應對材料的市場價格有所了解，并時時關心材料的市場價格變動情況，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。

2) 國家的資源狀況：隨著工業(yè)的發(fā)展，資源的問題日益突出，選用材料時必須對此有所考慮，特別是對于大批量生產(chǎn)的零件，所用的材料應該是來源豐富并符合我國的資源狀況的。例如，我國缺鉬，但是鎢卻十分豐富，所以我們選用高速鋼時就要盡量多用鎢高速鋼，而少用鉬高速鋼；再如我國的稀土儲量約占全世界總儲量的80%，因此，在選擇合金化元素時，應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，應盡量少而集中，便于集中采購和管理，減少不必要的附加費用。

3) 零件的總成本：由于生產(chǎn)經(jīng)濟性的要求，選材從幾個方面影響零件的總成本，也就是材料的價格，零件的自重，零件的壽命、零件的加工費用、試驗研究費( 為采用新材料所必須進行的研究與試驗費) 及維修費等。要綜合考慮以上因素，選用材料時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)保也是選材時必須考慮的兩個重要因素。

1973 年阿拉伯國家對西方進行石油禁運而導致的能源危機，促使美國政府用法律規(guī)定了汽車的耗油量上限，這樣就使得美國的汽車公司開發(fā)高強度的輕質(zhì)材料來減輕汽車的油耗，這時材料的比強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)能也成為一個重要因素，自古以來都用木窗?？紤]到環(huán)境保護，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。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，達到節(jié)能減排的目的。

在材料設計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)境負擔，另一方面變廢為寶，也可避免資源枯竭。在材料使用上，也應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突出的問題。如果每個人在材料使用上都有環(huán)境意識，人類社會就會得到可持續(xù)發(fā)展。另外，從環(huán)境保護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

選材時，首先應根據(jù)零件的服役條件和失效形式找出該零件的主要力學性能指標；其次，選用的材料應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)濟角度考慮，材料還應有較好的經(jīng)濟性，使零件的總成本最低，使用壽命又最長；最后，從人類社會的可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，也要考慮能源和環(huán)保這兩個重要因素?？傊x材的任務就是求得它們之間的平衡和統(tǒng)一。