如何選擇零件的材料是零件設(shè)計(jì)的重要一環(huán)

從各種各樣的材料中選擇出要使用的材料，是一項(xiàng)受多方面因素所制約的工作。因此，如何選擇零件的材料是零件設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。選擇機(jī)械零件材料的原則是：所需材料應(yīng)滿足零件的使用要求并具有良好的工藝性和經(jīng)濟(jì)性等。

01

使用要求

機(jī)械零件的使用要求表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）零件的工作狀況和受載情況以及為避免相應(yīng)的失效形式而提出的要求。

工作狀況是指零件所處的環(huán)境特點(diǎn)、工作溫度及摩擦和磨損的程度等。在濕熱環(huán)境或腐蝕介質(zhì)中工作的零件，其材料應(yīng)具有良好的防銹和耐腐蝕能力，在這種情況下，可先考慮使用不銹鋼、銅合金等。工作溫度對(duì)材料選擇的影響主要有兩個(gè)方面：一方面要考慮互相配合的兩零件材料的線膨脹系數(shù)不能相差過(guò)大，以免在溫度變化時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力或者使配合松動(dòng)；另一方面也要考慮材料的力學(xué)性能隨溫度而改變的情況。在滑動(dòng)摩擦下工作的零件，要提高其表面硬度，以增強(qiáng)耐磨性，應(yīng)選擇適于進(jìn)行表面處理的淬火鋼、滲碳鋼、氮化鋼等品種或選用減摩和耐磨性能好的材料。

受載情況是指零件受載荷、應(yīng)力的大小和性質(zhì)。脆性材料原則上只適用于制造在靜載荷下工作的零件；在有沖擊的情況下，應(yīng)以塑性材料作為主要使用的材料；對(duì)于表面受較大接觸應(yīng)力的零件，應(yīng)選擇可以進(jìn)行表面處理的材料，如表面硬化鋼；對(duì)于受應(yīng)變力的零件，應(yīng)選擇耐疲勞的材料；對(duì)于受沖擊載荷的零件，應(yīng)選擇沖擊韌性較高的材料；對(duì)于尺寸取決于強(qiáng)度而尺寸和質(zhì)量又受限的零件，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的材料；對(duì)于尺寸取決于剛度的零件，應(yīng)選擇彈性模量較大的材料。

金屬材料的性能一般可通過(guò)熱處理加以提高和改善，因此，要充分利用熱處理的手段來(lái)發(fā)揮材料的潛力；對(duì)于最常用的調(diào)制鋼，由于其回火溫度的不同可得到力學(xué)性能不同的毛坯?；鼗饻囟仍礁?，材料的硬度和剛度將越低，而塑性越好。所以在選擇材料的品種時(shí)，應(yīng)同時(shí)規(guī)定其熱處理規(guī)范，并在圖樣上注明。

（2）對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限制。

零件尺寸及質(zhì)量的大小與材料的品種及毛坯的制造方法有關(guān)。生產(chǎn)鑄造毛坯時(shí)一般可以不受尺寸及質(zhì)量大小的限制；而生產(chǎn)鍛造毛坯時(shí)，則需注意鍛壓機(jī)械及設(shè)備的生產(chǎn)能力。此外，零件尺寸和質(zhì)量的大小還和材料的強(qiáng)重比有關(guān)，應(yīng)盡可能選擇強(qiáng)重比大的材料，以便減小零件的尺寸及質(zhì)量。

（3）零件在整機(jī)及部件中的重要程度。

（4）其他特殊要求（如是否需要絕緣、抗磁等）。

02

工藝要求

為使零件便于加工制造，選擇材料時(shí)應(yīng)考慮零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸大小及毛坯類型。對(duì)于外形復(fù)雜、尺寸較大的零件，若考慮采用鑄造毛坯，則需選擇鑄造性能好的材料；若考慮采用焊接毛坯，則應(yīng)選擇焊接性能好的低碳鋼。對(duì)外形簡(jiǎn)單、尺寸較小、批量較大的零件，適合沖壓和模鍛，應(yīng)選擇塑性較好的材料。對(duì)需要熱處理的零件，材料應(yīng)具有良好的熱處理性能。此外，還應(yīng)考慮材料本身的易加工性以及熱處理后的易加工性。

03

經(jīng)濟(jì)性要求

（1）材料本身的相對(duì)價(jià)格

在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量選用價(jià)格低廉的材料。這一點(diǎn)對(duì)于大批量制造的零件尤其重要。

（2）材料的加工費(fèi)用

當(dāng)零件質(zhì)量不大而加工量很大時(shí)，加工費(fèi)用在零件總成本中會(huì)占很大比例。盡管鑄鐵比鋼板廉價(jià)，但對(duì)于某些單件或小批量生產(chǎn)的箱體類零件來(lái)說(shuō)，采用鑄鐵比采用鋼板焊接的成本更高，因?yàn)楹笳呖梢允〉裟＞叩闹圃熨M(fèi)用。

（3）節(jié)約材料

為了節(jié)約材料，可采用熱處理或表面強(qiáng)化（噴丸、碾壓等）工藝，充分發(fā)揮和利用材料潛在的力學(xué)性能；也可采用表面鍍層（鍍鉻、鍍銅、發(fā)黑、法藍(lán)等）方法，以減輕腐蝕和磨損的程度，延長(zhǎng)零件的使用壽命。

（4）材料的利用率

為了提高材料的利用率，可采用無(wú)切削或少切削加工，如模鍛、精鑄、沖壓等，這樣不但可以提高材料的利用率，同時(shí)還可減少切削加工的工時(shí)。

（5）節(jié)約貴重材料

通過(guò)采用組合結(jié)構(gòu)，可節(jié)約價(jià)格較高的材料，如組合式結(jié)構(gòu)的蝸輪齒圈采用減摩性較好但價(jià)格貴的錫青銅，而輪芯則采用廉價(jià)的鑄鐵。

（6）節(jié)約稀有材料

在這方面，可采用在我國(guó)資源較豐富的錳硼系列合金鋼代替資源較少的鉻鎳系合金鋼，以及采用鋁青銅代替錫青銅等方法。

（7）材料的供應(yīng)情況

在選擇材料時(shí)，應(yīng)選用本地就有且便于供應(yīng)的材料，以降低采購(gòu)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存的成本；從簡(jiǎn)化材料品種的供應(yīng)和儲(chǔ)存的角度出發(fā)，對(duì)于小批量生產(chǎn)的零件，應(yīng)盡可能減少在同一臺(tái)機(jī)器上使用材料的品種和規(guī)格，以簡(jiǎn)化供應(yīng)和管理，并可在加工及熱處理過(guò)程中更容易掌握最合理的操作方法，從而提高制造質(zhì)量，減少?gòu)U品，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

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