合理选择机械零件的材料

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设备是由零件构成的，零件决定了设备。在机械零件的设计与制造过程中，零件的材料选择是否得当，直接关系到材料在冷、热加工过程中的难易程度、制件的质量和成本。如果零件的材料选用得好，就可以保证甚至提高设备的工作性能，延长设备的使用寿命，降低设备的造价。如何合理的选择和使用材料、合理安排加工工艺，使产品达到优质、高产、低成本是一项十分重要的工作。
1.零件的机械性能要求
由于机械性能是保证零件工作安全可靠和经久耐用的先决条件，故选择零件材料时应当考虑材料的强度、塑性、硬度、冲击韧性，多次冲击抗力及疲劳强度等机械性能。选材时应根据零件的工作条件和失效形式，通过力学条件及失效形式往往非常复杂，因此在选材时必须抓住主要矛盾，找出最关键的抗力指标，同时兼顾其他性能，这是满足机械性能要求的基本原则。
1.1 分析零件的工作条件
零件的工作条件是复杂的，要从受力状态、在和性质、工作温度、环境介质等几个方面全面分析。受力状态有拉、压、剪、扭、弯等；载荷性质有静载、冲击载荷、交变载荷等；工作温度可分为低温、室温、高温、交变温度；环境介质为与零件接触的介质，如润滑剂、海水、酸、碱、盐等。
1.2 分析零件的失效形式
机械零件常见的失效形式有：断裂-----包括静载荷、冲击载荷造成的断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等；表面损伤-----疲劳点蚀，，由于磨损而造成的表面龟裂；变形-------过量的弹性变形或塑性变形、高温的蠕变等。
1.3 计算确定抗力指标
对机械零件进行受力分析，画出弯扭矩图，并进行相关的强度计算。不同零件所要求的主要抗力指标不同，传动轴类零件通常要求疲劳强度、屈服强度及表面硬度等；齿轮类则要求表面硬度等；齿轮类则要求表面硬而心部强度及韧性好；紧固螺栓类零件则要求屈服强度，对称拉伸或压缩应力时的疲劳强度及硬度；弹簧类零件则要求弹性极限、屈服比及对称拉伸或压缩应力时的疲劳极限等；工具模具则要求硬度、强度韧性等；滚动轴承则要求弹性极限、抗压强度、对称应力时的疲劳强度及表面硬度等。
2. 零件的工艺性能要求
产品工艺方案的好坏不仅决定了产品的制造可行性和产品质量的保证性，而且它将对产品制造成本和企业效益产生影响。只有制造成本符合赢利的经营目的，我们的生产活动才有意义。而不同的工艺设计方案对材料要求也有所不同。
2.1 铸造
铸件由于它具有成本低、极易获得形状复杂，尤其是内部形状复杂的零件，故机械制造业中应用较广。选材时应注意材料的良好铸造性能，包括流动性、收缩性、偏析及吸气性等。灰口铸铁性能最为良好，铸铁铸造性能好于铸钢。
2.2 锻造
零件加工使用锻造时，要求材料具有良好的锻造性能，即可锻性、冷锻性，锻后的冷却要求及氧化皮性质，低碳钢可锻性最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢的可锻性类似于中碳钢，高合金钢的可锻性比碳钢差。
2.3 机械加工
材料的机械加工性能好坏，在很大程度上决定了产品的质量数量及经济性。机械加工性能一般是用切削抗力的大小加工表面所达到的粗糙度和加工时切削排除的难易程度以及刀具部磨损大小来衡量的。一般来说，当材料硬度值在160-230HB范围内时，切削性能较好，过高的硬度，不仅加工困难，而且刀具磨损快。过低的硬度则产生“粘刀”现象，使刀具过热磨损加快，零件表面质量降低。
2.4 焊接
对于单件小批生产的产品或大而笨重的零件或急需零件的制造中，常需进行焊接。焊接性能的优劣用焊缝形成冷缝的倾向、脆性、气孔或其他缺陷的倾向来衡量；一般低碳钢及低合金钢有较好的焊接性，中碳以上钢的焊接性能较差；灰口铸铁比低碳钢差、球墨铸铁焊接性能最差。
2.5 热处理
金属材料为了改善机械性能，零件在加工工序中往往要穿插多次的热处理工序。热处理工艺性能包括淬硬性、淬透性、变形开裂倾向、过度敏感性、回火脆性、氧化脱碳及冷脆性等。钢的淬硬性与其碳的含量有关，含碳量越高硬度也越高，但淬火变形倾向严重，钢的淬透性与其合金元素有关，对于弹簧类零件选材时，要注意材料的氧化脱碳倾向，在选择渗碳钢时要注意材料的过敏感性，在选择调质钢时要注意材料的回火脆性。
3.材料的经济性要求
材料的经济性要求主要表现在以下几个方面：
a.材料本身的相对价格
用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选择价格高的材料。这对于大批量制造的零件尤为重要。
b.材料的加工费用
例如制造某些箱体类零件，虽然铸铁比钢材价格低廉，但在批量小时，选用钢板焊接反而合适，因为可以省掉铸模的生产费用。
c.材料的利用率
例如采用无切削或少切屑制造毛坯（如精铸、模锻、冷拉等），可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应该设法提高材料的利用率。
d.节约稀有材料
对于合金元素，Ni、Cr、Mo的价格高，Si、Mn的价格低。所以在满足使用性能的前提下，应优先选用含Si、Mn元素的材料。
e.例如涡轮采用青铜齿圈和铸铁轮芯组成；车轮在一般材料的轮芯外部套上一个高硬度、耐磨损的轮毂等，这些方法都可以降低材料的成本。
4.材料的供应状况
选择材料时还应考虑到当时当地材料的供应情况。为了便于采购及保管，对于小批制造的零件，应尽可能在同一台设备采用一致的材料品种和规格。
5.面向节省资源