3.5 材料的选用
好钢用在刀刃上：给零件挑对“身材”
🎯 学习目标（学完这节课，你能做到）
- 说出零件的三种失效形式：断裂、过量变形、表面损伤，并能举出车间里的例子。
- 认识常见钢材供应形式：钢板、钢管、钢丝、型钢，会认圆钢、角钢、槽钢、工字钢。
- 记住选材三原则：满足使用性能、兼顾工艺性能、考虑经济性。
- 会按“定要求 → 比同类 → 算关键”三步，为轴、齿轮、弹簧等常见零件选出合适材料。
- 能填写一张零件选材卡，写出材料牌号和热处理方法。
② 知识导入：材料选错了，会怎样？
🔧 场景一：自制传动轴“拧麻花”
学徒图便宜，用 Q235 圆钢车了一根传动轴，装上去没几天就扭弯了，零件“变形失效”。
⚙️ 场景二：铸铁轴“一声脆响”
又有人用 HT200 铸铁做轴，一次冲击就“啪”地断成两截——铸铁受拉、受冲击能力差。
💰 场景三：螺丝钉也用合金钢？
反过来，普通支架用 40CrNiMo 高级合金钢，性能是够了，可成本翻几倍，老板直摇头。
③ 核心知识 · 一、零件的失效形式
失效：零件不能保证工作精度，或达不到预期的工作效果。
零件“坏了、不好用了”就叫失效。不一定是断了，变形了、磨损了、精度不够了，也算失效。与材料有关的失效形式有三种（这是选材的依据：选材就是为了让零件不失效）：
💥 1. 断裂
零件完全断开，无法工作。是机械零件最主要的失效形式。
例：轴断、螺栓断、齿轮断齿。其中“疲劳断裂”最常见。
〰️ 2. 过量变形
受力后零件整体或局部变形过大（弹性变形、塑性变形或蠕变变形），机器不能正常工作或保证不了产品质量。
例：机床主轴弯了，加工的零件精度不合格。
🩹 3. 表面损伤
零件表面因机械和化学作用而损坏：磨损、接触疲劳（表面起麻点）、腐蚀（生锈）。
例：齿面磨薄、轴承滚道剥落、管道锈穿。
| 失效形式 | 说明材料哪方面不够 | 选材时要重点看 |
|---|---|---|
| 断裂 | 强度、韧性、疲劳强度不够 | 强度 + 韧性 + 疲劳强度 |
| 过量变形 | 强度、刚度不够 | 屈服强度、弹性模量 |
| 表面损伤 | 表面硬度、耐磨性、耐蚀性不够 | 硬度、耐磨性、耐蚀性（可配合表面热处理） |
③ 核心知识 · 二、钢材的供应形式
钢厂把钢水经过轧制、拉拔、挤压等压力加工，做成各种形状的型材卖给用户。去钢材市场采购，要先认识它们。
▭ 1. 钢板
按厚度分：薄板 <4 mm、中板 4～25 mm、厚板 >25 mm。窄而长、成卷供应的叫钢带。还有镀锌板、镀锡板、覆塑板。
◎ 2. 钢管
无缝钢管：冷拔或热轧成形，能承受较高压力，成本高，用于工业中高压管路。
有缝钢管（焊管）：钢板卷起来焊成，用于市政、低压管道。
〰 3. 钢丝
用热轧线材拉拔而成。退火低碳钢丝软，用来捆扎；高碳钢丝做弹簧；多根捻在一起就是钢丝绳，用于吊运。
⌶ 4. 型钢
简单截面：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢。
复杂截面：工字钢、角钢、槽钢、Z形钢、T形钢。普通型钢多用于建筑、桥梁；优质型钢用于机械零件和工具。
③ 核心知识 · 三、选用材料的基本原则
选材要兼顾使用要求、工艺要求、经济性，做到材尽其用。
材尽其用 = 每种材料都用在最合适的地方，不浪费，也不凑合。① 满足使用性能（首要条件）
零件在工作中受什么力、多大力，有没有冲击、摩擦、高温、腐蚀？材料的力学性能、物理性能、化学性能要扛得住。性能不够，再便宜也不能用。
例：起重机吊钩要承受冲击，必须选韧性好的材料，不能用脆的铸铁。
② 兼顾材料的工艺性能
零件要能做得出来：形状复杂的箱体选铸铁好铸造；要焊接的结构选低碳钢好焊；大批量切削的零件选切削性好的材料。
工艺性能 = 材料“好不好加工”：好不好铸、好不好锻、好不好焊、好不好车、好不好热处理。③ 考虑经济性
在满足使用性能的前提下，能用便宜的就不用贵的：能用碳钢就不用合金钢；能用国产常用牌号就不用稀缺材料。还要算总账：材料价格 + 加工费用 + 使用寿命。
注意：经济性 ≠ 只看材料单价。贵一点但寿命长好几倍，总体反而更省。
③ 核心知识 · 四、选材的方法和步骤
1. 两种常用选材方法
🅰 以综合力学性能为主要依据
零件受力复杂、要求强度和韧性都好（如轴、连杆、螺栓）。
常选：中碳钢或合金调质钢（45、40Cr），进行调质处理。
🅱 以磨损、疲劳强度为主要依据
零件表面摩擦大、反复受力（如齿轮、凸轮、轴颈、刀具、弹簧）。
常选：表面淬火的 45、40Cr；渗碳的 20CrMnTi；刀具用工具钢；弹簧用 65Mn、60Si2Mn。
2. 选材三步走
3. 选材向导：点一个零件看看怎么选
④ 实操技能：零件选材与钢材识别实训
实训任务为教师给出的零件（如减速器输出轴、直齿圆柱齿轮、压缩弹簧、机床底座）完成选材，并到材料库核对、领取材料。
器材零件图、选材卡、机械设计手册（或材料手册）、钢卷尺、游标卡尺、砂轮机（火花鉴别用）、护目镜
- 读图纸、问工况：看清零件名称、尺寸、技术要求（硬度、热处理），问清楚：受什么力？有没有冲击、摩擦？工作温度？
- 判断主要失效形式：会断？会变形？会磨损？先找出“最怕什么”，这是选材的依据，不能跳过。
- 确定性能要求：写出要重点保证的性能，如“强度+韧性”“表面硬、心部韧”“弹性好”。
- 比较同类零件、初选牌号：查手册或参考同类机器，初选 1～2 个牌号（如 45 / 40Cr）。
- 确定热处理：如调质、表面淬火、渗碳淬火、淬火+中温回火，并写出硬度要求。
- 检查工艺性和经济性：好不好加工？能不能用更便宜的材料代替？市场上好不好买？
- 到材料库核对实物：按“规格 + 牌号”领料（如“圆钢 Φ45，45 钢”）。认准牌号标记和端面色标，不确定时用火花鉴别复核；严禁凭外观“差不多就拿”。
- 测量规格、留加工余量：用卡尺量直径/厚度，下料长度要留足加工余量；搬运长料两人配合，注意安全。
- 填写选材卡，交老师检查：写出零件名称、工况、失效形式、材料牌号、热处理、选择理由。
| 零件名称 | 工作条件 | 主要失效形式 | 材料牌号 | 热处理 | 选择理由 |
|---|---|---|---|---|---|
| 减速器输出轴 | 传递转矩，有轻微冲击 | 疲劳断裂、轴颈磨损 | 45 | 调质，轴颈表面淬火 | 综合性能好，便宜，好加工 |
| （自己填） |
⑤ 常见误区 & 易错坑点
⑥ 课堂小练习
🎮 热身游戏：选材连连看（对了跳一跳，错了抖一抖）
✍️ 选择 / 判断题
点击选项作答，马上显示对错和解析。全部做完看总分。
⑦ 小结：一页记住
- 失效三种：断裂（最主要）、过量变形、表面损伤；不让零件失效是选材的依据。
- 钢材四种供应形式：钢板、钢管、钢丝、型钢。薄板 <4 mm，中板 4～25 mm，厚板 >25 mm。
- 选材三原则：满足使用性能（首要）→ 兼顾工艺性能 → 考虑经济性，做到材尽其用。
- 两种方法：综合力学性能为依据（轴、连杆 → 45/40Cr 调质）；磨损、疲劳强度为依据（齿轮 → 表面淬火或渗碳淬火）。
- 三个步骤：确定性能要求 → 比较同类零件 → 关键位置强度计算。
- 选材结果 = 材料牌号 + 热处理方法。
⑧ 拓展小知识：岗位上的选材
🚗 汽修岗：一辆车上的“材料地图”
| 零件 | 常用材料 | 为什么 |
|---|---|---|
| 车身外板 | 低碳钢薄板（镀锌） | 塑性好、好冲压、好焊接、防锈 |
| 变速箱齿轮 | 20CrMnTi 渗碳淬火 | 齿面耐磨，心部抗冲击 |
| 曲轴 | 45钢、QT700-2 | 反复受力，要强度和抗疲劳 |
| 刹车盘 | 灰铸铁 HT250 | 耐磨、散热好、减振、便宜 |
| 气门弹簧 | 弹簧钢（如 60Si2Mn） | 弹性好、抗疲劳 |
| 轮毂 | 铝合金 | 轻、散热好 |
🛠️ 数控 / 机电岗：“以塑代钢”“以铝代钢”
为了减轻重量、降低成本，很多零件改用新材料：仪表外壳、小齿轮用工程塑料（尼龙、ABS）；机器人手臂、无人机机架用铝合金或碳纤维复合材料。选材不是一成不变的，要跟着技术进步走。
♻️ 选材也要讲“绿色”
现在选材还要考虑能不能回收、加工时污不污染。钢、铝都可以回炉重炼；尽量少用含铅、含镉等有害元素的材料。这也是“经济性”的一部分：对社会的长远成本。