选材问题对于产品设计人员来说十分重要，对于一般的工程技术人员和管理人员等也非常重要。判断零件选材是否合理的基本标志是：能否满足必需的使用性能；能否具有良好的工艺性能；能否实现最低成本。选材的任务就是求得这三者之间的统一。下面具体介绍选材的原则与方法。

1.选材原则与方法

（1）使用性原则 材料的使用性能应满足使用要求，因为它是保证零件设计功能的实现和安全耐用的必要条件，是选材的最重要的原则。使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件来说，使用性能主要是力学性能。对于一些在特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑材料的物理、化学性能。下面介绍根据使用性能选材的步骤。

1）通过对零件工作条件的全面分析，确定零件的使用性能。零件的工作条件包括：受力情况，如载荷的性质、形式、分布、大小、应力状态；环境状况，如工作温度、工作介质；有无其他特殊要求，如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观的要求等。在对工作条件全面分析的基础上确定零件的使用性能，如在交变载荷下工作要求较高的疲劳强度，在冲击载荷下工作则要求具有一定的韧性，在摩擦环境中工作应具有高硬度和耐磨性，在酸碱等腐蚀介质中工作则要求具有耐蚀性等。

2）进行失效分析，确定零件的主要使用性能。失效分析好似一面镜子，不断反映产品所固有的，以及质量控制中的最薄弱的环节。通过失效分析找出导致失效的主导因素，可以直接准确地确定零件必备的主要使用性能。

3）利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室力学性能指标，再根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布，然后由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值，最后利用相关资料根据使用性能选材。

不能简单地将零件所要求的力学性能数据与相关资料所给出的完全等同对待，还必须注意以下情况：材料的性能不但与化学成分有关，而且与加工、处理后的状态有关；材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与资料中试样尺寸的差别，并进行适当的修正；材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定的波动范围。

另外，有时通过改进强化方式或方法，可以将廉价材料制成性能更好的零件。所以选材时，要把材料成分和强化手段紧密地结合起来综合考虑。在材料进行预选后，还应当进行实验室试验、台架试验、装机试验、小批生产等，进一步验证材料力学性能选择的可靠性。

（2）工艺性原则 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力。选材时要特别考虑材料的工艺性能，因为即使材料的使用性能符合要求，不能加工成所要求的形状也不能使用。例如，当钢材的抗拉强度接近1500MPa时，进行机械加工就很困难了，用SiN陶瓷刀具进行车、刨都还勉强，钻孔、攻螺纹就几乎不可能了。所以对于高强度的钢材，都是在加工时令其处于低强度状态，加工到要求的形状以后再通过热处理使其达到高强度。通常根据以下几个方面来考虑材料的工艺性：

1）铸造性能：包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。一般来说，相图上液-固相线间距小、接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能，因此铸铁、铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优良。在应用最广泛的钢铁材料中，铸铁的铸造性能优于铸钢，中、低碳钢的铸造性能优于高碳钢，所以高碳钢极少用于铸件。

2）压力加工性能：指材料的塑性和变形抗力，包括变形温度范围、产生缺陷的可能性及加热和冷却要求等。一般情况下，铸铁不可进行压力加工，而钢可以进行压力加工，但其工艺性能有较大差异，即随着钢中碳及合金元素含量的增高，其压力加工性能变差，且热加工性能也较差，如高铬钢、高速工具钢等。所以高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工。变形铝合金和大多数铜合金，像低碳钢一样具有较好的压力加工性能。

3）焊接性能：包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性，产生裂纹、气孔及其他缺陷的倾向等。钢铁材料的焊接性能随着碳及合金元素含量的升高而变差。所以钢比铸铁易于焊接，碳素钢比合金钢易于焊接，且低碳钢的焊接性能最好。铝合金、铜合金的焊接性能一般不好，应采用一些高级的焊接方法，如氩弧焊或采取特殊措施进行焊接。

4）机械加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。一般来说，材料的硬度越高，加工硬化越强烈，切屑越不易断排，刀具越易磨损，其机械加工性能也就越差。(www.daowen.com)

5）热处理工艺性能：指材料的热敏感性，氧化、脱碳倾向，淬透性，回火脆性，淬火变形和开裂倾向等。这些性能均与材料的化学成分和组织有关，是选材和制订生产工艺的重要依据。

综上所述，与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，工艺性能也可成为需要主要考虑的因素。铸造、锻造、粉末冶金和焊接组装等方法，在不同的产品上各有不同的经济效果。一般情况下，复杂的零件或大批量生产的零件用铸造法比较好，而小批量生产的大尺寸简单构件用机加工法更合适。一些精密构件适合用粉末冶金的方法生产。尽管金属粉末原材料很贵，但是不需要切削加工，因而与其他方法比，成本更低。材料工艺性能的稳定性也是一个很重要的考虑因素。特别是大型企业，迫切要求材料的工艺性能稳定，只有所采用的加工工艺稳定，才能保证产品质量稳定。例如，使用板材进行冷加工的工厂，必须要求板材的硬度等性能稳定，这样才能在相同的工艺条件下，生产出合格的产品。

需要指出的是，当工艺性能和力学性能相矛盾时，应主要考虑工艺性能。此点对大批量生产的零件来说特别重要，因为在大量生产时，工艺周期和加工费用常常是生产的关键。例如，为了提高生产效率，而采用自动机床实行大量生产时，零件的机械加工性能可成为选材时考虑的主要问题，此时，应选用易切削钢之类的材料，尽管它的某些性能并不是最好的。

（3）经济性原则 除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材时必须要考虑的重要问题。在市场经济条件下，产品的成本、利润关系到企业的生存，因此在材料的选用上必须考虑价格因素，但这决不能以次充好，而应合理地选用材料，使其性能充分发挥，做到“物尽其用”。选材的经济性不单指选用的材料本身应便宜，更重要的是用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低，同时所选材料应符合国家的资源情况和供应情况。

1）材料的价格：材料所占成本在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品成本的30%～70%。不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，并十分关心材料的市场价格变动情况，以便于核算产品的制造成本。

2）国家的资源状况：随着工业的发展，资源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该来源丰富并符合我国的资源状况。例如，我国缺钼，但钨储量十分丰富，所以选用高速工具钢时就要尽量多用钨高速工具钢，而少用钼高速工具钢；再如，我国的稀土含量约占全世界总储量的80%，因此，在选择合金化元素时，应在可能的情况下尽量使用稀土元素。另外，同一单位所选用的材料和种类、规格，应尽量少而集中，以便于采购和管理，减少不必要的附加费用。

3）零件的总成本：由于生产经济性的要求，选材从几个方面影响零件的总成本，这就是材料的价格，零件的自重，零件的寿命，零件的加工费用、试验研究费（采用新材料所必须进行的研究与试验费）及维修费等。要综合考虑以上因素，以在选用材料时使零件的总成本降至最低。

2.其他需要考虑的问题

除了以上这些原则以外，还应考虑人类社会的可持续发展，因此能源和环保也是选材时必须考虑的两个重要因素。

例如，1973年石油禁运导致的能源危机，迫使美国政府以法律的形式规定了汽车的耗油量上限，这就促使美国的汽车制造公司研究强度更高的材料以减轻汽车的重量，这时材料的比强度就成为选材的重要条件之一。

再如，建筑物窗户所用材料，除考虑美观、安全外，节能也是重要的一方面。考虑到环境保护，20世纪60年代用钢窗代替了木窗，20世纪80年代用铝合金代替了钢窗，近年来又有用塑钢窗代替铝合金窗的趋势。在隔热保温方面，塑钢优于铝合金，铝合金又优于钢。如果窗户的隔热效果好，就容易做到室内冬暖夏凉，减少对空调、暖器的使用，达到节能的效果。

在材料设计和制造上必须考虑废弃材料的回收、再利用。这样一方面可以减轻地球的环境负担，另一方面可变废为宝，也可避免资源枯竭。在材料使用上，也应尽量采用这种可回收利用的材料。目前，日常生活中司空见惯的一次性筷子与塑料包装袋的使用就是一个突出的问题。如果每个人在材料使用上都有环境意识，人类社会就会得到可持续发展。另外，从环境保护角度选材，还要考虑材料制造、使用过程中要尽量减少环境污染的问题。