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材料科学被称之为人类文明的四大支柱之一。金属材料的选用同其他各类材料一样，是一个比较复杂的问题，它是各种机械产品设计中极为重要的一环。要生产出高质量的产品，必须从产品的结构设计、选材、冷热工艺、生产成本等方面进行综合考虑。但对于要赶超世界先进水平的产品来说，能否达到国际水平，关键还在于材料和工艺水平，当然管理水平也是重要的一环。 正确、合理选材是保证产品最佳性能、工作寿命、使用安全和经济性的基础。现就金属材料选用的一般原则做以下介绍： (1)所选用材料必须满足产品零件工作条件的要求 各种机械产品，由于它们的用途、工作条件等的不同，对其组成的零部件也自然有着不同的要求，具体表现在受载大小、形式及性质的不同，受力状态、工作温度、环境介质、摩擦条件等的不同。 例如：对于航空用燃气涡轮发动机来说，涡轮叶片是整机中工作环境最恶劣的零件，因此，对燃气涡轮工作叶片来说要求是比较高的，对材质的要求也自然是高的，要求材料能够耐高温、抗腐蚀，并具有高的耐蠕变和疲劳性能，以及在高温下的机械强度等。因此，通常使用镍基高温合金和钴基合金。另外，由于航空发动机是多次使用，所选的材料也直接影响到使用寿命。而对火箭发动机来说，由于它是短时间的一次使用，在选材方面是不同的，只要短时间性能好就可以。 在选材时，应根据零件工作条件的不同，具体分析对材料使用性能的不同要求。一般来说，机械零件的失效形式有以下三种：1..断裂失效，包括塑性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、低应力脆断、介质加速断裂等；2. 过量变形失效，主要包括过量的弹性变形和塑性变形失效；3. 表面损伤失效，如磨损、腐蚀、表面疲劳失效等。 (2)所选材料必须满足产品零件工艺性能的要求 材料工艺性能的好坏，对零件加工的难易程度、生产效率和生产成本等方面都起着十分重要的作用。 金属材料的基本加工方法：包括切削加工、压力加工、铸造、焊接和热处理等。 切削加工（包括车、铣、刨、磨、钻等）性能：一般通过切削抗力大小、零件表面粗糙度、切屑排除的难易及切削刀具磨损程度来衡量其好坏。例如1Cr18Ni9Ti材料，切削加工性能就比较差。阳宝 压力加工性能（包括锻造性能、冲压性和轧制性能）：一般来说，低碳钢的压力加工性能比高碳钢好，而碳钢则比合金钢好。 铸造性能：主要包括流动性、收缩性、偏析及产生裂纹、缩孔等。不同的材料，其铸造性能差异很大，在铁碳合金中铸铁的铸造性能要比铸钢好。 焊接性：一般以焊缝处出现裂纹、脆性、气孔或其他缺陷的倾向来衡量焊接性能好坏。 热处理工艺性：主要包括淬硬性、淬透性、淬火变形、开裂、过热敏感性、回火脆性、回火稳定性等。 材料工艺性能的好坏，对单件和小批量生产来说并不显得十分突出，而在批量生条件下，就明显地反映出了它的重要性。例如：批量极大的普通螺钉、螺母对力学性能要求不高，而却要求上自动机床加工时，为了提高生产率，就需要选用切削加工性能优良的钢种（易切结构钢）。又如对齿轮及轴的材料来说，往往要求材料有好的淬透性。 (3)所选材料应满足经济的要求 在满足零件使用性能和质量的前提下，应注意材料的经济性。 对设计选材来说，保证经济性的前提是准确的计算，按零件使用的受力、温度、耐腐蚀等条件来选用适合的材料，而不是单纯追求某一项指标，能用碳钢的不用合金钢；能用低合金钢的，不用高合金钢；能用普通钢的不用不锈耐热钢。这对批量大的零件来说就显得更重要。另外，还应从材料的加工费用来考虑，尽量采用无切屑或少切屑新工艺(如精铸、精锻等新工艺) http代理此外，在选材时还应尽量立足于国内条件和国家资源，同时应尽量减少材料的品种、规格等。这些都直接影响到选材的经济性。在选用代用材料时，一般应考虑原用材料的要求及具体零件的使用条件和对寿命的要求。不可盲目选用更高一级的材料或简单地以优代劣，以保证选用材料的经济性。 |
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二. 合金钢合金元素在钢中的作用
1、碳（悬链线方程C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高4
0%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
8、 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于淬火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍赛猫购购9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。
10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。
12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。可
以提高抗热、抗氧化性能。
14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%张骏祥塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。
15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性
能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。
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三. 高速切削时刀具材料的选择
丁惟宁根据高速切削时刀具材料选择的特点，高速切削必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。高速切削加工的刀具材料主要有碳化铁基硬质合金、涂层硬质合金、金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料。
高速切削加工是面向21世纪的一项高新技术。高速切削通常指切削速度超出传统切削速度5～lO倍的切削加工，是实现高效率制造的核心技术，工序的集约化和通用化使之具有很高的生产效率。它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在汽车工业、航空航天、模具制造和仪器仪表等行业中获得了愈来愈广泛的应用并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。
1 高速切削时的特点
1．1 降低切削力由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小．与常规切削相比，切削力至少可降低3O 。这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。
1．2 工件热变形小高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少，所以工件温升和变形小，有利于进行薄壁件切削和提高加工精度。
1．3 加工质量高由于高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，高速切削工艺系统振动减小，不会造成工艺系统的受追振动，保证了较好的加工状态。而且切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小。保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄．残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。
1．4 提高生产效率主轴的高转速和机床的高进给以及高加速度，大大提高了金属切除率，材料去除率是常规切削加工机床的3～6倍。当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。
1．5 简化了加工工艺流程有些零部件可在相应的高速加工机床(如多轴联动的高速加工中
心和车铣中心)上进行多工序复合加工甚至一次装夹实现全部加工，有利于保证零件的尺寸、形位精度。可省去传统加工工艺中的车、铣等加工工艺，降低加工成本。
2 高速切削时刀具材料的选择高速切削时能正确选购有关技术装备，并充分发挥其作用，就可以获得预期的经济效益。刀具是饥械加工重要的技术装备之一。
刀具材料的选择是高速切削推广应用中的一个关键问题。高速切削加工对刀具材料提出了一系列新的要求。研究表明，高速切削时，造成刀具损坏的主要原因是在切削力和切削温度作用下因机械摩擦、化学磨损、粘结、崩刃、破碎以及塑性变形等引起的磨损和破损。因此，对高速切削刀具材料最主要的性能要求是化学稳定性、耐热性、耐磨性、抗热震性以及抗涂层破裂性能等。值得注意的是刀具材料与工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料加工某种工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适于所有工件材料的高速加工。目前国内外应用于高速切削加工的刀具材料主要有碳化钛基硬质合金、涂层硬质合金、金刚石、立方氮化硼、陶瓷等材料。它们各有特点，使用于不同的切削对象和切削范围。
2．1 硬质合金为显著提高材料的强度和韧性，硬质合金向细颗粒、超细颗粒硬质合金方向
发展，用它制造的整体硬合金刀具，用来代替传统的高速钢刀具，使切削速度和加工效率提高了数倍。目前整体硬质合金刀具已成为国内外工具公司的常规产品，并将随着整个切削加工水平的提高得到越来越广泛的应用。另外，为提高硬质合金的内在质量，硬质合金在加压烧结等方面开发和使用了新工艺；以及针对不同加工的需求可以开发专用牌号，从而进一步提高了硬质合金的使用性能。为进一步提高涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围，用具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金作为基体材料。
