目前，輕質(zhì)材料尚無公認(rèn)的定義。一般認(rèn)為，密度不大于5.0g/cm3，用以制造武器裝備主體結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)的材料為輕質(zhì)材料。輕質(zhì)材料是武器裝備輕質(zhì)化發(fā)展、滿足不斷增加的有效載荷質(zhì)量和空間余度的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。按照物理化學(xué)屬性以及在武器裝備結(jié)構(gòu)上的使用特點(diǎn)，輕質(zhì)材料主要分為鋁合金、鈦合金、鎂合金和復(fù)合材料四大類。
近年來，輕質(zhì)材料研究蓬勃發(fā)展，對其綜合性能提出更高要求：
1）要求材料具有更高的比強(qiáng)度、比模量；
2）具有良好的環(huán)境適應(yīng)性；
3）要求材料有足夠的損傷容限；
4）具有可靠的抗過載能力和高溫性能；
5）良好的工藝性能和可承受的經(jīng)濟(jì)成本。
輕質(zhì)材料，同時也是武器裝備重要結(jié)構(gòu)材料，其中鋁合金、鈦合金和復(fù)合材料已成為除鋼以外的第二、第三、第四大結(jié)構(gòu)材料。在武器裝備機(jī)械化、信息化復(fù)合發(fā)展中，輕質(zhì)材料的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)武器裝備結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化以及高可靠性的基本保障，對于武器裝備速度與機(jī)動性、生存與突防等性能具有重要影響。總的來說，輕質(zhì)材料的發(fā)展與武器裝備的性能提高是相輔相成、相互促進(jìn)的。目前能夠看到許多輕質(zhì)材料已經(jīng)在航天裝備、航空裝備、兵器裝備、船艦裝備及其他裝備上的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)選材原則
幾乎所有的材料在使用或貯存過程中都會產(chǎn)生不同程度的腐蝕損傷，導(dǎo)致由其構(gòu)成的裝備結(jié)構(gòu)破壞，性能下降或功能失效。在裝備設(shè)計(jì)之初，合理地選擇材料，并采取恰當(dāng)?shù)谋砻娣雷o(hù)措施，是有效控制腐蝕，保證裝備安全、可靠服役最重要也是最基本的方法。
由于材料在裝備上的使用部位和工況條件不同，對某一具體材料的力學(xué)性能、疲勞性能、耐腐蝕性能和工藝性能等的要求也不相同，因此，選擇材料應(yīng)全面考慮材料的綜合性能，包括：
① 耐腐蝕性能滿足預(yù)期的使用要求；
② 物理、力學(xué)和加工工藝性能等滿足設(shè)計(jì)要求；
③ 經(jīng)濟(jì)可承受性或高的效費(fèi)比。
需要指出的是，材料的耐腐蝕性能與使用環(huán)境的腐蝕嚴(yán)酷性密切相關(guān)，不同的環(huán)境對構(gòu)成裝備的材料會產(chǎn)生不同程度的影響。因此，選擇材料應(yīng)首先考慮環(huán)境因素。另外，為了滿足裝備強(qiáng)度和剛度等設(shè)計(jì)要求，工程技術(shù)人員還應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)因素來考慮選材。
設(shè)計(jì)選材流程
如何從一系列候選材料中選擇一種力學(xué)性能與耐腐蝕性能最為匹配的材料是一項(xiàng)相對困難的工作。選擇材料不僅僅是基于裝備某些關(guān)鍵性能選擇所需材料的過程，還需考慮壽命周期內(nèi)材料的耐腐蝕性能、腐蝕防護(hù)與控制方法、可維護(hù)性、成本等多種因素。圖1給出了“六步法”設(shè)計(jì)選材流程，可以幫助工程設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段早期建立初始候選材料列表，并通過全面的腐蝕分析確定最佳材料體系和熱處理狀態(tài)，盡可能將與腐蝕有關(guān)的維護(hù)工作最小化，從而降低全壽命期總費(fèi)用。
1、經(jīng)驗(yàn)甄選材料
選材的第一步是基于過去使用經(jīng)驗(yàn)或教訓(xùn)甄選初始候選材料并淘汰那些可能存在嚴(yán)重腐蝕問題的材料。從全壽命期費(fèi)用控制出發(fā)，應(yīng)盡可能避免考慮任何在過去類似應(yīng)用中具有較高腐蝕敏感性的材料，尤其是在經(jīng)濟(jì)可承受基礎(chǔ)上實(shí)施表防設(shè)計(jì)和相關(guān)維護(hù)程序，腐蝕問題仍然無法有效控制的材料。工程設(shè)計(jì)人員可通過檢索分析相關(guān)手冊、數(shù)據(jù)庫、研究報(bào)告等提供的環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)信息，或者咨詢專業(yè)環(huán)境試驗(yàn)研究機(jī)構(gòu)的專家，以充分了解、掌握和確定材料和環(huán)境的特定組合是否存在腐蝕問題。
另外，分析相似裝備在選材方面的經(jīng)驗(yàn)或教訓(xùn)對于腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)非常重要。通過搜索裝備腐蝕故障案例和成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有助于確定類似應(yīng)用中抗環(huán)境腐蝕性能表現(xiàn)不好的材料，也有助于確定具有良好耐腐蝕性能的材料。這些信息可作為材料選擇的重要依據(jù)，用于剔除候選材料列表中的不良選擇，或者確定添加到候選列表中的其他新材料。
2、環(huán)境分析與評估
工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)開展裝備壽命期環(huán)境剖面分析，全面了解候選材料可能遭遇的各種環(huán)境因素及其影響，作為選材的依據(jù)。這些環(huán)境既包括裝備所處的外部環(huán)境，主要為自然環(huán)境，如高原高寒環(huán)境、濕熱海洋環(huán)境、干熱沙漠環(huán)境等，導(dǎo)彈產(chǎn)品主要指庫房貯存環(huán)境，也包括裝備不同結(jié)構(gòu)部位所形成的局部環(huán)境，如飛機(jī)、艦船、車輛等艙內(nèi)環(huán)境，或者產(chǎn)品工作時可能經(jīng)受的特殊環(huán)境條件。
表1 裝備用材料使用環(huán)境分類
武器裝備壽命期（運(yùn)輸、貯存／后勤供應(yīng)、執(zhí)行任務(wù)／作戰(zhàn)使用等）可能遇到的環(huán)境因素非常復(fù)雜，所有可能經(jīng)歷的環(huán)境條件都不應(yīng)忽視。例如，通過海上運(yùn)輸?shù)牡孛孳囕v需考慮鹽霧的侵蝕作用，多地域作戰(zhàn)裝備應(yīng)考慮環(huán)境疊加效應(yīng)。接頭、墊圈、緊固孔等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)容易產(chǎn)生縫隙，滯留水分或電解液， 可形成引起特殊腐蝕形式的微環(huán)境，如電偶腐蝕、縫隙腐蝕等，選材時也應(yīng)予以考慮。一旦對預(yù)期使用環(huán)境有了較為清晰的了解和認(rèn)識，可通過回答表2所列的環(huán)境問題來剔除不相干的腐蝕形式。
表2 排除無關(guān)腐蝕失效模式
3、基于潛在腐蝕模式評估材料
選材的第三步是基于可能存在的腐蝕失效模式評估候選材料的耐腐蝕性。由于設(shè)計(jì)人員對材料可能出現(xiàn)的各種腐蝕形式缺乏直觀明確的認(rèn)識和理解，如何確定設(shè)計(jì)選材需考慮的腐蝕形式并不是件容易的事情。推薦優(yōu)先采用經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證或經(jīng)多年工程應(yīng)用證明可靠的材料，但應(yīng)考慮材料熱處理或使用環(huán)境的改變可能導(dǎo)致其他形式的腐蝕。大多數(shù)材料應(yīng)用會受到一種或多種主要或次要腐蝕形式的影響，如表3所列。
通過上述腐蝕分析淘汰存在嚴(yán)重腐蝕問題的候選材料后，還應(yīng)平衡材料的耐腐蝕性能與其他性能的關(guān)系。一般來說，金屬材料的耐腐蝕性能可用平均腐蝕速率（失重法）、腐蝕深度（金相法）、抗拉強(qiáng)度保持率、斷后伸長率保持率、斷裂韌度保持率、應(yīng)力腐蝕破裂臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kiscc、疲勞強(qiáng)度（壽命）等來表征。由于材料在裝備上的使用部位和經(jīng)受的工況條件不同，選材中對材料強(qiáng)度、剛度、腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕、斷裂韌性等指標(biāo)的要求也不同。既不能片面追求單一性能的優(yōu)越，也不能不分主次所有性能一視同仁，應(yīng)認(rèn)識到?jīng)]有面面俱到的材料，通常強(qiáng)度越高，材料對環(huán)境作用往往越敏感。為了使材料耐腐蝕性能滿足裝備使用要求，應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)功能、構(gòu)型、受力特點(diǎn)和維修難易，對材料各種耐腐蝕性能指標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，靈活選材。非承力結(jié)構(gòu)和次承力結(jié)構(gòu)用材，建議重點(diǎn)考慮材料的平均腐蝕速率、腐蝕深度、靜強(qiáng)度等指標(biāo)，承力結(jié)構(gòu)用材還應(yīng)考慮應(yīng)力腐蝕破裂、腐蝕疲勞等問題。對于腐蝕關(guān)鍵部位和不易維修的部位，原則上應(yīng)選擇高耐蝕的材料以及腐蝕傾向小的熱處理狀態(tài)。
鋁合金優(yōu)選原則示例：鋁合金等結(jié)構(gòu)材料的特征要素是強(qiáng)度，推薦選擇抗拉強(qiáng)度保持率、斷后伸長率保持率和晶間腐蝕等級作為選材指標(biāo)。優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)以一定的環(huán)境條件和暴露時間下指標(biāo)應(yīng)達(dá)到的合格判據(jù)表示，優(yōu)選原則是三個指標(biāo)須全部達(dá)到合格判據(jù)，只要有一個指標(biāo)不滿足則不通過。一般來說，嚴(yán)酷環(huán)境下使用的材料耐腐蝕性等級應(yīng)高于良好、一般環(huán)境下使用的材料。
表4 鋁合金優(yōu)選原則
4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素
選材的第四步是考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響。型號設(shè)計(jì)人員不僅要掌握候選材料的環(huán)境腐蝕特性，還應(yīng)運(yùn)用腐蝕觀點(diǎn)來考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。有時裝備結(jié)構(gòu)選用的材料單獨(dú)來看都是滿足耐蝕要求的，組合在一起卻發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕問題，甚至在遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂故障，究其原因就是設(shè)計(jì)因素考慮不足導(dǎo)致的選材不當(dāng)。下面主要從電偶連接、縫隙、應(yīng)力等設(shè)計(jì)因素討論對選材的要求。
(1)電偶腐蝕因素
異種材料連接在裝備結(jié)構(gòu)上隨處可見，一般來說當(dāng)相互接觸的兩種材料電位差超過250mV就會產(chǎn)生明顯的電偶腐蝕。因此，選材時不應(yīng)孤立考慮材料的耐腐蝕性，而應(yīng)將與其接觸的其他材料視為一體來考慮。設(shè)計(jì)人員可參考各種材料在海水中的電偶序，從電位差、陰陽極面積比等方面篩選合適材料。如果無法避免兩種電位相差較大的材料連接，如鋁-鋼、鋁-鈦、 鋁-碳纖維復(fù)合材料、鋼-鈦等，就應(yīng)采取有效的隔絕措施。
(2)縫隙腐蝕因素
緊固件連接（如螺接、鉚接、銷接等）和焊接產(chǎn)生的縫隙在裝備上極為普遍，為縫隙腐蝕提供了條件。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能避免狹縫結(jié)構(gòu)，采用無縫隙連接技術(shù)，如焊接代替螺鉚連接，用連續(xù)焊、膠接點(diǎn)焊代替點(diǎn)焊，盡量采用濕裝配和密封劑消除縫隙，裝配完成后建議噴涂面漆進(jìn)一步填補(bǔ)縫隙。由于縫隙腐蝕對結(jié)構(gòu)安全危害大，在選材時應(yīng)重點(diǎn)考慮，優(yōu)先選用鈦合金、耐點(diǎn)蝕好的鋁合金、高鉻鋼等。
(3)應(yīng)力因素裝備結(jié)構(gòu)大多會承受一定的工作應(yīng)力，同時熱處理、加工制造和裝配過程還會產(chǎn)生程度不同的殘余應(yīng)力，在腐蝕環(huán)境中存在發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂和腐蝕疲勞的隱患。應(yīng)力腐蝕破裂只在特定的材料-環(huán)境體系中發(fā)生，潮濕工業(yè)大氣和海洋大氣環(huán)境是引起應(yīng)力腐蝕的敏感環(huán)境。結(jié)構(gòu)選材中應(yīng)盡量避免所選材料與使用環(huán)境構(gòu)成應(yīng)力腐蝕的特定體系，如果綜合權(quán)衡后仍然要選擇這種材料，應(yīng)根據(jù)材料的KISCC合理確定設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。另外，由于材料的腐蝕疲勞極限往往低于機(jī)械疲勞極限，并隨使用時間的延長大大下降，因而選材時應(yīng)參考腐蝕疲勞極限選擇適用材料，充分考慮環(huán)境的影響。
5、選擇腐蝕防護(hù)方法
選材的下一個步驟是選擇恰當(dāng)?shù)母g防護(hù)方法，確保材料的良好表現(xiàn)。特殊情況下，某些高耐蝕材料不需要專門的表面防護(hù)方法，如鈦合金、不銹鋼等。然而，大多數(shù)金屬材料及非金屬材料都需要進(jìn)行表面防護(hù)以隔絕外界（使用）環(huán)境的侵蝕作用。一般嚴(yán)酷環(huán)境使用的材料往往需要綜合多種腐蝕防護(hù)方法來提供足夠的抗環(huán)境腐蝕能力，例如，鋁合金通常采用陽極化＋底漆＋（中間漆）＋面漆的多層防護(hù)體系（陽極氧化簡稱陽極化）。
圖2提供了全壽命周期避免或減緩材料腐蝕的腐蝕控制策略，這些策略對于有效控制腐蝕都是必要的。
圖2 全壽命周期腐蝕控制策略
①在材料表面施加有效屏蔽層，以防止腐蝕環(huán)境與材料直接接觸，如前面提到的鋁合金涂層。涂層體系的選擇取決于與基材的相容性、零部件的可達(dá)性、表面加工質(zhì)量等，對于不可達(dá)區(qū)域，應(yīng)該使用更耐用或更持久的涂層。
②微環(huán)境抑制技術(shù)。溫度、濕度是影響材料腐蝕速率的重要參數(shù)，在工程許可范圍內(nèi)，采取密封、降溫、放置干燥劑、定期通干燥空氣排除濕氣等措施，可以降低內(nèi)部微環(huán)境的腐蝕性。利用緩蝕劑來改善材料所處的環(huán)境也是一種通用的方法。另外，有計(jì)劃的維護(hù)保養(yǎng)和清洗作業(yè)將延長材料的使用壽命。
6、有計(jì)劃開展腐蝕驗(yàn)證試驗(yàn)
材料的腐蝕損傷是一個慢作用時間累積過程，而自然環(huán)境試驗(yàn)是真實(shí)可靠驗(yàn)證考核材料環(huán)境腐蝕行為規(guī)律最基礎(chǔ)的試驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)雖然試驗(yàn)周期短，但對多重環(huán)境因素的耦合效應(yīng)模擬不足，對環(huán)境的長期累積作用考核不充分，試驗(yàn)結(jié)果的有效性需要自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)來佐證、評估。因此，考慮裝備研制進(jìn)度，綜合采用實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)手段，快速準(zhǔn)確掌握新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷特征及關(guān)鍵性能退化規(guī)律，是支撐裝備全壽命環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)／改進(jìn)的重要方法。下面推薦在實(shí)驗(yàn)室綜合／組合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展基于標(biāo)桿樣品的短期自然環(huán)境試驗(yàn)，外推預(yù)測長期自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果的一種方法路徑，其實(shí)施步驟如下：
(1)至少選擇兩種與待試新材料具有相似組成結(jié)構(gòu)的標(biāo)桿樣品，一種具有相對較好的環(huán)境適應(yīng)性，一種具有相對較差的環(huán)境適應(yīng)性。標(biāo)桿樣品是指能夠代表某一類材料的性能特點(diǎn)，在給定環(huán)境條件下腐蝕特性已知，用于輔助評估新材料環(huán)境適應(yīng)性的基準(zhǔn)材料。
(2）針對預(yù)評估環(huán)境特征，分析確定要考慮的環(huán)境因素，如溫度、濕度、太陽輻射、腐蝕介質(zhì)種類及干濕交替等，基于環(huán)境當(dāng)量等效轉(zhuǎn)化技術(shù)設(shè)計(jì)多因素綜合／組合加速試驗(yàn)譜，盡可能體現(xiàn)材料主要環(huán)境影響因素的耦合作用。
(3）將選取的標(biāo)桿樣品與新材料同時開展實(shí)驗(yàn)室多因素模擬加速試驗(yàn)研究，每個循環(huán)周期后取樣（標(biāo)桿樣品和新材料）在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)直至任意標(biāo)桿樣品或新材料失效，或達(dá)到規(guī)定的腐蝕損傷程度，或性能發(fā)生明顯變化時為止。
(4）將選取的標(biāo)桿樣品與新材料同時開展1-2年的自然環(huán)境試驗(yàn)，按周期取樣（標(biāo)桿樣品和新材料）在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行性能測試，繪制性能-時間歷程變化曲線，用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果的有效性。
(5)對比實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)下標(biāo)桿樣品與新材料的耐蝕性能優(yōu)劣順序是否一致、腐蝕損傷模式及變化規(guī)律是否一致或相似；利用標(biāo)桿樣品的標(biāo)尺刻度作用，預(yù)判新材料耐蝕性能區(qū)間。
(6）在標(biāo)桿樣品與新材料腐蝕損傷規(guī)律和耐蝕性能優(yōu)劣順序基本一致的前提條件下，采用適宜的概率統(tǒng)計(jì)分析方法對新材料耐蝕性能進(jìn)行一定置信度下的容差下限（上限）估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對新材料環(huán)境適應(yīng)性的預(yù)測評估。否則，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果不可接受，需要重新設(shè)計(jì)試驗(yàn)。
適用性原則是指所選擇的材料必須能夠適應(yīng)工況，并能達(dá)到令人滿意的使用要求。滿足使用要求是選材的必要條件，是在進(jìn)行材料選擇時首先要考慮的問題。
材料的使用要求體現(xiàn)在對其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能等內(nèi)部質(zhì)量的要求上。為滿足材料的使用要求，在進(jìn)行材料選擇時，主要從零件的負(fù)載情況、材料的使用環(huán)境和材料的使用性能要求三個方面考慮。零件的負(fù)載情況主要是指載荷的大小和應(yīng)力狀態(tài)。材料的使用環(huán)境指材料所處的環(huán)境，如介質(zhì)、工作溫度及摩擦等。材料的使用性能要求指材料的使用壽命、材料的各種廣義許用應(yīng)力、廣義許用變形等。只有將以上三方面進(jìn)行充分的考慮，才能使材料滿足使用性能要求。
材料及成型工藝選擇的步驟、方法及依據(jù)
材料及成型工藝的選擇步驟如下：首先根據(jù)使用工況及使用要求進(jìn)行材料選擇，然后根據(jù)所選材料，同時結(jié)合材料的成本、材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件和技術(shù)條件等，選擇合適的成型工藝。
1、選擇材料及其成型工藝的步驟、方法
分析零件的服役條件，找出零件在使用過程中具體的負(fù)荷情況、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。
大多數(shù)零件都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學(xué)性能。在其他條件下使用的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學(xué)性能。如高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強(qiáng)度和抗氧化性；化工設(shè)備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴(yán)寒地區(qū)使用的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)附加對低溫韌性的要求；在潮濕地區(qū)使用時，應(yīng)附加對耐大氣腐蝕性的要求等。
(1) 通過分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類材料失效分析的結(jié)果，確定允許材料使用的各項(xiàng)廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，如許用強(qiáng)度、許用應(yīng)變、許用變形量及使用時間等。
(2) 找出主要和次要的廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，以重要指標(biāo)作為選材的主要依據(jù)。
(3) 根據(jù)主要性能指標(biāo)，選擇符合要求的幾種材料。
(4) 根據(jù)材料的成型工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件、技術(shù)條件選擇材料及其成型工藝。
(5) 綜合考慮材料成本、成型工藝性、材料性能、使用的可靠性等，利用優(yōu)化方法選出最適用的材料。
(6) 必要時選材要經(jīng)過試驗(yàn)投產(chǎn)，再進(jìn)行驗(yàn)證或調(diào)整。
上述只是選材步驟的一般規(guī)律，其工作量和耗時都是相當(dāng)大的。對于重要零件和新材料，在選材時，需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)和批量試生產(chǎn)過程，以保證材料的使用安全性。對不太重要的、批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經(jīng)驗(yàn)來選擇材料，確定材料的牌號和規(guī)格，安排成型工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來的材料及成型工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應(yīng)找出引起失效的原因，并采取相應(yīng)的措施。如果是材料或其生產(chǎn)工藝的問題，可以考慮選用新材料或新的成型工藝。
2、選材依據(jù)
（1）負(fù)荷情況
工程材料在使用過程中受到各種力的作用，有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、切應(yīng)力，扭矩、沖擊力等。材料在負(fù)荷下工作，其力學(xué)性能要求和失效形式是和負(fù)荷情況緊密相關(guān)的。
在工程實(shí)際中，任何機(jī)械和結(jié)構(gòu)，必須保證它們在完成運(yùn)動要求的同時，能安全可靠地工作。例如要保證機(jī)床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產(chǎn)生過度變形。又如千斤頂頂起重物時，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài)，而不允許突然彎曲。對工程構(gòu)件來說，只有滿足了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，才能安全可靠地工作。實(shí)際上，在材料力學(xué)中對材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況，或根據(jù)受力情況進(jìn)行材料選擇時，除了考慮材料的力學(xué)性能外，還必須應(yīng)用材料力學(xué)的有關(guān)知識進(jìn)行科學(xué)的選材。
表1 幾種常見零件的受力情況、失效形式及要求的力學(xué)性能
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工作條件
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常見失效形式
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主要力學(xué)性能要求
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應(yīng)力種類
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載荷性質(zhì)
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其他
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普通緊固螺栓
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拉應(yīng)力
切應(yīng)力
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靜載荷
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過量變形、斷裂
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屈服強(qiáng)度
抗剪強(qiáng)度
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傳動軸
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彎應(yīng)力
扭應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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軸頸處摩擦，振動
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疲勞破壞、過量變形、軸頸處磨損
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綜合力學(xué)性能
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傳動齒輪
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壓應(yīng)力
彎應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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強(qiáng)烈摩擦，振動
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磨損、麻點(diǎn)剝落、齒折斷
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表面：硬度及彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞抗力；心部：屈服強(qiáng)度、韌性
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彈簧
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扭應(yīng)力
彎應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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振動
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彈性喪失、疲勞斷裂
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彈性極限、屈服比、疲勞強(qiáng)度
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油泵柱塞副
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壓應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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摩擦，油的腐蝕
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磨損
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硬度、抗壓強(qiáng)度
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冷作模具
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復(fù)雜應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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強(qiáng)烈摩擦
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磨損、脆斷
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硬度、足夠的強(qiáng)度、韌性
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壓鑄模
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復(fù)雜應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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高溫、摩擦、金屬液腐蝕
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熱疲勞、脆斷、磨損
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高溫強(qiáng)度、熱疲勞抗力、韌性與紅硬性
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滾動軸承
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壓應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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強(qiáng)烈摩擦
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疲勞斷裂、磨損、麻點(diǎn)剝落
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接觸疲勞抗力、硬度、耐磨性
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曲軸
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彎應(yīng)力
扭應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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軸頸摩擦
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脆斷、疲勞斷裂、咬蝕、磨損
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疲勞強(qiáng)度、硬度、沖擊疲勞抗力、綜合力學(xué)性能
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連桿
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拉應(yīng)力
壓應(yīng)力
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循環(huán)沖擊
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脆斷
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抗壓疲勞強(qiáng)度、沖擊疲勞抗力
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（2）材料的使用溫度
大多數(shù)材料都在常溫下使用，當(dāng)然也有在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。
隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當(dāng)溫度降低到一定程度時，其韌性、塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)折溫度。在低于韌脆轉(zhuǎn)折溫度下使用時，材料容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時，應(yīng)選用韌脆轉(zhuǎn)折溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。
隨著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會發(fā)生一系列變化，主要是強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這都對材料的性能產(chǎn)生影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不宜超過480℃，而合金鋼的使用溫度不宜超過1150℃。
（3）受腐蝕情況
在工業(yè)上，一般用腐蝕速度表示材料的耐蝕性。腐蝕速度用單位時間內(nèi)單位面積上金屬材料的損失量來表示；也可用單位時間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來表示。工業(yè)上常用6類10級的耐蝕性評級標(biāo)準(zhǔn)，從I類完全耐蝕到VI類不耐蝕，見表2。
表2 金屬材料耐蝕性的分類評級標(biāo)準(zhǔn)
大多數(shù)工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的，大氣腐蝕是一個普遍的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為10^-605m/d，在需要時常涂敷油漆等保護(hù)層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。
（4）耐磨損情況
影響材料耐磨性的因素如下：
① 材料本身的性能：包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。
② 摩擦條件：包括相磨物質(zhì)的特性、摩擦?xí)r的壓力、溫度、速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。
一般來說，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性較高；如同時具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性；因此，硬度是耐磨性的主要方面。另外，材料的硬度在使用過程中，也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會在摩擦中軟化。
3、材料成型工藝的選擇依據(jù)
一般而言，當(dāng)產(chǎn)品的材料確定后，其成型工藝的類型就大體確定了。例如，產(chǎn)品為鑄鐵件，則應(yīng)選鑄造成型；產(chǎn)品為薄板件，則應(yīng)選板料沖壓成型；產(chǎn)品為ABS塑料件，則應(yīng)選注塑成型；產(chǎn)品為陶瓷件，則應(yīng)選相應(yīng)的陶瓷成型工藝等。然而，成型工藝對材料的性能也產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇成型工藝中，還必須考慮材料的最終性能要求。
（1）產(chǎn)品材料的性能
① 材料的力學(xué)性能。
例如，材料為鋼的齒輪零件，當(dāng)其力學(xué)性能要求不高時，可采用鑄造成型；而力學(xué)性能要求高時，則應(yīng)選用壓力加工成型。
② 材料的使用性能。
例如，若選用鋼材模鍛成型制造轎車、汽車發(fā)動機(jī)中的飛輪零件，由于轎車轉(zhuǎn)速高，要求行駛平穩(wěn)，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產(chǎn)生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成型，而應(yīng)采用閉式模鍛成型。這是因?yàn)椋_式模鍛成型工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進(jìn)行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會被切斷而外露；而閉式模鍛的鍛件沒有飛邊，可克服此缺點(diǎn)。
③ 材料的工藝性能。
材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝；聚四氟乙烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動性差，故不宜采用注塑成型工藝，而只宜采用壓制燒結(jié)的成型工藝。
④ 材料的特殊性能。
材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕、耐熱、導(dǎo)電或絕緣等。例如，耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成型；選用塑料制造，則可用注塑成型；如要求既耐熱又耐腐蝕，那么就應(yīng)選用陶瓷制造，并相應(yīng)地選用注漿成型工藝。
（2）零件的生產(chǎn)批量
對于成批大量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可選用精度和生產(chǎn)率都比較高的成型工藝。雖然這些成型工藝裝備的制造費(fèi)用較高，但這部分投資可由每個產(chǎn)品材料消耗的降低來補(bǔ)償。如大量生產(chǎn)鍛件，應(yīng)選用模鍛、冷軋、冷拔和冷擠壓等成型工藝；大量生產(chǎn)非鐵合金鑄件，應(yīng)選用金屬型鑄造、壓力鑄造、及低壓鑄造等成型工藝；大量生產(chǎn)MC尼龍制件，宜選用注塑成型工藝。
而單件小批生產(chǎn)這些產(chǎn)品時，可選用精度和生產(chǎn)率均較低的成型工藝，如手工造型、自由鍛造、手工焊，及它們與切削加工相聯(lián)合的成型工藝。
（3）零件的形狀復(fù)雜程度及精度要求
形狀復(fù)雜的金屬制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的零件，可選用鑄造成型工藝，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等；形狀復(fù)雜的工程塑料制件，多選用注塑成型工藝；形狀復(fù)雜的陶瓷制件，多選用注漿成形或注射成型工藝；而形狀簡單的金屬制件，可選用壓力加工或焊接成型工藝；形狀簡單的工程塑料制件，可選用吹塑、擠出成型或模壓成型工藝；形狀簡單的陶瓷制件，多選用模壓成型工藝。
若產(chǎn)品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成型工藝。若產(chǎn)品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成型；而精度要求高的，則選用模鍛成型、擠壓成型等。若產(chǎn)品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑；而精度要求高的，則選用注塑成型。
（4）現(xiàn)有生產(chǎn)條件
現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品現(xiàn)有的設(shè)備能力、人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。例如，生產(chǎn)重型機(jī)械產(chǎn)品時，在現(xiàn)場沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運(yùn)輸設(shè)備條件下，常常選用鑄造和焊接聯(lián)合成型的工藝，即首先將大件分成幾小塊來鑄造后，再用焊接拼成大件。
又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機(jī)下沖壓成型，但如果現(xiàn)場條件不具備，則應(yīng)采用其他工藝方法。例如，現(xiàn)場沒有薄板，也沒有大型壓力機(jī)，就不得不采用鑄造成型工藝生產(chǎn)；當(dāng)現(xiàn)場有薄板，但沒有大型壓力機(jī)時，就需要選用經(jīng)濟(jì)可行的旋壓成型工藝來代替沖壓成型。
（5）充分考慮利用新工藝、新技術(shù)、新材料的可能性
隨著工業(yè)市場需求日益增大，用戶對產(chǎn)品品種和品質(zhì)更新的要求越來越強(qiáng)烈，使生產(chǎn)性質(zhì)由成批大量生產(chǎn)變成多品種、小批量生產(chǎn)，因而擴(kuò)大了新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用范圍。
因此，為了縮短生產(chǎn)周期，更新產(chǎn)品類型及質(zhì)量，在可能的條件下就大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成型、注塑成型、粉末冶金、陶瓷等靜壓成型、復(fù)合材料成型、快速成型等新工藝、新技術(shù)、新材料，采用無余量成型，使零件近凈型化，從而顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。
除此之外，為了合理選用成型工藝，還必須對各類成型工藝的特點(diǎn)、適用范圍以及成型工藝對材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成型工藝的特點(diǎn)見表3。
