0、前言
在产品设计开发过程中，零件选材是个基础的问题，也是个容易忽视的问题，特别是零件选材的模糊性和非定量性。现今的产品设计，多数是定型的或规格化的，因此在使用材料中，多半是套用而非选用，要问设计人员为什么选用这种材料，是否合理或者可否选用其它种材料，就很难正确回答。更有甚者，连套用都作不到，而是随意取用。套用还可以算是一定的经验积累，而随意取用就是完全盲目的了。
另外，据估计目前常用的金属材料超过40000种，而常用的非金属工程材料，如塑料、陶瓷和玻璃、复合材料和半导体等，其数目接近金属材料。这么广泛的材料和现有的许多制造工艺，外加在不同选材参数之间的复合关系，这对工程师来说，针对一个确定的部件，做出选材决定常常是困难的任务。所以如果选材过程不是规范进行的，那么将有可能漏掉有吸引力的可用材料，为了分析在选材过程中的大量数据以便能够做出系统的评估，应将零件选材程序定量化与系统化，零件选材程序的系统性和定量化可以减少上述风险。
已有经验表明，大部分工业领域在产品发展阶段都希望采用平行工程，根据平行工程的原则，在设计的早期阶段就应考虑材料选用和制造工艺，并从概念设计到具体和最终详细设计阶段作为设计内容而加以非常认真地考虑和确定。图
1-1定义了不同的设计阶段，在这些阶段中材料选用与制造工艺选择的相关步骤。
1-1定义了不同的设计阶段，在这些阶段中材料选用与制造工艺选择的相关步骤。
图1-1 设计阶段与材料选择阶段的关系
虽然材料和工艺的选择通常和新产品的研发有关，但常常也会涉及已有产品材料替代方面的考虑。这将属于材料选用的另外一类问题，本课题不做探讨。
总之，不像真正的科学，一个问题一般只有一个正确的答案。材料选择和替代要求考虑优点和制约的平衡、需要和可能的平衡，结果会有各种满意的答案。这如同具有类似功能的零部件，但它们可以由不同的制造者、采用不同的材料甚至不同的工艺制造。
1、材料的初步筛选
在新产品研究开发初期，人们可能会提出如下问题：产品是什么？干什么用？如何生产？为了回答这些问题，有必要确定设计涉及到的不同零件的性能要求并分解到对主要材料性能和工艺的要求。
1.1、材料性能要求分析
材料性能要求可分为4大类，即功能要求、工艺性要求、可靠性和耐环境性。
1.1.1 功能要求
功能要求和零件或产品所要求的特性直接相关。例如：如果零件要承受单轴向拉伸载荷，候选材料的屈服强度直接和产品的承载能力有关。承受弯曲及扭转载荷的零部件，表层及心部应力相差较大，为提高表层强度，可选用淬透性较低的钢，进行表面热处理或化学热处理。
承受交变载荷的零部件，除要求材料具有高的疲劳极限外，缺口敏感性十分重要。高温下工作的零部件，应注意材料的组织稳定性。低温下工作的零部件，必须考虑材料的韧脆转化温度。在腐蚀性介质中工作的零部件，材料的抗蚀能力，氢脆敏感性，应力腐蚀开裂倾向，腐蚀疲劳强度等都是材料选择的重要因素。
然而，产品或零件的某些特性不可能简单地对应于材料的某些可测量性能，如热抗冲击性和可靠性等。在这种情况下，评估过程十分复杂，可能依赖与基于模拟试验的预测或最接近的相关力学性能、物理性能和化学性能。例如，耐热冲击性能可能和热膨胀系数、热导率、弹性模量、韧性和拉伸强度有关。
1.1.2 工艺性要求
材料的工艺性是能否最终成型的能力的度量。当涉及到特殊制造方法，工艺性指的是铸造性、焊接性、机加工性等。如果材料需要变形热处理硬化，相关的工艺性包括延展性和硬化性。在某些情况下，产品毛坯精度要求也做为工艺性的度量。
材料的性能和工艺过程常常有重要关系，因而工艺性的考虑是和功能要求密切相连的。
在许多应用中，成本是评估材料的一个重要因素，成本的限制影响满足使用要求。当成本限制超过时，设计可能必须改变以使用比较廉价的材料。工艺成本常常超过材料成本。因此在某些情况下，采用较贵的材料可以制备出采用高工艺成本低价格材料更便宜的产品。
1.1.3 可靠性要求
材料可靠性定义为在期望的寿命周期内正常发挥功能不出现失效的概论。材料的可靠性是很难测量的，因为它不仅仅取决于材料的固有性能，而且也在很大程度上受它的生产和工艺历史的影响，一般来说，标准材料较成熟，新的非标准材料具有较低的可靠性。
尽管评价可靠性很难，但可靠性常常是必须考虑的重要选材因素。失效分析技术常常用来预测产品的不同失效方式，它是可靠性评价的系统方法。部件在使用中失效的原因常常可追溯到材料和工艺中的缺陷、设计错误、未预计到的使用条件或产品的不合理使用。
1.1.4 耐环境性
产品或零件的工作环境对于确定材料的使用性能要求起着重要的作用。腐蚀以及高温环境和低温环境能够明显地影响大部分材料的使用性能。在不同部件间存在相对运动时，材料的耐磨蚀性应当考虑，设计应提供润滑通道，否则必须使用自润滑材料。当应用几种材料时，相容性也是选择材料应考虑的一个因素。例如在热环境中，使用的所有材料的热膨胀系数必须类似，以便避免出现热应力。
1.2 初步筛选的定量方法
已经确定了不同部件的使用性能要求，就可以确定材料性能要求。这些性能可以是定性的或定量的、必要的和希望的。例如，内燃机连杆的功能是连接活塞和曲轴，使用性能要求是应当能在发动机寿命期内有效地传递功率且不发生失效。材料必要的性能是拉伸和断裂强度，而希望的性能应当是最好的工艺性、质量、可靠性和耐环境性能。所有这些性能应在适当的成本之下获得。材料选择过程包括寻找一种或多种可以最大限度满足这些要求的材料。材料选择的开始是全部工程材料，在这一阶段要广开思路，不要墨守成规。
在提出所有可采用的方案之后，去掉明显不适合的方案，注意力集中到可行的方案中。在这一阶段末期，定量的方法应用于初步筛选以便缩小选择范围。
在材料筛选定量方法中可采用材料性能模型法（即单位性能成本法）或Ashby图表法。单位性能成本法适用于某个性能是最关键使用要求的情况。常用的基于屈服强度或者刚度在不同加载条件下单位性能成本的估算公式见表1，部分车身材料的强度设计与刚度设计对比见表2。
表1 单位性能成本估算公式
表2 几种材料的性能及强度设计与刚度设计对比
图1 Ashby材料选择图的实例
1.3 选材方案的比较
通过采用1.2部分中描述的一种或多种定量初步筛选方法确定了比较窄的可能材料范围后，定量方法可以进一步用来继续缩小可能的材料和匹配的制造工艺的范围，初步优化和相关性能要求符合的候选材料。
为了定量比较，可依据零件使用性能的重要程度将每种材料要求或性能赋予一定的权重。性能权重值通过性能数值和权重因子（α）相乘获得。然后每一种材料的各种性能权重值一起加和给出一个材料性能比较系数（γ），具有较高性能比较系数的材料可以认为是更适合于应用的。
对于低温容器所要求材料各种性能的权重因子见表3。表3 低温材料性能的权重因子
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性能
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权重因子
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韧性
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0.22
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室温屈服强度
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0.15
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室温杨氏模量
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0.11
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比重
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0.11
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热膨胀系数
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0.11
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导热性
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0.11
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比热
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0.08
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成本
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0.11
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合计
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1
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在具有大量材料性能且每种性能的相对重要性并不是十分清楚的情况下，权重因子的确定可能是非常初步的，这降低了材料选择的可靠性。二进位逻辑法能够作为系统工具用以确定α。在这一程序中，评估设计成同时仅参考两种性能。选择性能或目标间的每一个可能结合。对每一个评估有“是”或“否”的决定，而没有含糊的选择。为了确定每一性能或目标的相对重要性，需建立一个表，性能或目标列于左栏，比较在右栏，见表4，表5。
表4 使用二进制逻辑法确定目标的相对重要性
表5 不同目标具体比较情况
在比较两种性能或目标时，重要的目标给定数字1或次重要的给定数字0。可能的决定的总数目N=n（n-1）/2，这里n是在考虑之下的性能或目标数。一个相对强调的系数或权重因子α，对每个目标（m）肯定选择的数目除以可能选择的总数（N），在这种情况下，Σa=1.0。
为了增加二进制逻辑法选择的精确度，是/否的评估能够改进为从0（在重要性方面无差异）到3（在重要性方面有十分大的差异）的分级标志。在这种情况下，总的分级标志对每个选择关键是单个分级标记之和。那么通过以总的标记数除以总的分级标志就获得权重因子，例如表6。
表6 更精确的逻辑法确定目标的相对重要性
性能权重法通过引入性能权重因子为定量的比较候选材料提供了可能，但是当具有不同大小的力学性、物理性能、化学性能组合起来的情况将产生不合理是肯定的。较高数值的性能有比权重因子更大的影响。可通过引入尺度因子可客服这一缺点。规定每种性能具有的尺度是最高数值不超过100。当评估候选材料时，一次考虑一个性能。将候选材料清单中最好的数值作为100，将其他数值按比例分级。引入尺度因子很容易将正常材料性能转化为尺度值。对于一个确定的性能，候选材料的尺度值B表示如下：
对于能用数值表示的材料性能，上述程序的应用是简单的。然而，像耐腐蚀和磨蚀性能、机加性能和焊接性能等，很少可用数值表示，因而材料通常的分级为非常好、好、合格和差等。在这种情况下，使用一个任意尺度，分级也能转化为数值。例如，耐腐蚀性能分级为优秀、非常好、好、合格和差——能够以数值5、4、3、2、1分别表示，在不同性能尺度化后，材料使用性能系数(γ)能够计算得到：
材料性能系数=
式中 i——所有与n有关性能的求和。
未完待续
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