機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用

劉洋君

(北京中科泰安脈沖氣壓噴射技術(shù)有限公司,北京 100095)

為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和保障城市化建設(shè)，機(jī)械行業(yè)需要不斷改進(jìn)工作中的問(wèn)題，做好工作中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用是整個(gè)行業(yè)的關(guān)鍵所在，關(guān)系到產(chǎn)品和質(zhì)量和整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。新的形勢(shì)下，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)需要面對(duì)新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，因此，需要在關(guān)鍵環(huán)節(jié)加強(qiáng)提升和改進(jìn)，確保機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇材料的意義

隨著現(xiàn)代工業(yè)化體系的不斷完善，整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)與加工行業(yè)面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。由于對(duì)機(jī)械需求量的不斷增加，直接導(dǎo)致了材料的短缺。材料是機(jī)械設(shè)計(jì)和零件生產(chǎn)的基本元素，保證材料的供應(yīng)和恰當(dāng)?shù)倪x材，是機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，面對(duì)當(dāng)前的局面，必須加強(qiáng)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇工作力度。一方面保證選擇適合的、實(shí)用的材料，另一方面，為了節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，還要在選材的過(guò)程中充分考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。通過(guò)良好的完成機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇工作，從而推動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇

材料選擇是否合適，會(huì)直接影響零件的質(zhì)量和企業(yè)成本，因此在整個(gè)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，材料的選擇是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，通常都是參考相同零件或類似零件的選材方式，主要依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇工作。但是這種方式有比較嚴(yán)重的缺陷，一旦沒(méi)有先例進(jìn)行參考，通常就選擇一種相對(duì)萬(wàn)能的材料，這種選材方式就容易出現(xiàn)問(wèn)題。因此，我們有必要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇進(jìn)行認(rèn)真分析，總結(jié)出恰當(dāng)?shù)倪x材方式。

（1）堅(jiān)持使用性的要求。材料的使用性是選材時(shí)需要堅(jiān)持的首要要求，這也是保證材料性能和質(zhì)量的根本因素。不同零件在選材的方面有不同的要求，一些零件對(duì)強(qiáng)度有很高的要求，另一些零件更加側(cè)重于零件的耐磨性，甚至一些零件更加外觀方面的美觀。因此，在選材時(shí)，要堅(jiān)持根據(jù)不同零件采取不同的選材策略，準(zhǔn)確地判斷零件使用性能方面的要求，選擇真正適合零件設(shè)計(jì)的機(jī)械材料。

（2）材料載荷類型的選擇。通過(guò)大量的試驗(yàn)和研究，我們發(fā)現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)中導(dǎo)致大部分零件實(shí)效的原因是由機(jī)械材料的外載荷性能所導(dǎo)致的，但是機(jī)械零部件具有的應(yīng)用性能可以對(duì)這種問(wèn)題進(jìn)行有效的抑制。這種外載荷性能與抑制失效問(wèn)題能力二者出現(xiàn)矛盾，因此，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇時(shí)，要以零部件材料的荷載性能作為選材的標(biāo)準(zhǔn)?？梢詫⒉牧系妮d荷性能歸納為以下方面：①當(dāng)機(jī)械材料零部件在外載荷力的作用下發(fā)生彎曲或者扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象時(shí)，材料的表層會(huì)集中大部分應(yīng)力，由此可見(jiàn)，材料表層的性能直接決定著對(duì)材料零部件實(shí)效性的抑制效果。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)的選材過(guò)程中，如果選擇的材料需要承受這種載荷力的作用，可以選擇中碳鋼調(diào)質(zhì)或者低碳鋼滲碳的方式對(duì)材料進(jìn)行加工，對(duì)表層施以高頻淬或者采用淬火和低溫回火的加工方式。經(jīng)過(guò)處理后的零件內(nèi)部通常具有較高的綜合機(jī)械性能，表層具有很高的硬度。通過(guò)這樣的選材和加工方式可以保證生產(chǎn)的成品的質(zhì)量。②對(duì)那些單純承受拉伸或者壓縮能力的材料零件，由于外載荷作用力會(huì)分布在整個(gè)零部件的橫截面，所以在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要選擇性能分布更加均勻的材料。由于高碳鋼材料較脆，在承受沖擊載荷時(shí)容易斷裂。因此，應(yīng)該避免選擇這種材料作為承受高拉伸和壓縮力的材料。彈性零件不允許在工作時(shí)有殘余變必須具備高強(qiáng)度、高塑性和充足的韌性，通常選擇彈簧鋼作為零件的制作材料。通過(guò)近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)低碳鋼施以淬火強(qiáng)韌化處理也可以滿足彈性零件的使用要求。因此，要堅(jiān)持恰當(dāng)?shù)倪x材和先進(jìn)的技術(shù)相結(jié)合，從而保證生產(chǎn)的質(zhì)量和性能。

（3）碳素鋼與合金鋼的選擇。目前，對(duì)各種材料的選擇中，碳素鋼是使用率較高的一種材料。由于加工工藝性好、價(jià)格便宜使碳素鋼被廣泛使用，但是，碳素鋼也有較為明顯的缺點(diǎn)，一定程度上制約了使用范圍。碳素鋼的強(qiáng)度較和韌性較差，中等形狀以上的零件不能被整體的淬透，這些都是碳素鋼的局限性。為了改善碳素鋼的缺陷，可以在碳素鋼中加入適量的合金元素，形成一種新的材料—合金鋼。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，合金元素主要起提高強(qiáng)度和韌性以及增加淬透性的作用。除了這三個(gè)作用外，由于能形成炭化元素的合金元素的加入，也提高了材料的耐磨性。另外，當(dāng)合金含量較高時(shí)，可以使材料的性能進(jìn)一步提高。例如在耐熱、不銹、耐腐性方面都有提高。通常只有在外載的應(yīng)力較大，且較復(fù)雜的情況下才會(huì)選擇合金鋼。另外，有時(shí)為了改善淬火的工藝性，避免淬火裂紋產(chǎn)生或減小變形也會(huì)選擇合金鋼制造。這有在上述特殊情況下才會(huì)選擇使用合金鋼，一方面是為了保證特殊情況下得零件質(zhì)量，另一方面也是為了避免資源的浪費(fèi)。

（4）選擇加工過(guò)程中污染和能源消耗程度較低的材料。①盡量避免采用熱處理的材料。熱處理的工藝決定著機(jī)械零件的性能和使用壽命，但是，這種工藝會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大污染，同時(shí)也會(huì)消耗較多的能源。因此，在選擇材料的時(shí)候，盡量選擇在熱軋、冷拔狀態(tài)下可以達(dá)到性能要求的材料。②選擇熱處理工序少的材料。當(dāng)無(wú)法選用其他材料的時(shí)候，盡量選擇熱處理工序較少的材料：用低淬透性鋼制造齒輪，即使經(jīng)過(guò)穿透性加熱，冷卻后也只會(huì)表面淬硬，齒輪的內(nèi)部仍然保持堅(jiān)韌的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)淬硬層加熱淬火，可以取代部分合金鋼+滲碳淬火，從而降低了環(huán)境的污染，減少了能源消耗；低碳馬氏鋼具備優(yōu)良的機(jī)械性能，在某些方面甚至優(yōu)于中碳結(jié)構(gòu)鋼。在靜載荷缺口的敏感性、疲勞缺口的敏感度等方面，低碳馬氏鋼都具有較好的表現(xiàn)。低碳馬氏鋼的在能耗方面消耗較小，起到了節(jié)能和環(huán)保的效果；恰當(dāng)選擇用于干切削的材料。機(jī)器零件的加工通常使用切削液的方式進(jìn)行，切削液價(jià)格較為昂貴，而且會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，為了降低成本，同時(shí)保護(hù)環(huán)境，應(yīng)該盡量減使用切割液的干切削加工技術(shù)。如果采用干切削刀具進(jìn)行加工，應(yīng)該選擇適合干切削的材料。

（5）選擇對(duì)人體無(wú)害的材料。在機(jī)械設(shè)計(jì)的工作中，部分材料包含一些對(duì)人體有害的元素，甚至對(duì)整個(gè)生態(tài)都會(huì)產(chǎn)生破壞。離子狀態(tài)存在的Cr+6是各種合金元素中對(duì)人體毒害最大的元素，其他的As、Ni等也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。含有這些元素的材料被廢棄后，會(huì)污染、水源和土壤，直接造成人體危害或者對(duì)生態(tài)造成破壞。例如Pb37%的Sn-Pb合金曾經(jīng)廣泛應(yīng)用于集成電路和印刷的配件上，當(dāng)電路板廢棄后，由于很難對(duì)這種材料進(jìn)行回收，通常進(jìn)行填埋處理。但是Pb是可以溶于水的元素，會(huì)通過(guò)生物鏈對(duì)人體產(chǎn)生危害。類似于這類會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害的材料，在選擇時(shí)要盡量慎重，避免材料選擇不當(dāng)造成的人體傷害。

（6）選擇易回收處理、可循環(huán)利用的材料。金屬材料種類繁多，在鋼種方面就有一百多種。在循環(huán)利用的過(guò)程中，很多種類不同的材料混在一起，加大了廢料的回收處理的難度，也給廢料的循環(huán)利用帶來(lái)了很大困擾。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)金屬材料的循環(huán)利用，最好使用單一的合金系來(lái)制造零件，合金系中的組元越少，環(huán)境的承載壓力也會(huì)減少，合金的循環(huán)利用的性能會(huì)相應(yīng)提升。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和現(xiàn)代化的工業(yè)進(jìn)程都有十分重要的意義，必須花大力氣切實(shí)保障機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用是整個(gè)設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)，關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和行業(yè)的進(jìn)步，因此，在具體的工作中，我們需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用進(jìn)行更加全面的考慮。不僅要保證選擇的材料能夠滿足設(shè)計(jì)加工的需求，還要注意材料應(yīng)用過(guò)程中的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。做好了這兩方面的工作，可以為機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

[1]梁耀能.機(jī)械工程材料[M].廣州：南理工大學(xué)出版社，2002.

[5]李樂(lè)心.我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中低碳模式探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，（17）.

[3]胡家秀.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.