機械設計中材料的選擇及其應用

徐進　閆建華（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

機械設計中材料的選擇及其應用

徐進閆建華
（國家電網(wǎng)許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對機械設計材料的選擇和應用的要求也越來越高，節(jié)能減排與環(huán)境保護以及機械設計的適用性和經(jīng)濟性成為機械設計中材料選擇和應用的必然選擇，成為廣大機械設計技術(shù)人員和所有從業(yè)人員必須面對并加以解決的問題。本文簡述了關于機械設計的材料選擇和應用的重要意義，對機械設計材料的特點和選擇進行了分析。

機械設計 材料選擇 應用

在城市化建設規(guī)模持續(xù)擴大的背景作用下，機械行業(yè)在整個國民經(jīng)濟中所占的地位日益關鍵。材料又是關系到機械成本和機械使用過程中非常關鍵的因素，材料的重量幾乎占到了機械設備的全部重量，因此材料成本占到機械設備制造成本的50%或更高。較好的材料不僅能夠延長機械的使用壽命，而且能夠有效的提高機械使用的效率。

1　機械設計中的材料的選擇與應用的重要意義

隨著工業(yè)化進程的加快，機械作為城市建設的主要力量，機械行業(yè)的發(fā)展也得到越來越多的關注。而機械設計中的材料的選擇和應用作為機械行業(yè)中的基礎工作內(nèi)容，對于機械行業(yè)的發(fā)展有著至關重要的影響。而對機械設計中的材料選擇和應用問題展開的研究，對于促進機械行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展有著重要的意義。隨著機械設備需求量的增加，使得我國的機械材料出現(xiàn)了嚴重短缺的現(xiàn)象。整個機械生產(chǎn)與加工行業(yè)也面臨著前所未有的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)，一些機械設計中重要的資源已經(jīng)變得越來越少，原材料日益稀缺，使得機械制造的材料成本增高，進一步壓縮了應用空間，所以，機械設計工作必需的材料日益增長的需求與各種原材料稀缺之間的矛盾日益突出于激化，針對這種現(xiàn)象，就要重視機械的選擇工作，在選擇機械材料時不僅要選擇實用性強的材料，在選材的過程中還要選擇材料的經(jīng)濟性和環(huán)保性。只有選擇良好的機械材料，才能保證機械設計行業(yè)的正常發(fā)展。因此，相關工作人員需要在確保機械設計材料滿足機械施工作業(yè)基本需求的基礎之上，做到使機械設計整體能滿足經(jīng)濟社會、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求。

2　機械設計中的材料的選擇工作的注意要點

材料的選擇直接關系到整個機械設計工作的質(zhì)量，在整個機械設計的材料中，要注意以下幾個方面：

2.1機械設計中的材料的選擇和應用的實用性

堅持實用性的原則材料選擇的實用性是機械設計選材的首要要求，這是保證材料性能和質(zhì)量的根本。機械設計中的材料的選擇和應用要針對機械零件的制造工藝進行合理設計，鑄造工藝、鍛造工藝、焊接工藝、切削加工工藝、粘結(jié)固化工藝、熱處理工藝等對機械設計中的材料的選擇和應用的要求各不相同，鑄造工藝對材料有收縮性、流動性、偏折性、吸氣性及熱裂傾向性的要求，鍛造工藝對材料有鍛后冷卻、沖壓性、可鍛性及冷鐓性的要求，焊接工藝對材料有焊接接頭的使用性能及敏感性要求，切削加工工藝對材料有接受切削加工的要求，粘結(jié)固化工藝對材料有粘結(jié)固化性的要求，熱處理工藝對材料有氧化脫碳傾向、回火脆性傾向、過熱敏感性、淬透性及變形開裂傾向的要求。只有達到了這些要求，才能將原材料合格加工成機械零部件，并以這些零部件為基礎，制造出機械設備。堅持根據(jù)不同零部件的不同要求來進行材料的選擇，準確的判斷零部件對材料的要求，是實現(xiàn)實用性選材的保證。

2.2機械設計中的材料的選擇和應用的經(jīng)濟性

除了實用性能外，經(jīng)濟性也是選材必須考慮的重要問題。選材的經(jīng)濟性不單是指選用的材料本身價格應便宜，更重要的是采用所選材料來制造零件時，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時所選材料應符合國家的資源情況和供應情況，等等。不同材料的價格差異很大，而且在不斷變動，因此設計人員應對材料的市場價格有所了解，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應該選擇價格高的材料。這對于大批量制造的零件尤為重要。材料的加工費也要節(jié)省，例如制造某些箱體類零件，雖然鑄鐵比鋼板廉價，但在批量小時，選用鋼板焊接比較有利，因此可以省掉鑄鐵的生產(chǎn)費用。提高材料的利用率，如采用無切削或者少切削毛坯（如精鑄，模鍛，冷拉毛坯等），可以提高材料的利用率。節(jié)約稀有材料例如鋁青銅代替錫青銅制造軸瓦，用錳硼系合金鋼代替鎳系合金鋼。另外在材料的供應中，對于小批量的零件應盡量減少同一部機器上使用的材料品種和規(guī)格。

2.3機械設計中材料的選擇和應用應當重視綠色環(huán)保

目前，環(huán)境已成為全球關注的大問題。地球溫暖化，臭氧層破壞，酸雨，固體垃圾，資源、能源的枯竭，等等，環(huán)境惡化不僅阻礙生產(chǎn)發(fā)展，甚至危及人類的生存。因此，人們在發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的同時，必須考慮環(huán)境保護問題，力求做到與環(huán)境相宜，對環(huán)境友好。這就需要選擇低能耗、低成本、高效率、污染少的材料應當成為機械設計中選擇和應用材料的主力軍。還要從循環(huán)利用的角度去選擇材料，減少不必要的能源耗費，多采用一些合金系列的材料來制作零部件，合金系的組元越少，環(huán)境承載的壓力也會減少，合金的循環(huán)利用的性能就會相應的提升。節(jié)能環(huán)保材料的運用，不僅能降低能源的消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且還能夠最大限度地符合機械設計中材料應用的環(huán)保性要求。

2.4機械設計中的材料的選擇和應用中要堅決貫徹可持續(xù)發(fā)展觀

在機械制造領域中，金屬材料的種類非常多，鋼材就有100多種，然而在機械設計中，由于不同種類的材料都堆放在了一起，很難對材料進行分類，進而加大了回收利用的難度。因此機械設計的材料選擇過程中，為了便于循環(huán)利用，可以選擇一些單一的合金系制作零部件，因為合金系的構(gòu)成元件比較少，對環(huán)境的壓力也較小，所以能有效提高對合金的回收和循環(huán)利用效率。

在機械設計中的材料的選擇和應用貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，可以使材料的選擇和應用達到最佳效果，有效整合機械設計和原材料資源，有利于充分挖掘材料的潛力，為機械設計材料選擇和應用的全面、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展奠定堅實的基礎。

2.5 要考慮載荷應力大小和性質(zhì)

在機械設計過程中，通常機械材料的外載荷性能容易導致機械設計的部分元件失效，而機械的零部件所具備的性能卻能有效的防止這種零件的失效，由于失效零部件性能與材料的外載荷性能的大小作為機械選材的標準。

這方面的因素主要是從強度觀點來考慮，用在充分了解材料的力學性能的前提下來進行選擇。如：①在選材的過程中。如果選擇的材料需要承受這種荷載力的作用，可以用中碳鋼調(diào)質(zhì)或者低碳鋼滲碳的工藝對進行加工。②對于單純承受壓縮或拉伸力的部件材料，要選擇性能分布更加均勻的材料如彈簧鋼或?qū)Φ吞间撘源慊饛婍g化的處理。

3　機械設計選材的應用的技術(shù)手段

（1）調(diào)質(zhì)工藝以及有關設計應用分析。熱處理技術(shù)是現(xiàn)在最為常見的調(diào)質(zhì)技術(shù)，機械設計中的大多數(shù)零部件都可以通過調(diào)質(zhì)技術(shù)來進行處理，其效果就是可以有效的提高材料的綜合性能，提高材料的拉升強度以及屈服強度，讓材料更具強度和可塑性，就可以讓零件在設計中使用更小的截面從而有效的減小整個機械設別的重量和節(jié)省機械空間。一個零部件是否需要調(diào)質(zhì)處理時要根據(jù)零件的強度做出判斷的，并不是所以的零件都需要進行調(diào)質(zhì)。

調(diào)質(zhì)的過程是淬火加高溫回火，首先需要將零件加熱到一定的溫度，保溫一段時間后放入油中或水中冷卻，冷卻后立即進行回火，以降低淬火應力，調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)成分，從而達到機械要求的性能標準?；鼗饻囟鹊闹贫ㄊ歉鶕?jù)材料的硬度和性能的高低來決定的，硬度和強度越高，回火的溫度越低。調(diào)質(zhì)后的任何高于回火溫度的加熱，都將降低以達到的強度。因此，一定要根據(jù)實際的需要來確定是否應該選擇調(diào)質(zhì)工藝，而且設計時必須先在圖紙上明確標注調(diào)質(zhì)的強度或機械性能的值。選擇調(diào)質(zhì)處理材料時一般需要注意以下幾點：第一，圖紙中應注明調(diào)質(zhì)，若只是注明熱處理的話，很多廠家可能會采用其他的熱處理辦法進行處理，如正回火處理。但正回火處理所達到的相同硬度材料，其屈服強度和沖擊功會小得多，在實際的工作中足零部件過早斷裂。第二，調(diào)質(zhì)的范圍和硬度要按照材料的標準選擇，這有利于工廠配爐生產(chǎn)。第三，硬度和其要求的強度要相適應。設計師在工作中必須注意，圖紙中要求的強度要與硬度相互匹配，否則難以同時滿足。在我國的國家標準以及內(nèi)外標準中都有專門的對照表來進行參考。

（2）滲碳處理滲碳處理是常用的表面硬化處理工藝，是指在滲碳爐中將低碳鋼表面的碳含量增加至規(guī)定范圍然后進行淬火，是表面的硬度達到設計的要求，然后再進行低溫回火以消除應力和穩(wěn)定組織。滲碳工藝采用的是專業(yè)的滲碳鋼，設計時可根據(jù)工件的具體情況來選擇材料和滲碳的深度，以達到最好的效果和節(jié)約成本。氮化處理技術(shù)的最大優(yōu)勢在就在熱處理中變形較小并且硬化層較小，特別是用于和調(diào)質(zhì)技術(shù)結(jié)合來使用，可以有效的提高技術(shù)的強度以及耐磨性。

（3）氮化處理原則上來說，任何的鋼材都需要進行氮化處理，但在實際工作中最常用的氮化鋼是45、40cr、42crmo等。氮化是在氮化爐內(nèi)進行的，具有變形小的優(yōu)點。氮化后一般可不加，氮化的硬度根據(jù)材質(zhì)而定，在設計時盡量采用整體氮化的處理，對必修進行局部氮化的零部件要做局部保護，淡化后處理到不需要氮化部位的保護層。此外，氮化前必須首先對選材進行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機械性能，為氮化做準備。氮化工藝的熱處理變形小，硬化層淺，特備適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合來提高零部件的強度、耐磨性和耐腐蝕性，適用于在周期載荷下工作的零部件，如軸承等。

（4）表面淬火是成本較低的一種硬處理辦法，工藝簡單，適用于零部件的局部處理，特別是對耐磨性的提高。表面淬火只加熱表面層，心部的強度還保持原來的狀態(tài)。一般包括高頻感應加熱、中頻感應加熱、噴水冷卻和低溫回火幾個程序。表面淬火后的零部件產(chǎn)生了較多的殘余壓應力。

因而使材料的疲勞程度大大提高。設計時要考慮不可將殘余拉應力留在齒根處等零件應力集中部位，以免在工作應力與殘余應力疊加時造成零件的斷裂。薄板類零件本身容易變形，表面淬火時要考慮應力的平衡問題，如將薄板類工件設計成雙面淬火，是一種行之有效的解決辦法。表面淬火前要先進行調(diào)質(zhì)處理，一是提高心部的強度，另一方面也是可以減少淬火帶來的變形和裂紋傾向。

4　結(jié)語

綜上，材料的運用是關系到機械是否正常使用的關鍵，在整個機械設計過程中占據(jù)著重要的地位，對提高機械設計的水平，保證機械產(chǎn)品的質(zhì)量以及推動整個設計行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。因此，在保證機器正常的剛度強度下，節(jié)約材料，環(huán)保節(jié)能，提高機械的經(jīng)濟性，實用性成為了本行業(yè)研究的重點，進而全面促進我國機械設計行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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徐進（1986—），女，漢族，安徽淮北人，畢業(yè)于西南大學材料化學專業(yè)，大學本科學歷，工學學士。主要從事機械設計中材料應用與電力設備三防工藝方面的研究；閆建華（1980—），男，漢族，河南許昌人，畢業(yè)于河南工業(yè)大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，大學本科學歷，工學學士，工程師?，F(xiàn)在國家電網(wǎng)許繼集團有限公司主要負責產(chǎn)品研發(fā)設計工作。