機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇及其應(yīng)用

徐進(jìn) 閆建華

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇和應(yīng)用的要求也越來(lái)越高，節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)以及機(jī)械設(shè)計(jì)的適用性和經(jīng)濟(jì)性成為機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇和應(yīng)用的必然選擇，成為廣大機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)人員和所有從業(yè)人員必須面對(duì)并加以解決的問題。本文簡(jiǎn)述了關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇和應(yīng)用的重要意義，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)材料的特點(diǎn)和選擇進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì) 材料選擇 應(yīng)用

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

1機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇與應(yīng)用的重要意義

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，機(jī)械作為城市建設(shè)的主要力量，機(jī)械行業(yè)的發(fā)展也得到越來(lái)越多的關(guān)注。而機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用作為機(jī)械行業(yè)中的基礎(chǔ)工作內(nèi)容，對(duì)于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。而對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用問題展開的研究，對(duì)于促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展有著重要的意義。隨著機(jī)械設(shè)備需求量的增加，使得我國(guó)的機(jī)械材料出現(xiàn)了嚴(yán)重短缺的現(xiàn)象。整個(gè)機(jī)械生產(chǎn)與加工行業(yè)也面臨著前所未有的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，一些機(jī)械設(shè)計(jì)中重要的資源已經(jīng)變得越來(lái)越少，原材料日益稀缺，使得機(jī)械制造的材料成本增高，進(jìn)一步壓縮了應(yīng)用空間，所以，機(jī)械設(shè)計(jì)工作必需的材料日益增長(zhǎng)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(duì)這種現(xiàn)象，就要重視機(jī)械的選擇工作，在選擇機(jī)械材料時(shí)不僅要選擇實(shí)用性強(qiáng)的材料，在選材的過(guò)程中還要選擇材料的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。只有選擇良好的機(jī)械材料，才能保證機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的正常發(fā)展。因此，相關(guān)工作人員需要在確保機(jī)械設(shè)計(jì)材料滿足機(jī)械施工作業(yè)基本需求的基礎(chǔ)之上，做到使機(jī)械設(shè)計(jì)整體能滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇工作的注意要點(diǎn)

材料的選擇直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量，在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)的材料中，要注意以下幾個(gè)方面：

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用的實(shí)用性

堅(jiān)持實(shí)用性的原則材料選擇的實(shí)用性是機(jī)械設(shè)計(jì)選材的首要要求，這是保證材料性能和質(zhì)量的根本。機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用要針對(duì)機(jī)械零件的制造工藝進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，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(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用的要求各不相同，鑄造工藝對(duì)材料有收縮性、流動(dòng)性、偏折性、吸氣性及熱裂傾向性的要求，鍛造工藝對(duì)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(duì)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(duì)材料有接受切削加工的要求，粘結(jié)固化工藝對(duì)材料有粘結(jié)固化性的要求，熱處理工藝對(duì)材料有氧化脫碳傾向、回火脆性傾向、過(guò)熱敏感性、淬透性及變形開裂傾向的要求。只有達(dá)到了這些要求，才能將原材料合格加工成機(jī)械零部件，并以這些零部件為基礎(chǔ)，制造出機(jī)械設(shè)備。堅(jiān)持根據(jù)不同零部件的不同要求來(lái)進(jìn)行材料的選擇，準(zhǔn)確的判斷零部件對(duì)材料的要求，是實(shí)現(xiàn)實(shí)用性選材的保證。

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性

除了實(shí)用性能外，經(jīng)濟(jì)性也是選材必須考慮的重要問題。選材的經(jīng)濟(jì)性不單是指選用的材料本身價(jià)格應(yīng)便宜，更重要的是采用所選材料來(lái)制造零件時(shí)，可使產(chǎn)品的總成本降至最低，同時(shí)所選材料應(yīng)符合國(guó)家的資源情況和供應(yīng)情況，等等。不同材料的價(jià)格差異很大，而且在不斷變動(dòng)，因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)材料的市場(chǎng)價(jià)格有所了解，以便于核算產(chǎn)品的制造成本。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選擇價(jià)格高的材料。這對(duì)于大批量制造的零件尤為重要。材料的加工費(fèi)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(jià)，但在批量小時(shí)，選用鋼板焊接比較有利，因此可以省掉鑄鐵的生產(chǎn)費(fèi)用。提高材料的利用率，如采用無(wú)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(yīng)中，對(duì)于小批量的零件應(yīng)盡量減少同一部機(jī)器上使用的材料品種和規(guī)格。

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用應(yīng)當(dāng)重視綠色環(huán)保

目前，環(huán)境已成為全球關(guān)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?cè)诎l(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的同時(shí)，必須考慮環(huán)境保護(hù)問題，力求做到與環(huán)境相宜，對(duì)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(yīng)當(dāng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇和應(yīng)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(fèi)，多采用一些合金系列的材料來(lái)制作零部件，合金系的組元越少，環(huán)境承載的壓力也會(huì)減少，合金的循環(huán)利用的性能就會(huì)相應(yīng)的提升。節(jié)能環(huán)保材料的運(yùn)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(jī)械設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用的環(huán)保性要求。

2.4 機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用中要堅(jiān)決貫徹可持續(xù)發(fā)展觀

在機(jī)械制造領(lǐng)域中，金屬材料的種類非常多，鋼材就有100多種，然而在機(jī)械設(shè)計(jì)中，由于不同種類的材料都堆放在了一起，很難對(duì)材料進(jìn)行分類，進(jìn)而加大了回收利用的難度。因此機(jī)械設(shè)計(jì)的材料選擇過(guò)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?yàn)楹辖鹣档臉?gòu)成元件比較少，對(duì)環(huán)境的壓力也較小，所以能有效提高對(duì)合金的回收和循環(huán)利用效率。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料的選擇和應(yīng)用貫徹可持續(xù)發(fā)展觀，可以使材料的選擇和應(yīng)用達(dá)到最佳效果，有效整合機(jī)械設(shè)計(jì)和原材料資源，有利于充分挖掘材料的潛力，為機(jī)械設(shè)計(jì)材料選擇和應(yīng)用的全面、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.5要考慮載荷應(yīng)力大小和性質(zhì)

在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常機(jī)械材料的外載荷性能容易導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計(jì)的部分元件失效，而機(jī)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(jī)械選材的標(biāo)準(zhǔn)。

這方面的因素主要是從強(qiáng)度觀點(diǎn)來(lái)考慮，用在充分了解材料的力學(xué)性能的前提下來(lái)進(jìn)行選擇。如：①在選材的過(guò)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(duì)進(jìn)行加工。②對(duì)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?qiáng)韌化的處理。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)選材的應(yīng)用的技術(shù)手段

（1）調(diào)質(zhì)工藝以及有關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)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(jī)械設(shè)計(jì)中的大多數(shù)零部件都可以通過(guò)調(diào)質(zhì)技術(shù)來(lái)進(jìn)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(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度，讓材料更具強(qiáng)度和可塑性，就可以讓零件在設(shè)計(jì)中使用更小的截面從而有效的減小整個(gè)機(jī)械設(shè)別的重量和節(jié)省機(jī)械空間。一個(gè)零部件是否需要調(diào)質(zhì)處理時(shí)要根據(jù)零件的強(qiáng)度做出判斷的，并不是所以的零件都需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)。

調(diào)質(zhì)的過(guò)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(shí)間后放入油中或水中冷卻，冷卻后立即進(jìn)行回火，以降低淬火應(yīng)力，調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)成分，從而達(dá)到機(jī)械要求的性能標(biāo)準(zhǔn)?；鼗饻囟鹊闹贫ㄊ歉鶕?jù)材料的硬度和性能的高低來(lái)決定的，硬度和強(qiáng)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(dá)到的強(qiáng)度。因此，一定要根據(jù)實(shí)際的需要來(lái)確定是否應(yīng)該選擇調(diào)質(zhì)工藝，而且設(shè)計(jì)時(shí)必須先在圖紙上明確標(biāo)注調(diào)質(zhì)的強(qiáng)度或機(jī)械性能的值。選擇調(diào)質(zhì)處理材料時(shí)一般需要注意以下幾點(diǎn)：第一，圖紙中應(yīng)注明調(diào)質(zhì)，若只是注明熱處理的話，很多廠家可能會(huì)采用其他的熱處理辦法進(jìn)行處理，如正回火處理。但正回火處理所達(dá)到的相同硬度材料，其屈服強(qiáng)度和沖擊功會(huì)小得多，在實(shí)際的工作中足零部件過(guò)早斷裂。第二，調(diào)質(zhì)的范圍和硬度要按照材料的標(biāo)準(zhǔn)選擇，這有利于工廠配爐生產(chǎn)。第三，硬度和其要求的強(qiáng)度要相適應(yīng)。設(shè)計(jì)師在工作中必須注意，圖紙中要求的強(qiáng)度要與硬度相互匹配，否則難以同時(shí)滿足。在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都有專門的對(duì)照表來(lái)進(jìn)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(jìn)行淬火，是表面的硬度達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，然后再進(jìn)行低溫回火以消除應(yīng)力和穩(wěn)定組織。滲碳工藝采用的是專業(yè)的滲碳鋼，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工件的具體情況來(lái)選擇材料和滲碳的深度，以達(dá)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(shì)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(lái)使用，可以有效的提高技術(shù)的強(qiáng)度以及耐磨性。

（3）氮化處理原則上來(lái)說(shuō)，任何的鋼材都需要進(jìn)行氮化處理，但在實(shí)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(jìn)行的，具有變形小的優(yōu)點(diǎn)。氮化后一般可不加，氮化的硬度根據(jù)材質(zhì)而定，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用整體氮化的處理，對(duì)必修進(jìn)行局部氮化的零部件要做局部保護(hù)，淡化后處理到不需要氮化部位的保護(hù)層。此外，氮化前必須首先對(duì)選材進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做準(zhǔn)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(lái)提高零部件的強(qiáng)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(jiǎn)單，適用于零部件的局部處理，特別是對(duì)耐磨性的提高。表面淬火只加熱表面層，心部的強(qiáng)度還保持原來(lái)的狀態(tài)。一般包括高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱、噴水冷卻和低溫回火幾個(gè)程序。表面淬火后的零部件產(chǎn)生了較多的殘余壓應(yīng)力。

因而使材料的疲勞程度大大提高。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮不可將殘余拉應(yīng)力留在齒根處等零件應(yīng)力集中部位，以免在工作應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加時(shí)造成零件的斷裂。薄板類零件本身容易變形，表面淬火時(shí)要考慮應(yīng)力的平衡問題，如將薄板類工件設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，一是提高心部的強(qiáng)度，另一方面也是可以減少淬火帶來(lái)的變形和裂紋傾向。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，材料的運(yùn)用是關(guān)系到機(jī)械是否正常使用的關(guān)鍵，在整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)著重要的地位，對(duì)提高機(jī)械設(shè)計(jì)的水平，保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量以及推動(dòng)整個(gè)設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。因此，在保證機(jī)器正常的剛度強(qiáng)度下，節(jié)約材料，環(huán)保節(jié)能，提高機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)用性成為了本行業(yè)研究的重點(diǎn)，進(jìn)而全面促進(jìn)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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