金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用

耿在丹

（鄭州工程技術(shù)學(xué)院開放教育學(xué)院，河南 鄭州 450000）

機(jī)械設(shè)計(jì)，是機(jī)械制造的基礎(chǔ)性工作。關(guān)于材料的選擇，在機(jī)械制造過(guò)程中非常重要，因?yàn)榻饘俨牧嫌兴陨淼膬?yōu)缺點(diǎn)，所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，依據(jù)材料自身的優(yōu)缺點(diǎn)加以選擇，揚(yáng)長(zhǎng)避短，確保達(dá)到最好的機(jī)械使用效果。隨著對(duì)機(jī)械的需求量逐漸加大，材料短缺的情況在機(jī)械加工業(yè)中日益明顯。在此現(xiàn)狀下，更要審慎嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪x擇金屬材料，保證所選材料的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性、環(huán)境友好性、適用方便性等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械行業(yè)的健康發(fā)展。

1 選擇材料的基本原則

1.1 材料的經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能

經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展，良好的生態(tài)環(huán)境是每個(gè)行業(yè)健康發(fā)展的基本前提。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益也是機(jī)械制造企業(yè)追求的目標(biāo)，選擇性價(jià)比較高的材料，可以縮減成本，為企業(yè)帶來(lái)更多的利益。因此，在選擇材料時(shí)，要充分考量各種因素。例如，包括所選材料的供給狀況、所選材料加工的難易程度、材料的轉(zhuǎn)化率、材料價(jià)格的高低及獲取的難易等，最大限度為企業(yè)降低生產(chǎn)成本。

1.2 載荷力的大小和荷載力性質(zhì)

荷載力大小和荷載性質(zhì)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中非常重要，材料的荷載力和可塑性優(yōu)良，就能保障機(jī)械使用過(guò)程中性能優(yōu)良。設(shè)計(jì)師在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中想要保證后期機(jī)械的使用效果，避免由于所選材料的荷載水平差而引起的使用受抑制或使用失效的種種不良反應(yīng)，就必須認(rèn)真審慎的對(duì)材料加以判斷、選擇。所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行評(píng)估，如有需要還要對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)、滲碳、氮化技術(shù)等處理。]

1.3 零件的尺寸與質(zhì)量

機(jī)械制造幾乎是一個(gè)要求零容錯(cuò)率的行業(yè)，在零部件生產(chǎn)制造過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)椴划?dāng)選材，使一些金屬材質(zhì)部件質(zhì)量、尺寸不合格，造成資源浪費(fèi)，給企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成重大損失，因此，選擇材料一定要格外謹(jǐn)慎，要認(rèn)真細(xì)致地全面考量，仔細(xì)甄別。

1.4 特殊的工作環(huán)境

因?yàn)閷?duì)各個(gè)機(jī)械組成部分所處的工作環(huán)境要求不同，因此，對(duì)不同功能金屬材料的選擇尤為重要。通常需要考慮以下幾個(gè)因素：第一，溫度因素。金屬會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生熱脹冷縮。但金屬體積隨溫度變化的幅度不同，膨脹系數(shù)也各不相同。所以，在選擇材料時(shí)要綜合考量多重因素。第二，環(huán)境的濕度及對(duì)金屬的腐蝕性。有些零件必須在具有高度腐蝕性的環(huán)境中工作，加之潮濕的環(huán)境，這些條件只有那些具有很好的防腐蝕、防銹性能優(yōu)良的金屬材料才適合。第三，金屬的耐磨性。零件磨損在作業(yè)過(guò)程中是不可避免的，硬度大、耐磨性好的金屬物質(zhì)可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，隨著焊接、熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，零件也可以進(jìn)一步加工使性能達(dá)到最佳，使用壽命的延長(zhǎng)為企業(yè)節(jié)省大量生產(chǎn)成本，帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

1.5 零件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及材料的加工性能

金屬零部件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、金屬材料的加工性能是否符合要求，是在機(jī)械設(shè)計(jì)中必須要考慮到的因素。相對(duì)復(fù)雜的零部件需要進(jìn)一步采取技術(shù)加工手段，例如板材沖壓元件、焊接等；相對(duì)金屬材料的加工性能而言，主要考驗(yàn)材料本身的沖壓切削能力、鑄造焊接性能等。不能通過(guò)以上檢測(cè)的金屬材料，自然應(yīng)被淘汰。

1.6 材料的可循環(huán)使用性

機(jī)械設(shè)計(jì)中，常將若干種金屬混為合金以達(dá)到某種預(yù)期效果，然而一旦機(jī)械報(bào)廢，合金的回收成本和難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純金屬材料，浪費(fèi)了大量資源。要想實(shí)現(xiàn)資源的合理化運(yùn)動(dòng)，選擇金屬材料時(shí)，要盡量選擇組成元素越少越好的合金。

1.7 材料的無(wú)害化

含有鎳、鉛、鉻等元素的金屬材料對(duì)人體健康會(huì)產(chǎn)生一些危害，在對(duì)其加工的過(guò)程中，廢棄物的排到也會(huì)造成空氣污染，機(jī)械設(shè)計(jì)是為了造福人類，對(duì)人類身心健康、對(duì)環(huán)境有污染的材料應(yīng)最大限度減少使用。

2 經(jīng)濟(jì)適用性

金屬材料具有適用性，是指材料自身所具有特性能在設(shè)備使用時(shí)很好的發(fā)揮出來(lái)，經(jīng)濟(jì)性是指選擇材料實(shí)惠適用，性價(jià)比高。

例如，在碳素鋼中加入一定量的合金元素，就彌補(bǔ)了其自身的不足，增大了材料的硬度，增強(qiáng)了其韌性。合成材料的耐高溫性能、耐腐蝕性能及耐磨損性也都大大改善，在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇這種合成型材料，其經(jīng)濟(jì)適用性能便大幅提高。

同時(shí)，對(duì)不同材料的加工應(yīng)采取不同的制造工藝。例如，流動(dòng)性好、收縮吸氣性強(qiáng)的材料適合鑄造生產(chǎn)工藝；沖壓性好及具有冷鎖性的材料適合焊接生產(chǎn)；熱處理加工工藝適合具有符合淬透性標(biāo)準(zhǔn)、氧化脫碳及熱敏感等相關(guān)性能要求的材料；切削加工要求金屬材料具有切削作業(yè)的可操作性。材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性也必須考慮，價(jià)格便宜、容易得到及各項(xiàng)成本較低的材料應(yīng)該成為首選。

3 環(huán)保節(jié)能性

3.1 選擇加工過(guò)程中污染少、能耗低的材料

要認(rèn)真貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念，材料的選擇，盡量避免那些在加工過(guò)程中產(chǎn)生大量廢氣、廢料的材料，以最大限度降低環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。材料在進(jìn)行熱處理工藝加工后性能會(huì)有所提高，材料的使用壽命也會(huì)有所延長(zhǎng)，但熱處理工藝加工過(guò)程污染環(huán)境嚴(yán)重，消耗大量能源。所以，應(yīng)盡量避免使用需要熱處理的材料。當(dāng)然，無(wú)法避免需要采用熱處理材料時(shí)，也要盡量選擇需要熱處理工序少的材料，減少能量的消耗，降低對(duì)環(huán)境的污染。

3.2 選擇可回收再生性材料

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的應(yīng)用尤為重要，材料的選擇應(yīng)減少產(chǎn)品上所用材料的種類，首選那些可再生、可回收、易降解、無(wú)污染無(wú)害且于環(huán)境兼容性較強(qiáng)的材料。機(jī)械的使用過(guò)程必定會(huì)有磨損、報(bào)廢，而報(bào)廢后的資源回收問(wèn)題也是機(jī)械設(shè)計(jì)中材料應(yīng)用需要充分考慮的問(wèn)題。廢棄的資源得不到回收，不僅是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，而且會(huì)污染環(huán)境，更為嚴(yán)重的會(huì)危害人的身體健康。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在保證零件優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少產(chǎn)品中材料元素的種類，這種材料有利于廢棄后回收利用，回收成本較低。盡量不要采用如橡膠與金屬混合或者粘合類的設(shè)計(jì)。

3.3 優(yōu)先選擇新型安全材料

一些傳統(tǒng)的物質(zhì)材料在加工制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，對(duì)人體和自然環(huán)境造成嚴(yán)重危害。所以，要盡量少的使用這類物質(zhì)。在能滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，要勇敢嘗試探索新型材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬材料。例如，可采用金屬泡沫，因?yàn)榻饘倥菽荒苋紵?，能夠再循環(huán)利用，是對(duì)環(huán)境和人體都是無(wú)毒無(wú)害的材料。同時(shí)，機(jī)械零部件在運(yùn)作過(guò)程中必不可少會(huì)發(fā)生磨損，使用性能下降，零件損壞，達(dá)不到預(yù)期的使用要求。

所以，選擇材料時(shí)，要充分考慮到零件的時(shí)效性，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)選擇合適的材料，提高使用率。同時(shí)，材料選擇的無(wú)害化也是我們必須關(guān)注的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)在促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中發(fā)揮著重大作用，合理選擇材料并適當(dāng)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，尤為重要。一方面要保證所選材料滿足設(shè)計(jì)加工的要求，另一方面，注重材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)適用性，只有堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的道路，機(jī)械制造業(yè)才能更好更快發(fā)展。