金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用初探

趙云龍

在當(dāng)今時(shí)代，我國的經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)出高速發(fā)展之勢，機(jī)械工業(yè)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域日漸強(qiáng)大與先進(jìn)。機(jī)械進(jìn)步有一個(gè)非常重要的起點(diǎn)，那就是材料，尤其是金屬材料，金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的地位無與倫比。因此，在科技飛速發(fā)展的今天，科技的運(yùn)用必須跟上科技發(fā)展的步伐，而充分利用材料，使材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)揮出超過之前的功能，使設(shè)計(jì)出的機(jī)械系統(tǒng)能夠完成比之前更多的工作，這就是在科技運(yùn)用方向上的一種進(jìn)步。

金屬材料;機(jī)械;設(shè)計(jì);優(yōu)化探究;應(yīng)用

隨著時(shí)代的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)產(chǎn)業(yè)日漸成熟，目前很多工業(yè)企業(yè)與現(xiàn)代化技術(shù)融合形成了具有未來發(fā)展特點(diǎn)的現(xiàn)代化工業(yè)。在現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展中，隨著人們生活水平的提高，與之而來的是工業(yè)用原材料的稀缺，并且隨著時(shí)間的推移，兩者的矛盾逐漸突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前為止世界上用于工業(yè)的材料已經(jīng)達(dá)到了四十多萬種，并且每年還在遞增中。相信不久的未來這些材料會變得異常珍貴，所以，各行各業(yè)都在爭取用有效的原材料資源來提升自己的發(fā)展空間，機(jī)械工業(yè)也不例外。在這種情況下，機(jī)械工程的發(fā)展就變得急迫起來，所以，在機(jī)械工業(yè)中如何對有限的金屬原材料進(jìn)行完美的應(yīng)用對機(jī)械工業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。由于金屬材料種類多樣，它們的特性也有很大的不同，只有掌握好這些原材料的分類、性能以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域等內(nèi)容，才能在機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)中發(fā)揮最大的作用。

黑色金屬材料。鐵及鐵合金稱為黑色金屬，也就是鋼和鑄鐵材料。目前鋼和鑄鐵的應(yīng)用最廣，產(chǎn)量和用量也最大。鋼和鑄鐵都是以鐵和碳兩種元素為主所組成的鐵碳合金。（2）有色金屬材料。簡單來說，有色金屬材料是除鋼鐵以外的金屬材料，統(tǒng)稱為有金色屬。有色金屬材料大致分為銅、銅合金、鋁、鋁合金以及軸承合金等等[2]。目前有色金屬的產(chǎn)量和用量雖不及鋼鐵材料多，但由于它們與黑色金屬材料相比具有某些獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代生產(chǎn)中應(yīng)用日益增多。常用有色金屬材料的牌號及用途。（3）非金屬材料。非金屬材料的種類繁多，在工程材料中常用的有工程塑料、橡膠、陶瓷、復(fù)合材料和新型工程材料等。其中，新型工程材料有納米材料、粉末冶金、貯氫合金、形狀記憶合金、非晶態(tài)合金超導(dǎo)材料等，而納米材料和粉末冶金在工程上應(yīng)用日益廣泛。

優(yōu)質(zhì)機(jī)械材料的使用能夠促進(jìn)我國機(jī)械制造領(lǐng)域進(jìn)一步的發(fā)展，在機(jī)械使用壽命以及性能方面有著極為關(guān)鍵且不可忽視的作用。想要使產(chǎn)品最終性能與質(zhì)量得到顯著提升就一定要挑選出最為合適的材料，只用借助這種方法，才能夠使企業(yè)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域激烈的競爭當(dāng)中存活下來，并繼續(xù)發(fā)展下去。眾所周知，材料的選擇對產(chǎn)品性能以及質(zhì)量緊密相關(guān)，因此材料的選擇便是機(jī)械制造整個(gè)過程中最為關(guān)鍵與重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。除此之外，是否合理的選擇機(jī)械材料，嚴(yán)重影響著產(chǎn)品最后實(shí)際功能的發(fā)揮。在當(dāng)前這一階段，各國都在倡導(dǎo)綠色環(huán)保，為了使我國資源得到良好保護(hù)，并提高資源的使用效率，一定要在機(jī)械制造的過程當(dāng)中遵循可持續(xù)發(fā)展原則，對材料質(zhì)量和性價(jià)比進(jìn)行著重考量，從而保證我國的機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)能夠取得穩(wěn)步、健康成長。同時(shí)，由于當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較快，社會各個(gè)行業(yè)對于機(jī)械產(chǎn)品需求愈發(fā)擴(kuò)大，所以一定要將產(chǎn)品性能與質(zhì)量作為根本基礎(chǔ)，不斷推進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

1.注重荷載水平高的材料的選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇，還要遵循荷載水平高的材料選擇原則。機(jī)械設(shè)備一般情況下都是長時(shí)間工作，設(shè)備的組成構(gòu)件在長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)下會出現(xiàn)磨損或者功能減弱等狀況，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)主要原因是機(jī)械設(shè)計(jì)中，選擇的機(jī)械材料荷載承受能力低，無法滿足長時(shí)間工作需求，使用壽命縮短、功能喪失。面對這種情況，必須從荷載水平角度出發(fā)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，重視評估機(jī)械材料的荷載承受力，盡量選擇荷載水平高的材料。當(dāng)然荷載水平評定需要根據(jù)機(jī)械行業(yè)限定標(biāo)準(zhǔn)為主，應(yīng)用頻率高的機(jī)械材料相對來講荷載水平高，符合機(jī)械設(shè)計(jì)選擇要求。常見的荷載水平高的機(jī)械材料評定，包括低碳鋼滲碳處理工藝。根據(jù)此工藝對機(jī)械材料（鋼材質(zhì)量）進(jìn)行荷載水平測試，為機(jī)械設(shè)計(jì)選擇適合的鋼材。

2.對于可回收、綠色環(huán)保型材料的應(yīng)用

在機(jī)械的設(shè)計(jì)與加工過程中，金屬系材料占據(jù)著極大的一部分，但是金屬材料屬于不能再生型的能源，而且在廢棄之后很難進(jìn)行二次的回收與利用，不僅會造成資源方面的浪費(fèi)，還有可能會對環(huán)境產(chǎn)生一定污染。這就使得機(jī)械設(shè)計(jì)加工工作違背了我國可持續(xù)綠色健康發(fā)展的原則。所以，想要使資源的應(yīng)用效率得到最大程度提升，相關(guān)設(shè)計(jì)人員一定要格外關(guān)注材料的選擇，將可回收、無污染資源作為選用的首要目標(biāo)，從而防止出現(xiàn)資源浪費(fèi)以及環(huán)境污染等問題，除此之外，使用可回收材料還可以確保行業(yè)在未來實(shí)現(xiàn)長久、健康的發(fā)展。

3.金屬材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)程度及加工性能

不同材料之間，因?yàn)榇嬖诓煌奈锢韰?shù)，所以有不同的物理性能，之前所考慮的金屬材料選擇出發(fā)點(diǎn)都只是已經(jīng)設(shè)計(jì)好模型之后，什么樣的金屬材料才能滿足當(dāng)前機(jī)械模型的工作需求，但目前所面對的情況為，有了金屬原材料，需要開始加工流程，但因?yàn)椴煌奈锢硇阅?，加工難度存在明顯區(qū)別，加工難度不僅是體現(xiàn)在加工材料的物理性能差異上，還體現(xiàn)在加工零件模型的操作困難上，同一種金屬材料，加工不同的金屬零部件，加工難度完全不同，而同一的金屬零件加工，也會因?yàn)椴煌慕饘俨牧隙鴮?dǎo)致加工難度存在差異，加工之后，金屬材料的物理特性可能因?yàn)榧庸み^程的切割高溫等因素而產(chǎn)生變化，不同材料變化的程度不同，因此，我們需要確保加工之后金屬材料的物理性能依舊符合之前的需求，因此去掉物理數(shù)據(jù)變化明顯的那一組金屬材料。

4.考慮工藝性能

工藝性能好是指所選材料能用最簡易的方法制造出零件。某些情況下工藝性能就可能成為選材考慮的主要根據(jù)。例如：鑄鐵不能鍛打;塑性小的材料不宜沖壓;外形復(fù)雜的零件往往只能鑄造，沖壓或模鍛方式一般是用在外形簡單的大批的小零件生產(chǎn)當(dāng)中。高分子復(fù)合金屬材料的制作工藝是較為簡單的，切削加工過程以及性能良好，但是該方法有個(gè)缺點(diǎn)就是導(dǎo)熱性能較差，在切削加工過程當(dāng)中不易散熱，會導(dǎo)致工件的溫度急劇升高，從而導(dǎo)致熱固性樹脂變焦以及熱塑性材料變軟的情況發(fā)生。陶瓷材料在成形之后，幾乎不能進(jìn)行其他方面的加工，但其可以用在碳化硅與金剛石砂輪磨削工藝。金屬零件材料的加工工藝是鑄件的工藝設(shè)計(jì)，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)，要選擇塑性比較好的合金材料進(jìn)行加工，最好是選用共晶成分的合金材料;若進(jìn)行鍛件設(shè)計(jì)，就要選用相對塑性較好的合金材料;對焊接結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)要選用低碳鋼或者是合金鋼材料，銅合金與鋁合金的焊接效果相對較差一些。金屬零件材料切削加工性能的好壞，會直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率等，所對鋼鐵材料進(jìn)行化學(xué)分析，并通過改性處理來改善金相組織和力學(xué)性能，使其硬度控制在l70HBS～230HBS之間，以達(dá)到改善切削加工性的目的。

眾所周知，我國的經(jīng)濟(jì)絕大部分來源于機(jī)械的加工制造領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)對機(jī)械材料的選擇與應(yīng)用越來越嚴(yán)格，所以在當(dāng)今信息技術(shù)時(shí)代，建議引入人工智能（AI）、專家系統(tǒng)等先進(jìn)信息技術(shù)，輔助機(jī)械設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)、材料選擇等方面逐步實(shí)現(xiàn)智能化。

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[1]高鵬，韓偉.金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用分析[J].世界有色金屬，2018（21）：29-30.

[2]李春艷.金屬材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇與應(yīng)用[J].中國金屬通報(bào)，2016（10）：48-49.