機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇與應(yīng)用研究

林赫超

摘要：眾所周知，金屬材料直接影響著機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)、制造和使用中的效果，選擇金屬材料是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品的使用情況、金屬材料的特性合理地選擇材料種類，在降低機(jī)械產(chǎn)品成本的同時(shí)，盡可能地提升機(jī)械產(chǎn)品的性能。因此，文章將探討機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料選擇的原則，并提出機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料應(yīng)用技術(shù)手段，旨在為相關(guān)技術(shù)工作者提供有價(jià)值的參考和建議。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);金屬材料;選擇與應(yīng)用

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)加快，機(jī)械行業(yè)是推動(dòng)工業(yè)發(fā)展的重要力量，機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械制造的首要環(huán)節(jié)，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要選擇合理的金屬材料，才能有效地提升機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量，進(jìn)而提高機(jī)械行業(yè)的發(fā)展水平。在金屬材料的選擇與應(yīng)用的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)載荷、使用環(huán)境和經(jīng)濟(jì)性等多方面因素來(lái)選擇金屬材料，唯有選擇了合理的金屬材料，才能保障機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。由于金屬材料的種類繁多，每一種金屬材料有著特殊的性能，機(jī)械設(shè)計(jì)人員需要掌握金屬材料的分類、性能，從經(jīng)濟(jì)、低碳、環(huán)保的角度出發(fā)，選擇高性能、低污染的金屬材料，并將其應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，從而促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的順利進(jìn)行。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的選擇原則

金屬材料是機(jī)械設(shè)計(jì)中普遍使用的一種材料，而且在機(jī)械行業(yè)得到了普遍應(yīng)用，金屬材料的選擇也是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要工作，更是機(jī)械設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。筆者認(rèn)為，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，選擇金屬材料時(shí)需要遵循以下三個(gè)方面的原則：

首先，載荷大小。所謂載荷，即是指力的一種表現(xiàn)形式，也就是針對(duì)物體施加一定的力，使得物體的表面和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的形變。不同的金屬材料，對(duì)于外力的承受能力也不相同，若是在機(jī)械設(shè)計(jì)中選擇了不合理的材料，很可能出現(xiàn)外力大于載荷的情況，這樣就直接降低了機(jī)械產(chǎn)品的使用性能，影響著產(chǎn)品的使用質(zhì)量，甚至?xí)l(fā)生安全事故。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮到機(jī)械產(chǎn)品制造和使用過(guò)程中的受力情況，并對(duì)金屬材料的載荷進(jìn)行計(jì)算，從而選擇出合理的材料，保證機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量。

其次，工作環(huán)境。毋庸置疑，工作環(huán)境直接影響著金屬材料的使用，不同的工作環(huán)境需要不同的金屬材料，如機(jī)械產(chǎn)品長(zhǎng)期在濕熱的環(huán)境下工作，金屬材料的表面很可能會(huì)發(fā)生腐蝕的現(xiàn)象，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員便需要選擇抗腐蝕性強(qiáng)的金屬材料，從而增強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

最后，零件尺寸。在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，尺寸是非常重要的內(nèi)容，特別是對(duì)于精密機(jī)械而言，甚至精準(zhǔn)度達(dá)到了納米級(jí)別，設(shè)計(jì)人員需要考慮到機(jī)械產(chǎn)品的加工性，并從理論的角度對(duì)零件尺寸進(jìn)行計(jì)算，選擇合理的材料，從而保障零件加工的順利性。另外。在針對(duì)零件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要以現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際加工情況為基礎(chǔ)，在相同性能的情況下，盡可能地選擇有利于加工且環(huán)保、低碳、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)的材料。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料的具體應(yīng)用

1. 滲碳處理

滲碳是常見(jiàn)的金屬材料熱處理方式，通過(guò)提升材料表面的碳濃度，有效地增強(qiáng)材料的韌性，提升機(jī)械產(chǎn)品的使用性能。在實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，金屬材料若不經(jīng)過(guò)熱處理工藝，難以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，而經(jīng)過(guò)滲碳處理，則可以提高金屬材料的性能，進(jìn)一步滿足機(jī)械產(chǎn)品的使用要求。技術(shù)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要結(jié)合機(jī)械產(chǎn)品的性質(zhì)和尺寸，確定滲碳的深度及其濃度，如針對(duì)截面尺寸小于50mm的零件，我們使用20Cr材料，并對(duì)這一材料采取滲碳處理即可，很好地保證了機(jī)械產(chǎn)品的性能，針對(duì)界面尺寸在50mm—150mm范圍內(nèi)的機(jī)械零件，可以選擇20MnTi這一金屬材料，并對(duì)其采取滲碳處理，提高機(jī)械產(chǎn)品的韌性和塑性。另外，滲碳處理作為非常重要的熱處理工藝，碳濃度與產(chǎn)品性能并不是呈現(xiàn)出正比的關(guān)系，若是機(jī)械產(chǎn)品的韌性和塑性滿足使用要求，就不需要進(jìn)行滲碳處理。

2. 氮化處理

氮化處理也是常見(jiàn)的熱處理工藝，也就是在機(jī)械零件的表面加入氮原子，從而增強(qiáng)機(jī)械零件的耐磨性，同時(shí)也具有抗腐蝕性的良好作用，氮化處理在模具制造、機(jī)械工程設(shè)備制造等方面得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇45#鋼、40Cr等氮化鋼，氮化需要在特定的環(huán)境和空間內(nèi)進(jìn)行，常見(jiàn)的便是氮化爐，在處理的過(guò)程中，對(duì)機(jī)械零件的形態(tài)影響較小，機(jī)械零件在氮化處理后，便可以安裝在機(jī)械設(shè)備中，不需要測(cè)量機(jī)械零件的尺寸和相關(guān)性能，有著很高的經(jīng)濟(jì)性。與此同時(shí)，技術(shù)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)機(jī)械零件的具體狀況，對(duì)機(jī)械零件實(shí)施一次性氮化處理，并計(jì)算出氮化處理的面積，針對(duì)不需要氮化處理的部位，一定要做好防護(hù)，避免多次處理和不必要的處理。

3. 表面淬火

淬火是成本低、應(yīng)用廣泛的熱處理方式，有著工藝簡(jiǎn)單、易于控制的顯著特點(diǎn)，在提升金屬材料耐磨性方面有著很大的積極作用。表面淬火是機(jī)械設(shè)計(jì)中金屬材料常見(jiàn)的應(yīng)用方式，經(jīng)過(guò)表面淬火的機(jī)械零件，疲勞強(qiáng)度會(huì)得到很大的改善，在實(shí)際進(jìn)行表面淬火時(shí)，技術(shù)人員需要遵循一定的技術(shù)要求，特別是表面淬火區(qū)域的起始點(diǎn)與終結(jié)點(diǎn)處于參與拉應(yīng)力的情況下，若是沒(méi)有掌握科學(xué)的技術(shù)方式，則會(huì)降低機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度。在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要盡可能地避免殘余應(yīng)力停留在軸的過(guò)渡圓角和齒根等位置，針對(duì)機(jī)械零件相互配合的部位，需要采取表面淬火的方式，降低參與應(yīng)力對(duì)機(jī)械產(chǎn)品使用過(guò)程帶來(lái)的影響，提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。

三、結(jié)論

總而言之，機(jī)械行業(yè)是促進(jìn)工業(yè)發(fā)展的重要因素，金屬材料對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的性能有著直接的影響，設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)工作中，需要根據(jù)載荷大小、工作環(huán)境和機(jī)械零件的尺寸選擇材料，合理地采用熱處理工藝方式，增強(qiáng)機(jī)械零件的性能，從而設(shè)計(jì)和制造出高質(zhì)量的機(jī)械產(chǎn)品。

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