過程裝備設(shè)計中材料的選擇運(yùn)用分析

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000）

0 引言

深化工業(yè)化的真正內(nèi)涵體現(xiàn)在裝備產(chǎn)業(yè)更深入的發(fā)展，整個過程裝備產(chǎn)業(yè)從初級向深層發(fā)展，在以往階段這種發(fā)展只是追求數(shù)量的粗放增長，但是隨著其理論的不斷研究發(fā)展，這種發(fā)展開始逐漸重視以技術(shù)創(chuàng)新為核心的產(chǎn)業(yè)升級。目前，我國裝備行業(yè)競爭力較強(qiáng)的子行業(yè)中比較重要的就是材料了，過程裝備與控制工程設(shè)計的各方面知識比較多，比如科學(xué)與機(jī)械工程、化工工藝與理論等。從整體上看，我國裝備制造業(yè)具有產(chǎn)業(yè)集中度低、研發(fā)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，從這些方面來看，還需要進(jìn)一步的加強(qiáng)[1]。從材料選擇應(yīng)用能力來看，從原料到產(chǎn)品都需要經(jīng)過多種復(fù)雜的工藝過程，在開展裝備設(shè)計的過程中，材料的選擇工作極其重要。

1 過程裝備設(shè)計中材料的優(yōu)選的重要意義

目前，科技日益發(fā)達(dá)，信息化時代到來，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在這一時期內(nèi)，工業(yè)化進(jìn)程繼續(xù)加快，在為我國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更有利的條件。但是另外一方面，機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了許多問題。目前，在機(jī)械工業(yè)中，各種機(jī)械材料的應(yīng)用迅速發(fā)展，甚至部分材料都有短缺。為了有效地避免問題的惡化，在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中，必須充分考慮到工業(yè)發(fā)展造成的材料消耗量的增加。如果想讓這些材料得到合理選擇和使用，只有充分發(fā)揮它們的作用，才有可能做到這一點(diǎn)。工藝過程裝備的設(shè)計應(yīng)注意材料的選擇，從任意一角度來說，都需要綜合考慮材料的使用性能，材料的工藝特點(diǎn)，材料的經(jīng)濟(jì)性。選擇材料作為容器設(shè)計的關(guān)鍵要素是完成設(shè)備設(shè)計過程的第一步，材料的選擇包括材料強(qiáng)度、硬度、穩(wěn)定性等，通過綜合考慮多種因素，通過材料的最優(yōu)選擇，可以滿足設(shè)備需求的運(yùn)行質(zhì)量。目前，中國機(jī)械設(shè)計應(yīng)用過程中的一些重要材料顯示，情況比較矛盾，因此，在迅速發(fā)展的工業(yè)體系和社會經(jīng)濟(jì)背景下，基本原料的質(zhì)量很高，這是和迅速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是相互矛盾的[2]。優(yōu)選材料對于促進(jìn)工藝設(shè)備機(jī)械設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展十分重要，也有助于提高社會效益。

2 在過程裝備設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的原則

在選擇材料時，必須充分了解材料的使用情況，以確保選擇的效果。只有充分研究和合理利用材料的特性，才能充分發(fā)揮其作用。過程裝備設(shè)計必須考慮到材料的所有方面，這主要取決于各部分的功能需求，在此基礎(chǔ)之上才做出選擇。例如，許多設(shè)備對材料強(qiáng)度有較高的要求，這些表面往往是摩擦的，如果組件在高溫下工作，則材料必須耐高溫，對表面硬度有更高的要求。

使用材料的機(jī)械性能根據(jù)零件的工作條件和損傷類型確定，零件的使用壽命延長。權(quán)衡各種材料的機(jī)械性能，測量流動極限和強(qiáng)度極限及其他數(shù)值參數(shù)，材料應(yīng)具有高度疲勞度，材料淬透性分析機(jī)械性能是通常在金屬材料中使用的一系列指標(biāo)。在機(jī)械制造中，機(jī)械零件一般在正常溫度、大氣壓力和不高強(qiáng)度腐蝕的環(huán)境中使用，而在使用過程中機(jī)器的每一個零件都將承擔(dān)不同的負(fù)荷。金屬材料的使用質(zhì)量由機(jī)械性能決定，機(jī)械性能也是零件結(jié)構(gòu)和材料選擇的重要基礎(chǔ)。在各種情況下，根據(jù)額外載荷的性質(zhì)，金屬材料的機(jī)械性能也各不相同。額外載荷包括拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊和循環(huán)載荷。在材料優(yōu)化過程中，材料的機(jī)械性能應(yīng)符合彈性、剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性等要求，還包括疲勞強(qiáng)度，抗斷裂強(qiáng)度和粘度，根據(jù)設(shè)備不同的使用需要[3]，機(jī)械性能最優(yōu)化符合材料的要求。

3 在過程裝備設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的要點(diǎn)

首先，材料經(jīng)濟(jì)性方面。應(yīng)盡可能將節(jié)約性和協(xié)調(diào)性統(tǒng)一一致地考慮應(yīng)用。在目前的設(shè)備操作過程中，對材料的選擇的成本效益和適用性給予了極大的關(guān)注，工程師應(yīng)認(rèn)真對待材料制造技術(shù)，將其作為材料選擇的標(biāo)準(zhǔn)。各種機(jī)械材料，其技術(shù)要求相差很大，對鑄造、焊接和切割有不同的工藝要求。因此，在選擇材料的過程中，為了更充分地利用其特性，必須仔細(xì)審查其使用情況。在保證零件使用性能的基礎(chǔ)上，對材料進(jìn)行合理控制并保證材料的經(jīng)濟(jì)性。有效結(jié)合環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的特點(diǎn)。由于我們的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略為生產(chǎn)過程中的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)提出了新的要求。在實際生產(chǎn)過程中，企業(yè)必須認(rèn)真考慮保護(hù)環(huán)境和節(jié)能材料。在過程裝備設(shè)計中，通常使用許多不可再生的能源，如果這些材料消耗得太快，這將對我國的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，在實際執(zhí)行材料選擇過程中，應(yīng)盡可能遵循節(jié)能和環(huán)保原則，更合理的材料選擇，以確保材料的環(huán)境性能。

其次，需要注意過程裝備設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的方式。以失效指標(biāo)為基礎(chǔ)的材料選擇也是選擇零件、故障形式和影響因素的一種非常實際的方法，這通常被用來作為根據(jù)失效的形式選擇典型零件的基礎(chǔ)。材料零件故障意味著在使用過程中由于零件尺寸、形狀、組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，這導(dǎo)致材料正常工作效率的損失，通常導(dǎo)致零件完全損壞，零件嚴(yán)重?fù)p壞等，導(dǎo)致零件的性能作用完全失效。失效指標(biāo)分析法從一定意義上說后是尋找零件損壞的主要原因，提出了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，并綜合考慮了經(jīng)濟(jì)因素，提高材料使用壽命，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為狀態(tài)評價，導(dǎo)致設(shè)計不當(dāng)，因此而導(dǎo)致整個裝備設(shè)計過程的不合理，材料選擇不當(dāng)，或選擇低質(zhì)量材料，加工工藝表現(xiàn)為毛坯缺陷等；安裝和使用表現(xiàn)為安裝不合理、維護(hù)不當(dāng)或超載使用等問題。

最后，需要注意過程裝備設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用的方式。以失效指標(biāo)為基礎(chǔ)的材料選擇也是選擇零件、故障形式和影響因素的一種非常實際的方法，這通常被用來作為根據(jù)失效的形式選擇典型零件的基礎(chǔ)。材料零件故障意味著在使用過程中由于零件尺寸、形狀、組織結(jié)構(gòu)和性能的變化，這導(dǎo)致材料正常工作效率的損失，通常導(dǎo)致零件完全損壞，零件嚴(yán)重?fù)p壞等，導(dǎo)致零件的性能作用完全失效。失效指標(biāo)分析法從一定意義上說后是尋找零件損壞的主要原因，提出了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，并綜合考慮了經(jīng)濟(jì)因素，提高材料使用壽命，結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為狀態(tài)評價，導(dǎo)致設(shè)計不當(dāng)，因此而導(dǎo)致整個裝備設(shè)計過程的不合理，材料選擇不當(dāng)，或選擇低質(zhì)量材料，加工工藝表現(xiàn)為毛坯缺陷等；安裝和使用表現(xiàn)為安裝不合理、維護(hù)不當(dāng)或超載使用等問題。此外，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和生產(chǎn)應(yīng)在基礎(chǔ)上考慮到防銹問題，所以在生產(chǎn)過程中通?？梢宰⒁庠趲讉€情況，首先，在結(jié)構(gòu)狀態(tài)，除非有特殊的要求，結(jié)構(gòu)形式必須確保簡單。其次，在生產(chǎn)和設(shè)計過程中，必須確保所用金屬材料的同一性，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐處理，涂層法目前廣泛用于保證結(jié)構(gòu)的防腐性。

4 結(jié)語

在過程裝備設(shè)計過程中，應(yīng)適當(dāng)注意材料的選擇和使用，從一定意義上說，材料的優(yōu)選與應(yīng)用關(guān)系到產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行，在安全運(yùn)行方面也起到了非?？傄淖饔?。因此，過程裝備設(shè)計中材料選擇和應(yīng)用應(yīng)結(jié)合各種不同方面，包括材料的機(jī)械性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性來考慮過程裝備設(shè)計中的首選材料，以及材料的環(huán)境效率，技術(shù)效率和社會效益，通過選擇知識系統(tǒng)的材料，故障指標(biāo)，分級分析，同時選擇材料優(yōu)化成本，完成設(shè)備設(shè)計過程優(yōu)化材料，最終保證設(shè)備設(shè)計質(zhì)量，提高工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。