關(guān)于機械設(shè)計中金屬材料的合理應(yīng)用

韓小佩

（寶雞西北有色地質(zhì)機械研究院有限公司，陜西 寶雞 721300）

當前我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體發(fā)展速度不斷加快，機械產(chǎn)業(yè)是我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中非常重要的組成部分，同時也直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟的整體發(fā)展層次。因此，要想進一步推動我國工業(yè)化發(fā)展水平，必須要以機械行業(yè)發(fā)展為金屬，全面提高機械制造產(chǎn)業(yè)的整體生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。機械設(shè)計工作是機械部件制造工作的首要工作環(huán)節(jié)，同時也直接關(guān)系到后續(xù)機械產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和使用效果，要想進一步提高機械部件產(chǎn)品設(shè)計的科學性與合理性，需要對金屬材料進行合理選擇，有效保證金屬材料質(zhì)量符合機械產(chǎn)品的使用需求。在金屬材料的選擇和設(shè)計工作當中，需要充分結(jié)合材料的性質(zhì)、荷載尺寸、質(zhì)量性能等多方面因素來進行考慮，進一步提高機械產(chǎn)品的生產(chǎn)工作質(zhì)量和精度。

1 金屬材料在機械設(shè)計中選擇的原則

1.1 荷載大小

荷載屬于一種物體直接受力的表現(xiàn)方式，主要指的是直接作用在一個物體之上，使得物體的表面形成一種外部的壓力，不同類型的材料都具有自身的極限荷載，主要表現(xiàn)在材料自身對外部壓力的最大承受能力。在機械設(shè)計工作中針對金屬材料的選擇，必須要考慮到不同金屬材料的荷載能力，當金屬材料的荷載能力小于外部壓力作用條件下，會造成金屬材料在使用過程中產(chǎn)生受力變形問題，會直接造成金屬部件出現(xiàn)破裂和損壞問題。因此，在機械設(shè)計工作金屬的材料選擇工作中，必須要充分考慮到金屬材料的極限荷載能力，并且對其進行全面計算和分析，從中選擇出最佳的金屬材料來加以使用。

在一些機械部件的設(shè)計工作中，對金屬原材料的和展能力要求相對較高。由于金屬荷載屬于直接作用在機械零部件之上，如果某些部位的荷載能力不足，會造成零部件的受力變形問題而無法使用。因此，針對金屬外部荷載能力來講，零部件通過外部受力產(chǎn)生變形問題，零部件內(nèi)部也會受到相同的反作用力影響，也被稱之為應(yīng)力影響。如果金屬材料的承載能力相對叫弱金屬材料的質(zhì)量就越低。為了有效提高金屬部件材料的承載能力，需要將一些低碳鋼和中碳鋼滲合理應(yīng)用在機械產(chǎn)品的設(shè)計工作當中，要選擇質(zhì)量更高的碳素鋼和合金鋼進行加工和使用，其中碳素鋼的含量需要低于2.2%的碳鋼，其中還需要含有一定量的錳、磷等元素。當鋼材料的含碳量較高的情況下碳鋼的硬度會有所提升，但是材料的延展性和韌性會有所下降，反之亦然。同時碳鋼的生產(chǎn)成本相對較低、性能可靠性更高、可加工性較強，因此在我國機械加工和設(shè)計領(lǐng)域當中運用非常普遍。如果碳鋼材料的硬度有所降低，則材料的延展性和韌性會進一步提升，由于這一性質(zhì)因素的影響會造成碳鋼制造和冶煉過程中會產(chǎn)生一定的裂痕問題。同時在機械設(shè)計過程中，針對碳鋼材料的使用對一些零件的精度要求相對偏低，則需要在碳鋼當中加入一定量的合金材料。通過合金鋼材料的使用會進一步提高機械部件的整體鋼性和韌性程度。通過二者之間的有效對比合金鋼材料，在強度硬度方面都高于碳鋼，同時自身的韌性和滲透性能良好，但是合金鋼材料的冶煉工作程序相對比較復雜，對加工工藝要求更高，因此在具體的使用過程中所產(chǎn)生的成本量更高[1]。

1.2 金屬的工作環(huán)境

金屬材料在具體的使用工作中，受到外部環(huán)境的影響非常明顯，在不同的工作環(huán)境下金屬材料所展現(xiàn)出的性能和工作優(yōu)勢也各不相同。比如，在一些溫度較高，并且比較潮濕的工作環(huán)境下，一切金屬如果直接暴露在環(huán)境當中進行使用，很容易受到環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。因此，對于這種環(huán)境條件下金屬材料的選擇，必須要選用一些抗腐蝕性能更強的金屬材料，以此來進一步提高金屬部件的穩(wěn)定性效果，有效防止金屬部件產(chǎn)生更加嚴重的腐蝕問題。

1.3 零部件尺寸選擇

在機械設(shè)計工作過程中，金屬部件的尺寸大小設(shè)計是其中非常重要的工作環(huán)節(jié)，尤其針對一些精密度較高的零件加工，對金屬部件的精度要求甚至是以納米精度級別來進行計算。同時機械設(shè)計主要是基于理論角度，對機械零部件的尺寸大小進行計算和分析，在實際的工作過程中加工現(xiàn)場，通常情況下會產(chǎn)生加工零件無法配套鑲嵌等各種問題，因此在金屬零件尺寸的設(shè)計工作當中，必須要基于實際加工條件和工作環(huán)境為金屬，對機械零部件的尺寸進行精確計算，并不能單純停留在理論計算的角度上來進行分析。在材料的選擇工作方面必須要保證機械材料性能相同，同時需要盡可能選擇一些容易進行切割的金屬材料，可以對金屬材料的精度進行嚴格控制。

2 機械設(shè)計金屬材料的處理技術(shù)

2.1 滲碳處理技術(shù)

金屬滲碳處理屬于一種化學熱處理工藝方法，主要是進一步提高金屬材料表面的碳濃度，以此來提高金屬材料的塑性與韌性條件。在金屬部件的設(shè)計工作過程中，通常很多金屬材料自身的性質(zhì)無法達到機械設(shè)計工作標準，因此需要通過滲碳處理技術(shù)來加以應(yīng)用。在具體的設(shè)計工作中，相關(guān)設(shè)計工作人員會選擇滲碳鋼，有效完成滲碳工作的整個流程，在設(shè)計工作中必須要充分結(jié)合金屬材料的加工工藝要求，以及機械部件自身的使用性質(zhì)與尺寸情況，合理選擇滲碳所需要的濃度和深度大小。比如，針對一些截面尺寸小于50mm的工件，則可以使用20Cr材料對其進行滲碳處理，而對于一些截面尺寸范圍在50mm～150mm之間的機械附件，則可以使用20CrMnTi材料對其進行滲碳處理。對于金屬的滲碳處理工作而言，并不是碳濃度越高越好，由于在金屬部件的滲碳處理工作中會消耗一定量的經(jīng)濟成本，在機械部件的塑形和韌性值達到機械部件的標準使用要求時，則不需要對其進行繼續(xù)審判處理，防止出現(xiàn)經(jīng)濟成本浪費問題[2]。

2.2 氮化處理

金屬氮化處理屬于一種化學熱的金屬處理方法，在處理工作中主要是在機械工件的表面向其中加入氮原子的方法，有效提高技術(shù)部件表面的耐磨性、耐腐蝕性以及抗疲勞性等特征。氮化處理技術(shù)比較常用的是氮化鋼，包含45、38Cr MoAl、40Cr等金屬材料，需要在氮化爐設(shè)備當中進行加工和處理，對機械工件外部形態(tài)的影響相對較小。在工件的氮化處理工作完成之后則可以繼續(xù)投入使用，無需要二次進行測算。由于氮化處理會改變金屬部件的尺寸大小，因此在實際的機械設(shè)計工作當中氮化處理工作，通常情況下必須要充分結(jié)合機械工件對其進行一次性處理工作，同時需要通過精密計算的方法，得出金屬氮化部分的處理面積，對于一些不需要進行氮化處理的金屬區(qū)域，在正式開始大化處理之前需要對其進行有效的防護，避免再處理工作完成之后進行二次加工，不但加大了氮化處理工作的成本費用，同時在整個操作流程的復雜程度上更高。

2.3 金屬表面淬火處理

金屬表面淬火屬于一種比較常用且處理流程比較簡單的金屬材料熱處理工作方法。該處理工藝的應(yīng)用比較簡單和靈活，同時還具有金屬局部位置處理的工作優(yōu)勢。通過金屬表面淬火處理，可以進一步提高機械部件的表面耐磨性，通過機械部件表面淬火處理之后，金屬材料的疲勞強度會進一步提升，但是如果金屬表面淬火區(qū)域的起始點和終點位置位于殘余拉應(yīng)力的工作狀態(tài)下，會進一步影響到金屬工件表面的疲勞強度。因此，在淬火處理工作當中必須要充分遵循相關(guān)的設(shè)計工作要求，有效考慮到金屬材料殘余拉應(yīng)力，對整個機械工件使用性能所產(chǎn)生的干擾，有效避免殘余拉應(yīng)力直接停留在金屬部件的齒根位置或者是軸的過度扁角位置。在工件的一些相互連接的關(guān)鍵性部位，通過降低殘余拉應(yīng)力的作用，可能會對機械工件造成一定的損壞，并且對于一些比較容易出現(xiàn)破壞性問題的細軸和薄板類的部件影響程度更大。因此，在機械部件的設(shè)計工作中，需要充分考慮到表面淬火工作所產(chǎn)生的應(yīng)力平衡問題，可以在淬火工作之前將薄板類工件設(shè)置成雙面結(jié)構(gòu)，可以有效解決由于淬火工作對工件所產(chǎn)生的變形影響問題[3]。

3 金屬材料的應(yīng)用注意事項

3.1 注意金屬材料的經(jīng)濟實用性

在機械設(shè)計工作中對于金屬材料的選擇是其中非常重要的工作環(huán)節(jié)，對于金屬材料的選擇不但需要考慮到金屬材料的性能，同時還必須要滿足材料經(jīng)濟性要求。首先，對于機械設(shè)計工作人員來講，在選擇金屬材料加工工藝之前，必須要對切設(shè)及工作的相關(guān)重點內(nèi)容進行綜合分析，對市場當中各種不同類型的材料加工工藝、金屬材料性能材料的實時性價格等情況進行全面整理和分析，從中挑選出最有性價比的金屬材料來加以使用。其次，相關(guān)設(shè)計工作人員需要確定金屬加工工藝條件，在進行金屬材料的選擇工作中，需要保證生產(chǎn)設(shè)備的實用性，金屬設(shè)備的生產(chǎn)主要涉及到了鑄造、裝配、焊接等各種加工工藝流程，因此對金屬材料的性能提出了不同的要求。在加工工藝充分確定之后，金屬材料的選擇方面會受到一定的限制和影響。

由于碳素鋼和材料具有較高的材料加工和使用性能，并且材料價格相對較低，性價比更高是機械設(shè)計工作中比較常用的金屬材料之一，因為碳素鋼材料的韌性有所不足，在一些中等型材加工過程中無法對其進行直接加工和處理，因此為了有效提高材料的實用性，需要在機械設(shè)計工作當中，需要通過向其中加入特定的組分，將其制作成耐腐蝕性更高、耐磨性更強以及既有更強的耐高溫性和金剛材料。因此，對于機械加工設(shè)計工作而言，對金屬材料的選擇必須要考慮到材料的經(jīng)濟性和實用性，需要選擇價格更加低廉各項加工成本更低，以及加工工藝流程更加成熟的金屬材料。

3.2 注意金屬材料的節(jié)能性與環(huán)保性

在機械設(shè)計工作當中，必須要充分堅持低碳環(huán)保以及可持續(xù)性發(fā)展路的原則。首先，在金屬材料的選擇工作中，需要盡可能選擇加工工藝更加成熟，對環(huán)境污染程度較低，以及能耗更低的金屬材料，有效降低對外部環(huán)境所產(chǎn)生的污染，控制能源的大量消耗；其次，在選擇金屬材料過程中，還需要考慮到金屬材料的循環(huán)使用性能，需要盡可能減少機械產(chǎn)品當中金屬材料的種類，充分考慮到金屬材料的可回收利用性質(zhì)以及選擇易于降解的材料，有效防止資源出現(xiàn)大量浪費以及環(huán)境產(chǎn)生污染等問題[4]。最后，在選擇進行材料過程中需要充分注意金屬材料所存在的失效性。在機械產(chǎn)品的設(shè)計工作中，需要選擇出符合設(shè)計工作要求，以及失效時間相臨近的金屬材料，全面提高金屬材料的使用效率，防止出現(xiàn)資源浪費問題。對于使用完成之后的金屬材料需要有效做好無害化處理，盡可能做到材料的回收循環(huán)使用，避免對自然環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

4 結(jié)語

綜上。金屬材料在機械設(shè)計工作中應(yīng)用非常普遍，在具體的設(shè)計工作中必須要遵循相應(yīng)的處理事項，根據(jù)不同類型的機械產(chǎn)品設(shè)計選用相應(yīng)的金屬材料，發(fā)揮出不同金屬材料的優(yōu)勢特點，全面提高機械產(chǎn)品設(shè)計工作的整體質(zhì)量。