探究金屬材料及機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體運(yùn)用

江翔

江蘇新?lián)P新材料股份有限公司，中國(guó)·江蘇 揚(yáng)州 225000

科學(xué)技術(shù)的普及，雖然明顯提高了機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展水平，但是也使得機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)械材料浪費(fèi)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重?；诖?，論文重點(diǎn)圍繞金屬材料及機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體運(yùn)用展開了論述，首先分析了機(jī)械設(shè)計(jì)中機(jī)械材料選擇與應(yīng)用的重要性，以及機(jī)械材料的具體類型，然后又梳理了機(jī)械材料選擇與應(yīng)用應(yīng)當(dāng)遵循的原則和要點(diǎn)，給出了加強(qiáng)機(jī)械材料選擇與應(yīng)用的措施，以期為相關(guān)科研人員提供參考借鑒。

金屬材料；機(jī)械材料；機(jī)械設(shè)計(jì)

1 引言

在機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展過程中，機(jī)械設(shè)計(jì)是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)水平不斷提高的背景下，機(jī)械材料的選擇與應(yīng)用也受到業(yè)內(nèi)人士的高度重視。只有選擇出最適合的機(jī)械材料，才能夠加強(qiáng)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的控制，為中國(guó)機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供保證。但是，要想選擇出最適合的機(jī)械材料，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)，不僅要遵循相應(yīng)的材料選用原則，還要準(zhǔn)確把握材料的選用要點(diǎn)，還要采用正確的材料選用方法策略。

2 機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用重要性

在中國(guó)工業(yè)發(fā)展進(jìn)程不斷加快的形勢(shì)下，機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械材料的使用需求也越來越大。但是，實(shí)際情況卻是，能夠滿足機(jī)械設(shè)計(jì)要求的機(jī)械材料并不多，機(jī)械材料的匱乏，與機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提高之間存在著極大的矛盾。在這種情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，必須進(jìn)一步加大新型材料資源的探索和挖掘，提升機(jī)械材料的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及豐富性。這樣一來，機(jī)械材料資源的應(yīng)用價(jià)值可以得到進(jìn)一步發(fā)揮，機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提高也更有保障。

在中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中，機(jī)械制造行業(yè)是最基礎(chǔ)的組成部分。而機(jī)械材料的選擇與應(yīng)用，則是機(jī)械制造行業(yè)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。在中國(guó)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程不斷加快的形勢(shì)下，只有對(duì)機(jī)械材料的選擇與應(yīng)用予以高度的重視，選擇出最能夠滿足機(jī)械設(shè)計(jì)需求的材料，并對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行合理的應(yīng)用，才能夠持續(xù)推進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提高，為中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展打好基礎(chǔ)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)中常用的機(jī)械材料類型

3.1 陶瓷類材料

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，陶瓷類材料是最常見的一種機(jī)械材料。例如，在工業(yè)瓷器制作中，應(yīng)用最廣泛的兩種材料是氧化鋁陶瓷和碳化硅陶瓷。在特殊條件下，這兩種陶瓷材料可以對(duì)部分金屬和高分子材料進(jìn)行取代，并表現(xiàn)出耐化學(xué)侵蝕能力強(qiáng)、熱密度低、硬度高等優(yōu)勢(shì)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，陶瓷類材料經(jīng)常用于自身組件改裝過程中，目的在于提高組件的密封性。但是，陶瓷類材料的應(yīng)用也暴露出了一些弊端，即硬度差、脆性高、生產(chǎn)成本高。

3.2 金屬類材料

在機(jī)械加工過程中，使用最廣泛的便是金屬材料加工而成的機(jī)械設(shè)備。國(guó)內(nèi)以金屬類材料為原材料的機(jī)械設(shè)備利用率幾乎都在99%以上。與其他機(jī)械材料相比，金屬類材料的應(yīng)用具有成本低、韌度高等特點(diǎn)，且能夠滿足各類加工方法的使用需求。所以，金屬類材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用非常廣泛。

3.3 高分子復(fù)合材料

所謂高分子復(fù)合物，其實(shí)就是兩種或兩種以上材料融合在一起形成的復(fù)合材料。融合在一起的原材料不同，最終的復(fù)合材料所表現(xiàn)出來的特性也存在差異。在材料加工過程中，所處的加工條件不同，需要選擇使用的復(fù)合物也不同。例如，合金材料，其實(shí)就是一種特殊形式的復(fù)合物。從理論角度分析，高分子材料與合成纖維材料非常相似。與其他機(jī)械材料相比，高分子材料的制作過程，不會(huì)產(chǎn)生過多的能源消耗，且適用范圍非常廣闊，所以在機(jī)械設(shè)計(jì)中有著極為廣闊的發(fā)展前景。

4 機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原則

4.1 實(shí)用性原則

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)使用到的機(jī)械材料予以重點(diǎn)控制，否則將有可能出現(xiàn)承載能力較差，機(jī)械設(shè)計(jì)需求得不到滿足的問題，并對(duì)后續(xù)的機(jī)械制造的順利進(jìn)行產(chǎn)生影響，使生產(chǎn)人員面臨莫大的生命安全威脅。鑒于此，在對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行選擇與應(yīng)用的過程中，需要對(duì)機(jī)械材料的承載能力極限予以重點(diǎn)考慮，并將機(jī)械材料的這一指標(biāo)，作為最重要的一項(xiàng)材料選擇標(biāo)準(zhǔn)。如果所選擇的機(jī)械材料不具有較強(qiáng)的承載能力，那么當(dāng)其在后期承載較大負(fù)荷的時(shí)候，將有可能出現(xiàn)扭曲、破裂等問題，使機(jī)械制造企業(yè)面臨巨大的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。所以，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)機(jī)械材料予以慎重選擇，加強(qiáng)金屬材料耐久性與牢固性的控制，并通過專業(yè)的變形性能測(cè)試，排出機(jī)械零部件在后期運(yùn)行過程中出現(xiàn)變形問題或彎曲問題的可能。另外，設(shè)計(jì)人員還需要結(jié)合時(shí)代的發(fā)展，加強(qiáng)機(jī)械制造方法的改革與創(chuàng)新，通過與時(shí)俱進(jìn)的制造方法，將材料的性能優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制造質(zhì)量的提高。

4.2 合理性原則

面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)發(fā)展環(huán)境，機(jī)械制造企業(yè)必須著重提高自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。機(jī)械設(shè)計(jì)是現(xiàn)代化市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系中的主要構(gòu)成。只有提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效益，才能夠?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展提供支持和保障。而且，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于機(jī)械材料的需求也比較高。只有對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行科學(xué)合理選擇，才能夠在降低機(jī)械制造過程中風(fēng)險(xiǎn)影響程度的同時(shí)，幫助企業(yè)加強(qiáng)生產(chǎn)成本的控制，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的提高。所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，必須遵循合理性原則，對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行選擇和應(yīng)用。

4.3 環(huán)保性原則

環(huán)保是當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展主題，在國(guó)家相關(guān)部門大力倡導(dǎo)生態(tài)環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展理念的背景下，機(jī)械制造企業(yè)在發(fā)展過程中，不僅要?jiǎng)?chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，還要控制機(jī)械生產(chǎn)過程中污染的排放，并對(duì)歷史遺留下來的環(huán)境污染問題進(jìn)行處理。所以，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，在對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行選擇與應(yīng)用的過程中，也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守環(huán)保性原則[1]。

5 機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的選擇應(yīng)用要點(diǎn)

5.1 負(fù)載型材料的選擇

針對(duì)有機(jī)加工技術(shù)的設(shè)計(jì)，經(jīng)常出現(xiàn)機(jī)械組成部分及物料無法使用的問題。究其原因，主要與這些機(jī)械組成部分或物料的機(jī)器承受能力不夠高，無法強(qiáng)化組件和物料的優(yōu)越性。鑒于此，在機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在對(duì)金屬材料或者零部件進(jìn)行選擇的時(shí)候，必須對(duì)設(shè)計(jì)載荷開展嚴(yán)格把關(guān)。例如，低合金鋼材料滲碳，就是一種性能優(yōu)良的負(fù)載型材料。

5.2 低能耗低污染材料的選擇

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，無論選擇哪種類型的機(jī)械材料，都必須確保不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的能源消耗和環(huán)境污染，盡量不要選擇需要進(jìn)行預(yù)先加熱處理的材料。因?yàn)楹芏嘈枰A(yù)先加熱處理的材料，都會(huì)或多或少地對(duì)大氣環(huán)境產(chǎn)生污染，并且對(duì)加熱場(chǎng)地的大氣環(huán)境污染最為嚴(yán)重。所以，在應(yīng)用機(jī)械材料的時(shí)候，要優(yōu)先選擇在熱軋狀態(tài)、冷拔狀態(tài)下存在良好機(jī)械特性的材料。目前，在應(yīng)用機(jī)械材料的過程中，會(huì)優(yōu)先利用低硬度鋼等材料，來完成機(jī)械零件的鑄造，并使鑄造后的機(jī)械材料表面形成一個(gè)硬化層。

5.3 實(shí)用型材料的選擇

為了將有利于機(jī)械加工的金屬材料篩選出來，需要在正式開始機(jī)械加工之前，對(duì)各種機(jī)械材料的性能特征進(jìn)行分析，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)需求，選擇出最適合的金屬材料，確保金屬材料能夠得到充分的應(yīng)用，其使用優(yōu)勢(shì)能夠得到充分的發(fā)揮，且在應(yīng)用過程中不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的資源浪費(fèi)、能源消耗問題。鑒于此，在某些機(jī)械加工環(huán)節(jié)，需要對(duì)金屬材料及相關(guān)組件的硬度提出苛刻要求。另外，還有部分機(jī)械加工環(huán)節(jié)，會(huì)對(duì)金屬材料的外形提出嚴(yán)格要求。也就是說，在不同的機(jī)械加工環(huán)節(jié)，處于不同的機(jī)械加工條件，需要選擇不同性能特點(diǎn)的金屬材料。

5.4 經(jīng)濟(jì)型材料的選擇

在對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行選擇的過程中，經(jīng)濟(jì)成本也是不可忽視的一項(xiàng)考慮因素。在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，機(jī)械人員一定要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的特定流程進(jìn)行重點(diǎn)研究，然后結(jié)合相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)，進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的選擇，確保這些生產(chǎn)設(shè)備的應(yīng)用成本最低、應(yīng)用價(jià)值最高。之后，再對(duì)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求進(jìn)行確定。不同的機(jī)械材料，有著不同的性能特點(diǎn)[2]。對(duì)各種類型的機(jī)械材料的性能特征進(jìn)行研究，可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地篩選出最符合設(shè)計(jì)需求的、投入成本最低的材料。另外，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)當(dāng)結(jié)合設(shè)計(jì)預(yù)算，對(duì)機(jī)械材料進(jìn)行選擇。首先，機(jī)械材料應(yīng)當(dāng)符合機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工藝規(guī)范，并具有物美價(jià)廉的特征。其次，機(jī)械材料應(yīng)當(dāng)具有生產(chǎn)成本效果和較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性特征。機(jī)械材料在應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)不會(huì)產(chǎn)生過多的能量消耗。

6 機(jī)械材料在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用強(qiáng)化措施

6.1 對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)要求進(jìn)行明確

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，要想加強(qiáng)機(jī)械材料的應(yīng)用，需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)要求進(jìn)行明確，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)重難點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的把握，為機(jī)械設(shè)計(jì)工作的合理進(jìn)行提供保障。首先，對(duì)設(shè)計(jì)零部件的應(yīng)用進(jìn)行確定。機(jī)械零部件的應(yīng)用，對(duì)于零部件機(jī)械性能的設(shè)計(jì)要求有著直接的影響。而機(jī)械零部件的機(jī)械性能，又與金屬材料的選擇與使用息息相關(guān)。所以，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)零部件的應(yīng)用予以高度的重視，對(duì)零部件將要面臨的工作環(huán)境進(jìn)行全面剖析，并找到可能對(duì)零部件性能發(fā)揮產(chǎn)生影響的因素，然后再以此為基礎(chǔ)選擇出最適合的機(jī)械材料。在這一過程中，設(shè)計(jì)人員還可以通過仿真建模的方式，對(duì)零部件所在地區(qū)的工作環(huán)境進(jìn)行深入剖析，對(duì)零部件的各種受力參數(shù)進(jìn)行分析，然后再選擇出最適合的機(jī)械材料。其次，對(duì)金屬材料的經(jīng)濟(jì)性特征進(jìn)行分析。不同的機(jī)械材料有著不同的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。要想對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)成本進(jìn)行控制，就必須對(duì)各種機(jī)械材料應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，對(duì)零件制造過程中需要選擇的生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)零件制造過程中產(chǎn)生的人力成本、資金成本以及物力成本進(jìn)行分析，然后選擇出最適宜的生產(chǎn)工藝。

6.2 加強(qiáng)機(jī)械材料性能的分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，要想加強(qiáng)機(jī)械材料的應(yīng)用，需要加強(qiáng)機(jī)械材料性能的分析。首先，對(duì)機(jī)械材料的物理性能和化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。金屬材料的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)非常多，但是在機(jī)械設(shè)計(jì)中，最關(guān)注的是金屬材料的密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性與導(dǎo)電性[3]。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)機(jī)械零部件即將要面臨的工作環(huán)境有一個(gè)準(zhǔn)確的把握，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)多種不同的金屬材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析和對(duì)比，并結(jié)合這些金屬材料的生產(chǎn)工序復(fù)雜程度，確定出性能特征最適合、質(zhì)量最優(yōu)保證的金屬材料。例如，如果機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)于零部件的整體載荷能力有要求，設(shè)計(jì)人員就可以優(yōu)先選擇鋁、鎂等輕金屬材料作為零部件的生產(chǎn)材料。其次，對(duì)機(jī)械材料的化學(xué)特性進(jìn)行分析，例如化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及抗氧化性等。因?yàn)槟承C(jī)械產(chǎn)品或者零部件需要長(zhǎng)期處于高溫條件下工作。為了保證此類機(jī)械產(chǎn)品或者零部件的使用壽命，需要優(yōu)先選擇使用具有較強(qiáng)耐熱性能和抗氧化性的機(jī)械材料。最后，對(duì)機(jī)械材料的工藝特性進(jìn)行分析，例如焊接性能、鑄造性能以及切削性能等。因?yàn)闄C(jī)械材料的這些性能，直接關(guān)系著零部件的制造難度。設(shè)計(jì)人員只有利用實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)各種金屬材料的工藝特性進(jìn)行對(duì)比分析，才能夠選擇出最具有可行性的材料和生產(chǎn)工藝。

6.3 提升處理工藝選擇的合理性

在機(jī)械零件生產(chǎn)過程中，為了提升零件的綜合性能，還需要使用到各種生產(chǎn)工藝。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)各種機(jī)械材料生產(chǎn)過程中需要使用的處理工藝進(jìn)行分析，然后根據(jù)處理工藝的復(fù)雜程度，進(jìn)行生產(chǎn)決策的優(yōu)化與完善。例如，針對(duì)鋼管等金屬材料的熱處理，需要經(jīng)過兩個(gè)環(huán)節(jié)。第一個(gè)環(huán)節(jié)是熱處理環(huán)節(jié)，主要包含退火、正火和萃取等操作。第二個(gè)環(huán)節(jié)是表面熱處理環(huán)節(jié)，主要包含滲碳、滲氮、高頻淬火等操作。如果機(jī)械材料的硬度變化幅度較大，切割和加工難度較大，可以通過退火處理，降低機(jī)械材料的硬度。如果需要對(duì)機(jī)械材料的堅(jiān)硬程度進(jìn)行調(diào)整，則建議采用正火處理方法[4]。如果使用了退火處理法和正火處理法后，機(jī)械材料的穩(wěn)定性與堅(jiān)硬程度依然不符合要求，還可以進(jìn)一步采用淬火法或回火法。如果機(jī)械零部件的外表或者中心部的加工特性可能發(fā)生變化，則設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)行外表熱處理實(shí)驗(yàn)?？偠灾?，不同的機(jī)械材料有著不同的處理方法、使用流程以及復(fù)雜程度。設(shè)計(jì)人員只有對(duì)所有的機(jī)械材料進(jìn)行全面考察和細(xì)致研究，才能夠?qū)⑵涓玫貞?yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中。

7 結(jié)語

綜上所述，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的形勢(shì)下，機(jī)械設(shè)計(jì)水平必然會(huì)不斷提高，對(duì)于機(jī)械材料和金屬材料的應(yīng)用需求也會(huì)越來越大。但是，要想加強(qiáng)機(jī)械材料的應(yīng)用，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展，不僅要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)要求進(jìn)行明確，還要加強(qiáng)機(jī)械材料性能的分析，提升處理工藝選擇的合理性。