機械設計中的材料的選擇和應用

劉洋君

(北京中科泰安脈沖氣壓噴射技術有限公司,北京 100095)

為了促進經濟的發展和保障城市化建設，機械行業需要不斷改進工作中的問題，做好工作中的每一個環節。機械設計中的材料選擇和應用是整個行業的關鍵所在，關系到產品和質量和整個行業的發展。新的形勢下，機械設計行業需要面對新的問題和挑戰，因此，需要在關鍵環節加強提升和改進，確保機械設計行業的穩步發展。

1 機械設計中的選擇材料的意義

隨著現代工業化體系的不斷完善，整個機械設計與加工行業面臨著新的機遇和挑戰。由于對機械需求量的不斷增加，直接導致了材料的短缺。材料是機械設計和零件生產的基本元素，保證材料的供應和恰當的選材，是機械設計行業持續發展的基礎。因此，面對當前的局面，必須加強機械設計中的材料選擇工作力度。一方面保證選擇適合的、實用的材料，另一方面，為了節約資源、保護環境，還要在選材的過程中充分考慮材料的經濟性和環保性。通過良好的完成機械設計材料的選擇工作，從而推動機械設計行業的穩步發展。

2 機械設計中材料的選擇

材料選擇是否合適，會直接影響零件的質量和企業成本，因此在整個機械零件的設計與制造過程中，材料的選擇是十分重要的一個環節。目前，對機械設計的材料進行選擇的時候，通常都是參考相同零件或類似零件的選材方式，主要依靠傳統的經驗進行選擇工作。但是這種方式有比較嚴重的缺陷，一旦沒有先例進行參考，通常就選擇一種相對萬能的材料，這種選材方式就容易出現問題。因此，我們有必要對機械設計中的材料選擇進行認真分析，總結出恰當的選材方式。

（1）堅持使用性的要求。材料的使用性是選材時需要堅持的首要要求，這也是保證材料性能和質量的根本因素。不同零件在選材的方面有不同的要求，一些零件對強度有很高的要求，另一些零件更加側重于零件的耐磨性，甚至一些零件更加外觀方面的美觀。因此，在選材時，要堅持根據不同零件采取不同的選材策略，準確地判斷零件使用性能方面的要求，選擇真正適合零件設計的機械材料。

（2）材料載荷類型的選擇。通過大量的試驗和研究，我們發現在機械設計中導致大部分零件實效的原因是由機械材料的外載荷性能所導致的，但是機械零部件具有的應用性能可以對這種問題進行有效的抑制。這種外載荷性能與抑制失效問題能力二者出現矛盾，因此，在進行機械設計的材料選擇時，要以零部件材料的荷載性能作為選材的標準。可以將材料的載荷性能歸納為以下方面：①當機械材料零部件在外載荷力的作用下發生彎曲或者扭轉的現象時，材料的表層會集中大部分應力，由此可見，材料表層的性能直接決定著對材料零部件實效性的抑制效果。因此，在機械設計的選材過程中，如果選擇的材料需要承受這種載荷力的作用，可以選擇中碳鋼調質或者低碳鋼滲碳的方式對材料進行加工，對表層施以高頻淬或者采用淬火和低溫回火的加工方式。經過處理后的零件內部通常具有較高的綜合機械性能，表層具有很高的硬度。通過這樣的選材和加工方式可以保證生產的成品的質量。②對那些單純承受拉伸或者壓縮能力的材料零件，由于外載荷作用力會分布在整個零部件的橫截面，所以在進行機械設計的過程中，要選擇性能分布更加均勻的材料。由于高碳鋼材料較脆，在承受沖擊載荷時容易斷裂。因此，應該避免選擇這種材料作為承受高拉伸和壓縮力的材料。彈性零件不允許在工作時有殘余變必須具備高強度、高塑性和充足的韌性，通常選擇彈簧鋼作為零件的制作材料。通過近年來的研究發現，對低碳鋼施以淬火強韌化處理也可以滿足彈性零件的使用要求。因此，要堅持恰當的選材和先進的技術相結合，從而保證生產的質量和性能。

（3）碳素鋼與合金鋼的選擇。目前，對各種材料的選擇中，碳素鋼是使用率較高的一種材料。由于加工工藝性好、價格便宜使碳素鋼被廣泛使用，但是，碳素鋼也有較為明顯的缺點，一定程度上制約了使用范圍。碳素鋼的強度較和韌性較差，中等形狀以上的零件不能被整體的淬透，這些都是碳素鋼的局限性。為了改善碳素鋼的缺陷，可以在碳素鋼中加入適量的合金元素，形成一種新的材料—合金鋼。在合金結構鋼中，合金元素主要起提高強度和韌性以及增加淬透性的作用。除了這三個作用外，由于能形成炭化元素的合金元素的加入，也提高了材料的耐磨性。另外，當合金含量較高時，可以使材料的性能進一步提高。例如在耐熱、不銹、耐腐性方面都有提高。通常只有在外載的應力較大，且較復雜的情況下才會選擇合金鋼。另外，有時為了改善淬火的工藝性，避免淬火裂紋產生或減小變形也會選擇合金鋼制造。這有在上述特殊情況下才會選擇使用合金鋼，一方面是為了保證特殊情況下得零件質量，另一方面也是為了避免資源的浪費。

（4）選擇加工過程中污染和能源消耗程度較低的材料。①盡量避免采用熱處理的材料。熱處理的工藝決定著機械零件的性能和使用壽命，但是，這種工藝會對環境產生較大污染，同時也會消耗較多的能源。因此，在選擇材料的時候，盡量選擇在熱軋、冷拔狀態下可以達到性能要求的材料。②選擇熱處理工序少的材料。當無法選用其他材料的時候，盡量選擇熱處理工序較少的材料：用低淬透性鋼制造齒輪，即使經過穿透性加熱，冷卻后也只會表面淬硬，齒輪的內部仍然保持堅韌的狀態。通過對淬硬層加熱淬火，可以取代部分合金鋼+滲碳淬火，從而降低了環境的污染，減少了能源消耗；低碳馬氏鋼具備優良的機械性能，在某些方面甚至優于中碳結構鋼。在靜載荷缺口的敏感性、疲勞缺口的敏感度等方面，低碳馬氏鋼都具有較好的表現。低碳馬氏鋼的在能耗方面消耗較小，起到了節能和環保的效果；恰當選擇用于干切削的材料。機器零件的加工通常使用切削液的方式進行，切削液價格較為昂貴，而且會產生較為嚴重的環境污染。因此，為了降低成本，同時保護環境，應該盡量減使用切割液的干切削加工技術。如果采用干切削刀具進行加工，應該選擇適合干切削的材料。

（5）選擇對人體無害的材料。在機械設計的工作中，部分材料包含一些對人體有害的元素，甚至對整個生態都會產生破壞。離子狀態存在的Cr+6是各種合金元素中對人體毒害最大的元素，其他的As、Ni等也會對人體產生傷害。含有這些元素的材料被廢棄后，會污染、水源和土壤，直接造成人體危害或者對生態造成破壞。例如Pb37%的Sn-Pb合金曾經廣泛應用于集成電路和印刷的配件上，當電路板廢棄后，由于很難對這種材料進行回收，通常進行填埋處理。但是Pb是可以溶于水的元素，會通過生物鏈對人體產生危害。類似于這類會對人體產生危害的材料，在選擇時要盡量慎重，避免材料選擇不當造成的人體傷害。

（6）選擇易回收處理、可循環利用的材料。金屬材料種類繁多，在鋼種方面就有一百多種。在循環利用的過程中，很多種類不同的材料混在一起，加大了廢料的回收處理的難度，也給廢料的循環利用帶來了很大困擾。因此，為了更好地實現金屬材料的循環利用，最好使用單一的合金系來制造零件，合金系中的組元越少，環境的承載壓力也會減少，合金的循環利用的性能會相應提升。

3 結語

隨著社會的不斷發展，對機械設計行業提出了更高的要求和挑戰。機械設計行業對于促進經濟發展和現代化的工業進程都有十分重要的意義，必須花大力氣切實保障機械設計行業的穩步發展。機械設計中的材料選擇和應用是整個設計工作中的重點，關系到產品的質量和行業的進步，因此，在具體的工作中，我們需要對機械設計中的材料選擇和應用進行更加全面的考慮。不僅要保證選擇的材料能夠滿足設計加工的需求，還要注意材料應用過程中的環保性和經濟性。做好了這兩方面的工作，可以為機械設計行業的穩步發展奠定良好基礎。

[1]梁耀能.機械工程材料[M].廣州：南理工大學出版社，2002.

[5]李樂心.我國機械制造業中低碳模式探討[J].現代商貿工業，2010，（17）.

[3]胡家秀.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社，2001.