淺析材料在機械設計中的選擇和使用

摘要：在開展機械設計的相關工作時，必須重視材料的選擇及使用。目前機械行業(yè)正處在持續(xù)快速發(fā)展階段，同時對經濟增長的方式進行改變及可持續(xù)發(fā)展改革的不斷深入，相關部門只有重視機械設計材料選擇、運用，才能使機械設計的整體質量得到保證。文章對材料在機械設計中的選擇和使用進行分析，為選擇優(yōu)質的機械設計材料提供有利條件。

關鍵詞：材料選擇；材料使用；機械設計；機械行業(yè)；機械產品 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2015）08- DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.

1 概述

要想國內經濟實現持續(xù)發(fā)展、城市化的建設步伐加快，應在不斷實踐、研究中對機械設計的具體工作進行完善，進而將設計中的所有細節(jié)工作做好，最終達到人們的生活需求及社會發(fā)展需求。對機械進行設計時，必須重視材料選擇的具體工作，材料在較大程度上對產品質量、機械設計的行業(yè)發(fā)展有直接影響。因此，機械設計的人員一定要將材料選擇工作做好，進而才可以使其得到更好的運用。

2 分析機械設計過程中材料的選擇及應用的方法

2.1 分析調質及其設計應用

根據目前的具體情況看，調質技術是最常用的一種熱處理技術。對大多數零部件進行處理時均可以通過調質技術進行操作，且該技術的效果能夠使所選的材料綜合性能得到提升，即利用調質技術能夠對材料強度進行拉伸，使機械設計材料的屈服度及拉伸強度得以不斷提升，進而增強材料的塑性及強度。通過提升材料的沖擊度、強度，能夠使設計過程中零部件的使用截面減小，進而降低整個機械的重量及降低部件的消耗及所占空間。在運用調質技術的過程中，必須注意下面的三點要求：一是一定要將調質標注清楚，若只是將熱處理標注出來，大部分廠家很可能會運用其他處理技術來進行操作，如利用正回火使材料的硬度達到相關標準，但正回火技術降低材料強度大大降低，致使其在具體工作中出現斷裂情況；二是必須將調質硬度范圍注明，進而才可以為工廠生產提供便利，如果硬度的范圍較窄就不能達到具體的生產需求；三是材料硬度與所要求的實際強度必須相適應。

2.2 分析表面硬化技術與選材

對機械進行設計時，應利用硬化技術對各種金屬材料的表面進行相應的處理，且對其進行處理主要是為增強材料的耐蝕性、耐磨性，而氮化技術、滲碳技術則是比較常用的硬化技術。滲碳技術通常是指，在滲碳爐對鋼材表面碳含量進行增加，使其達到被允許范圍時在淬火，進而讓鋼材的表面硬度能夠達到相應的技術標準，再通過低溫回火技術將其應力消除，使其組織結構更加穩(wěn)定。能夠利用滲碳技術進行處理的材料通常是滲碳鋼，進行機械設計的過程中，可參照實際要求對其進行運用。如可以根據心部強度、零部件主要的尺寸大小對材料進行選擇，需要重視的一點是材料的使用不能過度，否則導致生產成本不斷增加。通常情況下，如果截面的有效面積低于50mm，可選擇20Cr。但是，如果有效截面面積大小在50～150mm之間，而且其重量低于50kg，就可選擇20CrMnTi。滲碳層度深度應參照實際的需求才能進行確定，若增加其層深就說明必須使?jié)B碳時間延長。

2.3 分析氮化技術及相關材料的選擇

不管是何種鋼材通常都可以利用氮化技術對其進行相應的處理，但比較常用的一種鋼材主要是45型號的氮化鋼。使用氮化技術時往往是利用氮化爐對其進行操作，因而其優(yōu)勢主要是變形較小，進行氮化后就不必再加工。同時，氮化硬度應參照材料質量才能確定，進行設計的過程中必須注意一定要使用整體的氮化技術，由于氮化層并不會帶來不好的影響，所以不必再次進行處理。必要時可運用局部的氮化技術對局部進行相應的保護，進行氮化后再把保護層全部去掉。該技術最大的一個特點就是熱處理的過程中變形較小、硬化層也相對較小，尤其是適合與調質技術共同使用，進而可以使材料耐磨性、技術強度大大提升。

3 分析機械設計中最常用的四種材料

3.1 高分子材料

在機械設計，對于高分子材料而言，其主要包括合成纖維及塑料。此類材料在相應的工業(yè)生產中存在許多優(yōu)點，且材料來源非常豐富。能夠從天然氣中進行提取，該材料所消耗的能源較少，且其密度也比較小，其延展性同樣非常好。

3.2 金屬材料

各種工程的材料使用中，其使用范圍最廣泛的主要是金屬材料。據統(tǒng)計資料顯示，金屬材料在機械類產品中占了90%以上的比例。尤其是鋼鐵材料在機械設計中的使用最為普遍，由于鋼鐵的韌性、強度較好，且其價格相對較便宜，也可以達到各種性能標準，所以使用較多。金屬類材料中的合金，其性能非常優(yōu)良，比較適合用來制作各種機械產品中的零部件。

3.3 復合材料

機械設計中所使用的符合材料主要由不同的、兩種以上的材料做構成，且通過化學與物理方法有機組合而成的新型材料，此類材料的性能均可以達到各種工業(yè)生產的需求。其中，復合材料通常包含非金屬材料和金屬材料，而金屬材料有合金、鎂、鋁；非金屬材料則包括陶瓷、橡膠、樹脂等。金屬絲、碳化纖維及玻璃纖維則屬于增強型的材料。

3.4 陶瓷材料

對陶瓷材料來說，其主要成分是碳化硅、氮化硅，且此類材料的特點主要有密度較低、硬度較高、具有較強的抗壓強度及耐腐蝕性強，其缺點是價格非常貴、比較容易發(fā)生斷裂、比較脆。目前，陶瓷材料大多使用在密封零件的制作中。

4 機械設計中材料的選擇及使用必須注意的相關事項

4.1 對材料進行選擇時必須重視其適用性及經濟性

機械設計的具體工作人員應根據不同的機械設計工藝，比如鍛造工藝、鑄造工藝、焊接工藝根據各種需求選擇適合的材料，進而才可以使材料發(fā)揮出最大的效用。如鑄造工藝中所使用的材料一定要具備較好的偏折性、吸氣性、收縮性；焊接工藝中的材料應有良好的敏感性及使用性；而鍛造工藝使用的材料則應具有相應的鍛后冷墩性、沖壓性、冷卻性、可鍛性。只有將各種工藝制作中需要的材料性質把握好，進而才可以選擇出真正合適的機械設計材料。另外，對材料進行選擇、使用的過程中還要重視材料的經濟性，所選材料應在滿足設計需求的同時盡量保證價格為最實惠、最便宜，這樣就才能夠時機械設計成本得以降低。

4.2 材料選擇過程中一定要重視其環(huán)保性及節(jié)能性

近幾年，隨著科學技術、社會經濟的持續(xù)發(fā)展，自然破壞現象也越來越嚴重，自然環(huán)境問題早已成為社會中的熱點話題之一。環(huán)境與人類的生活、生存有密不可分的關系，對自然環(huán)境進行保護也是各個社會成員共同的責任及義務，想要促進社會發(fā)展，就必須對環(huán)境進行有效的保護，過度的開采往往只會產生適得其反的后果。因此，對機械設計中的材料選擇一定要重視節(jié)能性及環(huán)保性；設計人員一定要堅持可持續(xù)發(fā)展觀，使用污染較小、能耗較少的材料，對那些不可再生、有效的資源必須盡量節(jié)約，進而能夠在完成機械設計任務的基礎上，使自然環(huán)境得到相應的保護。

5 結語

做好機械設計材料選擇、使用工作對機械設計事業(yè)的發(fā)展有重要作用，對機械材料進行選擇的過程中，必須將材料的節(jié)能性、經濟性、環(huán)保性、實用性等因素考慮進去，進而才可以使機械產品的質量、性能得到保證，才可以給機械設計的持續(xù)、健康發(fā)展提供必要的

條件。

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作者簡介：黃丹（1982-），女，江蘇沛縣人，泰爾重工股份有限公司助理工程師，研究方向：機械設計。

（責任編輯：黃銀芳）